长距离同轴度测量方法及实验_成相印

第18卷 第2期1997年4月 计 量 学 报ACT A M ET ROL OGICA SIN ICA Vol.18,l 2 Apr il,1997
长距离同轴度测量方法及实验*
成相印 方仲彦 殷纯永 郭继华
(清华大学,北京 100084)
摘要 本文介绍了一种新型的自适应双频激光同轴度测量系统,该系统利用两个完全对称的渥拉斯顿棱镜,一个作为测量元件,另一个作为补偿元件。

采用比相技术处理测量信号,因而测量元件可以暂时移出光路,能够进行同轴度的测量。

系统的光学设计使激光光束的平漂和角漂不影响测量结果,对激光的漂移有自适应性。

两束干涉光基本符合共光路原则,因而对大气湍流、空气扰动的影响具有更强的适应性,可用于长距离直线度、同轴度的测量。

该系统与HP5528双频激光干涉仪在27m 的长导轨上进行了测量直线度的比对实验及挡光实验。

比对实验结果表明,该系统在测量精度及稳定性上不低于HP 5528。

挡光实验表明,该系统挡光后,数据能够自动恢复,可用于同轴度的测量。

关键词: 直线度测量 同轴度测量 自适应系统
本文于1995-12-26收到,1996-10-16修改收到。

* 国家自然科学基金资助项目
1 前言
激光在准直测量方面的应用十分广泛。

利用双频激光干涉仪的直线度附件测直线度是其成功的范例,其光路如图1所示。

该方案对于激光光束的平漂和角漂有自适应作用,测量精度图1 双频激光测直线度原理图
高,工作稳定。

传统的双频激光干涉仪在信号处理上
采用锁相倍频计数技术,不允许光路信号中断,否则计数立即无效,因而H P5528等双频激光干涉仪不可能用于测量同轴度。

作者提出了一种新型的自适应双频激光准直系统,该系统可以用于同轴度测量。

本文介绍了该系统的测量原理,并与H P5528测直线度系统进行了比对实验。

2 测量原理
同轴度测量系统原理如图2所示。

双频激光头出射的正交线偏振光通过第一个渥拉斯顿棱镜W 1,分开一小角度,再通过第二个渥拉斯顿棱镜W 2后,变成两束平行光,经直角棱镜反射后,再依次通过W 2、W 1又变成一束光,经探测器D 2接收,形成测量信号。

D 1输出的是参考
图2同轴度测量原理图信号。

W1(或W2)的移动会使测量信号与参考信号间的相位发生变化,通过测量二者相位的变化,就可得到W1(或W2)的移动量。

为了实现同轴度的测量,信号相位的变化必须在?180b内,故必须对测量范围和分辨率作统一考虑。

取测量信号和参考信号相位变化0.1b对应W1横向移动1L m,这样对渥拉斯顿棱镜W1来说移动量S为:
S=
K/N
4sin(H/2)
C
式中:K)激光波长;H)渥拉斯顿棱镜的两出射光之间的
夹角;N)计数电路的倍频数;C)计数器的累加数。

根据设计,有S=1L m,N=3600,K=0.6328L m,C=1,得:H/2=0.0025b。

再根据sin(H/2)=(n0-n e)tg B
得渥拉斯顿棱镜的楔角:B=0.28b
信号相位变化011b,对应W1(或W2)横向移动1L m,这样,信号一个周期?180b就代表了W1移动?1.8mm,这个量程对于测量直线度和同轴度来说是足够的。

在测量相位时,由于信号不会跨越一个周期,保证了读数的单值性。

按照这个要求设计,此时两光束分开角度H U01005b,可计算得在30m处两光束中心分开2.6m m,而光斑本身直径约为8mm,因而,在30m内两光束中心间距小于光斑半径,两光束几乎是重合的。

从设计原理可看出,该方案与HP的方案比较主要有以下特点:
(1)全量程光程差变化小于一个波长,采用测相技术,挡光后相位还可自动恢复,因而不会发生干涉级次混淆,能够用于同轴度的测量。

(2)不同于现有的双频激光测直线度附件,不需要光束分离所需的附加光程,一套附件可同时测量长、短距离的直线度(传统双频激光干涉仪对0.3~3m、3~30m直线度测量各需一套测量附件)。

(3)对于长距离准直测量,由于两光束分开很小,因而对大气湍流、空气扰动的影响具有更强的适应性。

该系统中光学系统本身能够自动抵消激光光束的平漂和角漂带来的误差(将另文介绍理论分析和实验结果)。

由于测量相位精度要求很高,因此专门设计了稳频差双频激光头,5h内频差总变化量小于6kHz[1]。

为了减少热因素的影响,还对激光头的热分布进行了有限元分析,优化了激光头的设计。

3比对实验方法及结果
作者研制了SJD3T双频激光同轴度干涉仪,在中国计量科学研究院与H P5528双频激光干涉仪进行了直线度测量比对,H P5528直线度附件用10775A。

