激光干涉仪使用方法

用激光干涉仪系统进行精确的线性测量
最佳操作及实践经验
1简介本文描述的最佳操作步骤及实践经验主要针对使用激光干涉仪校准机床如车床、铣床以及坐标测量机的线性精度。

但是，文中描述的一般原则适用于所有情况。

与激光测量方法相关的其它
项目，如角度、平面度、直线度和平行度测量不包括在内，用于实现0.1微米即0.1ppm以下的短距离精度测量的特殊方法（如真空操作）也不包括在内。

微米是极小的距离测量单位。

（1微米比一根头发的1/25还细。

由于太细，所以肉眼无法看到，接近于传统光学显微镜的极限值）。

可实
现微米级及更高分辨率的数显表的广泛使用，为用户提供了令人满意的测量精度。

尽管测量值在
小数点后有很多位数，但并不表明都很精确。

（在许多情况下精度比显示的分辨率低10-100
倍）。

实现1微米的测量分辨率很容易，但要得到1微米的测量精度需要特别注意一些细节。

本
文描述了可用于提高激光干涉仪测量精度的方法。

2光学镜组的位置光学镜的安放应保证其间距变化能够精确地反映待校准机器部件的线性运动，并且不受其它误差的影响。

方法如下：
2.1使Abbe（阿贝）偏置误差降至最低
激光测量光束应当与需要校准的准线重合（或尽量靠近）。

例如，要校准车床Z轴的线性定位精度，应当对测量激光光束进行准直，使之靠近主轴中心线。

（这样可以极大降低机床俯仰（pitch）或扭摆（yaw）误差对线性精度校准数据的影响。

2.2将光学镜组固定牢靠要尽量减小振动影响并提高测量稳定性，光学镜组应牢牢固定所需的测量点上。

安装支柱应尽可能短，所有其它紧固件的横截面都应尽量牢固。

磁力表座应直接夹到机床铸件上。

避免将其夹到横截面较薄的机器防护罩或外盖上。

确保紧固件表面平坦并没有油污和灰尘。

2.3将光学镜组直接固定在相关的点上材料膨胀补偿通常只应用在与测量激光距离等长的材料路径长
度上。

如果测量回路还包括附加的结构，该“材料死程”的任何热膨胀或收缩或因承载而发生的偏斜都将导致测量误差。

为尽量减少此类误差，最好将光学镜组直接固定到所需的测量点上。

在机床校准中，一个光学镜通常固定在工件夹具上，而另一个光学镜组则固定在刀具夹具上。

激光测量将会精确地反映刀具和工件之间发生的误差。

即使机器防护系统和机器盖导致难于接近，也一定要尽量将干涉镜和角锥反射镜都固定到机器上。

不要将一个光学镜安装在机器内部而另一个安装在外部如支在机器外地面的三脚架上，因为整台机器在地基上的移动可能导致校准无效。

然而，是否拆下导轨防护罩时需仔细考虑，因为这可能改变机器性能。

2.4使干涉镜保持静止不动在安放激光头和光学镜的位置时，尽量使干涉镜在测量时处于静止状态。

这
样可以避免由于移动干涉镜可能使光束发生偏转而出现的误差。

2.5光学镜应在运动轴的一端尽可能靠近调整光学镜组的位置，使干涉镜和角锥反射镜在运动轴的一端
靠近。

这样调光更容易，并极大降低空气死程（见下文）。

2.6避免局部热源避免使光学镜组或激光束靠近任何局部热源。

热源可能造成光学镜组膨胀或激光光
束中出现空气扰动。

2.7使用转向镜在某些复杂的设定中，用转向镜将激光光束发送到需要的位置。

确保位于激光头和干
涉镜之间的所有光学镜只将光束转向平行轴或垂直轴，以避免干扰激光光束的偏振状态。

还要确保任何位于测量光路上的光学镜都安装牢固，以避免出现测量误差。

3光束准直为了尽可能减低余弦误差，必须将激光测量光束调整为与运动轴平行。