SJD3T测相相位计用丹麦的2977型,每011b对应1L m。

图3是比对实验结构简图,两台干涉仪各放在导轨一端,两台仪器的渥拉斯顿棱镜都放在测量小车上,分别用两台计算机通过IEEE488口对两台仪器的测量结果进行采数。

测点间隔为2m/点,对每个测点在5s内连续采数10次,记录其平均值作为测量86计量学报1997年4月
图3 比对实验结构简图
值。

全程共12个测量点,总测量行程22m(导轨总长约27m,由于H P5528在近端有3m 死区,加上激光头本身有一定长度,因而最大只能测量22m)。

在1995年12月1~2日对导轨水平和垂直方向的直线度分别进行了测量。

表1和表2是12月2日对导轨水平方向测量的原始数据及结果。

表1 HP5528的测量原始数据及结果 单位:L m
测 点123456789101112 l 112156403511607715654450758536-68 l 2-25155417515619734678437868539-64 l 3-3550374468623698613428658532-70 l 4-87129358520562675640434648230-70 l 5-64127370508606660634399677621-76 l 6-6594356478525662656425748122-75 l 7-7928357450584663647415755715-76 l 8-877128045956466162841151588-82 l 9-116413124645806296063853355-7-84 l 10-1528333447452162462639741546-84平均值-7093356485579672638418637220-75标准偏差R j 47
47
402636352220
17
14
15
7
直线度偏差
-343-18083
213
307
401
367
148-207-198-249-343
表2 SJD3T 的测量原始数据及测量结果 单位:L m
测 点123456789101112 l 16949491281150916831870191717511471156415851584 l 26899451288151016861857190417601469157116051588 l 36909421279150516891860191017581466154815851587 l 46929431274150116851858190817511470154815761581 l 56889451280149416801854190017451467154615771582 l 6*6869371276150216801864189917541472153315661590 l 76879361278150116731864189617411454153315691568 l 86879371273149616761853189817311454153215581561 l 96859391276150116731846189417291451152215711556 l 106859411265149816761862190317461451153715551567平均值688941127715021680185919031747
1463154315751576标准偏差R j 3
4
6567710
9
15
15
12
直线度偏差
-347-17580
224
322
420
383
146-219-219-268-347
*l 6测量过程中,每个测点测量之前都对S JD3T 进行挡光一次,过10s 后再测量,从测量结果可看
出,挡光后并不影响测量结果。

在测量时,每个测量周期约10min,连续测量十次,取其平均值作为最后的测量结果,并求
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第18卷 第2期成相印等: 长距离同轴度测量方法及实验
图4 水平方向直线度比对测量结果
出十次测量的标准偏差。

注意:这里的标准偏差是在115~2h 内整个测量的总标准偏差,它包括了仪器本身的漂移、环境温度等的改变、小车的定位误差等的影响。

图4是水平方向的直线度测量结果。

用同样的方法测得的垂直方向的直线度偏差见图5(测量原始数据略)。

为了考察仪器的示值稳定性,在行程0、11m 、22m 处(即测点1点、6)7点之间、12点处)按2次/s 的采样间隔分别对两台仪器采数,共采样2min,得到两台仪器示值稳定性的标准偏差,见表3。

图5 垂直方向直线度比对测量结果
表3 仪器2min 示值稳定性的标准偏差 单位:L m 行 程011m 22m HP552862527SJD3T
2
6
8
4 结论
从上面实验可看出,双频激光准直系统采用了测相位方法,因而挡光并不影响测量,测量元件允许暂时移出光路,可进行同轴度的测量,两干涉光束基本上符合共光路原则,对于大气湍流、空气扰动有较强的抵抗力,示值更加稳定,适合于长距离准直测量。

致谢: 感谢中国计量科学研究院长度处基线室的同志对完成本项工作的大力支持和帮助。

参 考 文 献
1成相印,郭继华,殷纯永.一种稳定纵向塞曼效应激光拍频的新方法.激光技术,1996;20(2):95~98
88计量学报1997年4月
2殷纯永,陈计金,方仲彦.双光束自适应旋光准直系统.清华大学学报,1991;31(2):55~601
Long Distance Coaxality Measuremen t System and Experimen ts
Cheng Xiangy in,Fang Zhongyan,Yin Chunyong ,Guo Jihua
(T sing hua University,Beijing 100084)
Abstract )A new dual frequency laser coaxality measurement system is presented.This sys -tem has two Wollaston prisms W 1and W 2of same structure,one for measurement;and the other for compensation.When the dual frequency laser beam enters W 1,it is splitted into two beams w ith a slight angle.After W 2the two beams become parallel to each other.They are reflected by a rectang ular reflector,then pass through W 2and W 1and become the measurement signal.U sing phasom eter,the phase change betw een measurement signal and reference signal can be detected and it is proportional to the lateral movement of Wollaston prisms.W 1or W 2can be moved out off the beam,therefore the system can be used to measure coax ality.T he displacement drift and ang le drift of laser beam are compensated by the adaptive optical system parison ex -periment between the system and HP5528has been done.Experimental results have shown that the system has high stability and accuracy and can be used in long distance alig nment and coax al-i ty measurement.
Key Words: Alig nment measurement; Coax ality measurement; Adaptive system
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第18卷 第2期成相印等: 长距离同轴度测量方法及实验。