在长于1米的轴上，通过肉眼就比较容易实现。

对于较短的轴难度会相应增大。

要将余弦误差降到0.5ppm以下，需要将光束准直到1毫米/米以下。

可采用下述方法优化准直光路，并使余弦误差降至最低：
3.1将干涉镜放置于测量位置进行准直将干涉镜放置于测量位置进行准直。

这样在准直光路时可以确
保照顾到干涉镜引起的任何光束偏转。

它的另一个优势是可以通过系统光强显示器显示不同光强来协助准直过程。

3.2先使光学镜组彼此靠近如果首先将干涉镜和角锥反射镜放到轴的一端比较靠近的位置，准直会更
容易。

这样就可通过肉眼使光学镜组外壳的外表面准直，然后开始精确的激光光束准直。

余下的准直工作仅需调整激光头。

3.3不要完全依赖光强读数不要以为在整个轴行程上光强保持不变就意味着准直已臻完美。

大多数光
强显示器的灵敏度和分辨率不足以保证短轴的精确准直。

3.4再次检查激光头处的准直情况检查移动角锥反射镜处的准直情况后，再次检查激光头处返回光束
(的准直情况)。

任何光束的光路未准直误差所造成的影响都在激光头处加倍，因此比较容易检测到。

另外还可以核实返回到激光头上参考光束和测量光束间的重合程度。

3.5使用小直径输出光束如果激光头有一个允许选择小直径输出光束的光闸，则应利用它进行短轴准
直。

光束的直径越小，越容易发现任何光路未准直的情况。

另外一个优势是把光强降到低于
100%，因此更容易发现光强变化。

3.6实现最大激光测量读数如果激光测量存在余弦误差，激光读数将比应有读数小。

因此，在短轴上
消除余弦误差是行得通的，方法是：仔细调整激光头的俯仰和扭摆，直到获得最大激光读数。

具体步骤如下：
a)通过肉眼沿运动轴准直光束。

b)移动轴，使光学镜组之间间隔最近，并将激光读数清零。

c)移动轴，使光学镜组之间间隔最远。

d)仔细调整激光头的俯仰和扭摆，以获得最大(绝对)激光测量值。

注：此步骤要求精细操作，但会非常有效。

如果激光头放在三脚架上，可能需要做一系列的精细调整，做完每次调整需要将手从三脚架调节螺钉上拿开，然后观察对激光读数的影响。

也可能需要平移激光头以保持准直。

最好重复以上步骤，确认已经准直。

在此过程中，也可能需要选择激光读数的最高分辨率，并将“平均”设定为“开”。

3.7使用激光准直传感器激光准直传感器可用于检查光束准直。

有各种类型的适用传感器，包括四象限
光敏元件
（“Quadcell”）、位置传感器（PSD）、光电耦合器件或CCD摄像头。

一定要确保与光束直径、波长和功率相适应。

还要注意干涉镜上的散射光束反射和环境光散射的影响。

3.8自动反射法
如果机器轴很短并且已知有平面与运动轴正好垂直或平行（在0.05°之内），则自动反射法很有用。

具体步骤如下：
a）通过肉眼沿运动轴检查光束准直。

b）将钢质块规放到激光光束路径上（在干涉镜之后）并紧靠一个或多个平面上。

c）调整激光头进行俯仰和扭摆准直，使块规表面反射的光束回到激光头的输出光孔中。

当激光头与干涉镜相隔一定的距离时，这种方法尤其有效。

3.9使干涉镜滚摆、俯仰和扭摆误差降至最低大多数干涉镜包含极化分光面，必须根据激光光束状态
精确准直。

如果准直不正确，信号之间可能出现混淆。

这可能导致精度降低，并可能因光束被阻
挡而导致检测失败。

一般说来，在滚摆、俯仰和扭摆方向上，最好使干涉镜的准直角度小于
±2°。

这通常可以通过目测完成，不过使用上述的自动反射法也很有效。

详情请参阅激光系统手册。

要检验干涉镜准直是否令人满意，值得进行这样一项测试，即阻挡干涉镜和角锥反射镜之间
的光束，确认系统显示“光束阻挡错误”标记。

4波长补偿激光速度和波长取决于光束经过的空气的折射率。

空气折射率主要随气温、压力和相对湿度的变化而变化。

如果不对波长的变化进行补偿，激光线性测量误差可能达到50ppm。

测量俯
仰、扭摆或直线度时，通常不使用补偿。

4.1使用波长补偿若不使用波长补偿，在大气中采用激光干涉法进行线性距离测量不会准确。

即使在温
控室内，日常的空气压力变化也可能使波长变化达20ppm以上。

大多数激光系统，或提供手动或提供自动的补偿功能，取决于其不同制造商，该功能叫作“环境、波长或VOL（光速）补偿”。

要在大气中用激光干涉仪实现精确的线性测量，必须使用此功能。

4.2自动波长补偿大部分激光系统使用传感器测量气温、气压和湿度，然后通过埃德伦公式计算空气的
折射率（及激光波长）。

有些激光系统使用空气折射计直接测量折射率。

这样，激光读数自动得到调整，对激光波长的任何变化进行补偿。

自动系统的优点是无需用户干预而且经常进行补偿更新。

4.3手动波长补偿在手动补偿中，使用者从各个仪器上读取空气温度、压力和湿度数值，然后用键盘或
控制开关将这些值手工输入激光校准软件中。

然后系统开始进行补偿。

由于系统为手动操作，一般情况下经常进行补偿更新是不切实际的。

4.4选择手动传感器
如果要手动进行补偿，必须选择具有适当测量精度的环境传感器。

要确保每一个传感器的波长补偿误差
补偿所需的气压值并非气象学家所指的海平面压力，而是在当前海拔高度上的实际压注：
力。

如果压力取自普通气压计或当地天气报告，必须修正至当地海拔高度。

（在0-1000米
内，气压大约下降0.115毫巴/米）。

温传感器元件应具有较低热质，确保对气温变化迅速做出反应。

湿度变化对激光测量几乎没有影响（尤其气温较低时）。

在某些情况下，可能不需要传感器，手工估计可能足以满足需要。

4.5自动补偿与手动补偿间的对比如果校准环境的空气条件很可能在测试过程中发生变化，我们强烈
建议进行自动补偿。

如果可以快速校准或在温控室内进行校准，手动补偿是可以接受的。

4.6空气传感器的放置位置对于精确的波长补偿，空气传感器（或折射仪）必须放在靠近激光光束的
位置。

通常空气温度传感器（或折射仪）大致处于运动轴的中间位置即可。

压力传感器和湿度传感器的位置不那么重要。

避免把传感器安装在局部热源例如电机或冷气流附近。

在测量长轴时，应
检查是否存在气温梯度的情况。

如果沿轴方向的气温变化超过1七，应使用风扇使空气流通。

（测量长垂直轴尤其应该注意，因为在这种情况下更可能存在气温梯度）。

在校准长度超过10米的垂直轴时，我们也建议将压力传感器放在运动轴的中间位置。

请遵照制造商针对传感器方向给出的建议。

（某些传感器可能包含有源电子装置，使用时某个方向必须朝上，以确保电子装置产生的热量不影响读数）。

避免让传感器信号导线靠近大的电子干扰源，例如高功率电机或直线电机。

5材料热膨胀补偿材料热膨胀补偿不当是导致在非温控环境中激光距离测量误差的主要原因之一。

这是因为与空气折射误差和准直误差有关的因数相比，普通工程材料的膨胀系数所带来的误差相对较大。

因此了解材料膨胀及其补偿的原理非常重要。

5.1什么是热膨胀补偿
校准行业使用的国际基准温度是20O C（68下）。

在理想环境下，所有机器均在此温度下校准和使用。

然而，大多数机器都放置在普通车间环境（无法进行精确的温度控制），因此校准通常在其它温度下进行。

由于大多数机器会随温度而膨胀或收缩，因此可能导致校准为避免此类校准误
差，被称为热膨胀补偿或“归一化”的数学修正值被应用到线性激光校准读数中。

这个修正值的目的是假定在20°C（68°F）温度下进行机器校准时能得到预期的激光校准结果。

注：此补偿结果必须视为一个预估值，因为最终精度高度依赖对材料热膨胀系数和机器温度的了解程度。

5.2什么是材料热膨胀系数大多数材料随温度变化而膨胀或收缩的量很小。

因此，热膨胀系数的单位
通常为百万分之一/摄氏度或华氏度（ppm/o C或ppm/。

，）。

这些系数指定了温度上升或下降1度时材料的膨胀或收缩量。

例如，假定热膨胀系数为+11ppm/七。

这意味着材料温度每上升1摄氏度，材料将膨胀11ppm，相当于每米材料膨胀11微米，或者每英寸材料膨胀11微英寸（0.000011"）。

5.3应使用什么膨胀系数在用激光进行线性精度校准过程中，一定要特别注意使用正确的膨胀系数。

在大多数情况下，可使用该轴反馈系统的膨胀系数。

在每次校准开始前，一定要确保选择了正确的系数。

表2列出了制造机床及其位置反馈系统所用的不同材料的典型膨胀系数。

注：因为材料膨胀系数会随材料成分和不同处理方式而变化，这些值仅供参考，
并且应当只在不知道制造商所用资料的情况下使用。

表2
注：
1. 在确定膨胀系数时，对于两种膨胀系数不同的材料固定在一起的地方要特别注意。

例如，对于机架和小
齿轮反馈系统，膨胀系数可能更接近于固定在机架上的铸铁轨。

对于带有地板安装式轨道的大型龙门机床，轨道的膨胀系数可能因混凝土地基的限制作用而降低。

2. 材料膨胀系数因材料成分和热处理方式的不同而各异。

因此通常要获得高精确值很困难。

然而，校
准环境的温度离20°C越远，此系数的精度就越重要。

要尽可能降低这些误差，请尝试找出正确的膨胀系数。

如有可能，在接近209的温度下校准。

3. 如果一台机床总是加工膨胀系数与反馈系统相差很大的工件材料，例如铝合金、碳合成材料、陶瓷等，
使用工件的膨胀系数可能比使用机床反馈系统的膨胀系数更合适。

（尽管此校准不能代表机床在209下的性能，但是当工件返回到20o C时测量时能够提高工件精度）。

5.4选择材料传感器
材料传感器需要的精度取决于相关材料的热膨胀系数以及归一化所需要的精度。

但是，一般说
来，建议材料温度传感器精度为0.1oC（0.2oF）或更高。

5.5安装材料传感器
在激光校准过程中材料传感器放置在机床的什么位置一直是个争议颇多的话题。

首先要确定进行材料膨胀补偿的主要目标。

它通常是以下四个可能目标中的一个。

目标1—按国家或国际机器验收标准规定进行校准。

目标2—估计在20oC环境温度下操作机器时可获得的线性定位精度。

这通常是机器制造、签核、调试或重新校准时的目标，在很大程度上与“目标1”相同。

目标3—估计机器反馈系统处于20oC（68oF）环境温度时，机器反馈系统可能达到的线性定位精度。

这对诊断反馈系统故障很有用。

目标4—估计当机器制造的工件返回20o C环境下进行检测时的工件精度。

这对在非温控车间制造精密有色金属零件尤其重要，因为机器反馈和工件膨胀系数相差很大。

这些目标之间通常有很大差异，尤其是在机器运行期间（例如滚珠丝杠）机器位置反馈系统变热的情况下，或者在工件膨胀系数与位置反馈系统膨胀系数相差明显的情况下，例如铝工件和玻璃直线光栅的膨胀系数相差非常大。

正确的材料热膨胀修正值是决定激光校准有效性的最重要因素之一。

因此，正确理解此处所述的目标和方法非常关键。

以下描述了针对上述不同目标所应采取的相应措施。

目标1—按照国家或国际标准规定校准机器的精度。

应该遵照标准中规定的步骤。

这应当包括放置材料传感器的位置、需使用的膨胀系数和要执行的机器预热循环等。

如果标准中还规定了热漂移测试，它也应包括在内。

目标2—预测机床在20O C环境温度下运行时的精度。

要实现这一目标，材料温度传感器应放置在
机床工作台上或其它不靠近热源（例如电机、齿轮箱等）的机器大结构部件上。

材料膨胀系数应
设为与反馈系统的相同。

注：通常有一种误解，认为一定要将材料传感器放在滚珠丝杠或反馈系统上。

但情况未必总是如此，如下举例说明。

假定机器校准时的车间温度是25O C，由于机器运行产生的热量，滚珠丝杠的温度将提高5七，即达到30O C。

如果材料传感器放置（或紧靠）在滚珠丝杠上，将对激光读数进行补偿，以预测滚珠
丝杠在20°C下运行时可能得到的激光读数。

但是，如果机器是在209环境下运行，则滚珠丝杠
的温度将不是20O C。

螺杆和电机运行产生的热量仍然存在，因此滚珠丝杠的温度仍将比周围温度
高5O C（25O C）O因此，材料传感器放在滚珠丝杠上将导致过度补偿。

比较理想的方法是，将传感器放在机器的大部件上，以提供与过去几个小时内机器平均环境温度相关的温度读数。

目标3—估计机器反馈系统在20°C温度下运行时的精度。

此程序常用作诊断用途。

机器校准可
能无法达到目标1或2,那么现在需要检查反馈系统在209时的精度。

要实现此目标，应当准直激光光束，使之尽量靠近反馈系统的轴（以尽量降低Abbe偏置误差）。

材料温度传感器应当放在
（或紧靠）反馈系统上，膨胀系数应当设定为与反馈系统的一样。

目标4—在精确到20o C的环境温度下制造有色金属零件。

材料热膨胀系数应当设定为与工件的一样。

材料温度传感器应当放在能够测量到类似工件预期温度的位置上。

（这个位置通常是在机床工作台上，但是还需要考虑其它因素，例如所使用的冷却系统类型和金属切削速度。

）还应注意的是，要在典型条件下进行此类校准，而且只有在温度和各个工件的膨胀系数相对稳定的情况下才真正有效。

其它注意事项
一定要保证材料温度传感器与被测材料之间具有良好的热接触。

如果气温与机器温度有明显差异，很可能材料的表面温度与中心温度也有明显差异。

在此情况下，应当仔细安排材料温度传感器的位置，使其能够测量中心温度。

在操作过程中机床的温度通常会升高。

建议您在开始校准前执行移动的预热步骤，以使校准中包括这种影响。

6空气扰动
6.1确认空气扰动
当在正常车间环境中测量超常距离、角度或直线度时，激光读数中可能有明显的不稳定量。

如果
这种不稳定性表现为激光读数非常慢的随机“跳动”，则可能是激光光束正在受到空气扰动的影响。

如果这种不稳定性只表现为读数的高频率“闪烁”，则更有可能是机械振动（见下一节）对测量造成了影响。

还有一种方法可确认存在扰动或振动，就是利用激光系统的“动态”测量功能（如有的话）记录几分钟内高频率（1000Hz）下的激光读数。

机械振动通常显示为介于1-1000循环/秒之间的一两个明
确定义的频率。

另一方面，空气扰动不会正常显示任何明确定义的频率，但显示为读数中的随机
波动，频率从1-0.001个循环/秒。

6.2空气扰动为何造成激光读数的不稳定性移动的暖气团和冷气团会造成空气扰动。

当这些暖气团和
冷气团移动通过测量激光光束，气团中的激光波长也随之变化。

假设从激光光束中冒出一个暖气
团“气泡”。

如果这个气泡的温度比周围空气高0.1七，宽1米，将会导致线性激光读数变化大约
0.1微米。

（请注意：如果此时激光系统正在测量长距离直线度，那么直线度读数变化将会因为激
光读数经处理后计算直线度的方式而高出100倍）。

这些气温波动通常太快或太局限于特定区域
而无法被空气折射补偿系统检测到。

6.3如何降低空气扰动的影响在均匀温度下在非常静止的空气中（此时没有扰动），或空气剧烈搅动
时或通过风扇循环时非常适合进行干涉测量法。

（干涉测量的最差条件介于这两种大暖气团和冷
气团可以慢慢漂移进及漂移出激光光束的极端条件之间）。

因此，要提高激光读数的稳定性，最
好将环境修改为接近任一个极端条件。

实现静止空气的方法包括关门、关窗、关闭电扇和加热器以及把激光光束封入塞子、管道或导管中。

在短的测量距离上容易获得静止、均匀温度的空气，而在长距离上则可能不切实际。

通过把电扇放在测量路径上可获得搅动空气。

此方法有两种实现方式。

首先，空气搅动会将暖气和冷气混合到一起，减小气团大小和温度变化。

第二，这些气团由于体积变小而且移动更快，因此穿过激光光束的速度加快了。

这两种影响降低了振幅，提高了激光读数种任何变化的频率，因此可以更有效地使用读数平均功能。

为了实现最佳测量结果，选择激光系统读数上可用的最长期平均（滤波），或在每一个目标位置上执行多次测量。

避免使激光光束经过任何热源如加热器或电机之上。

从这些热源发出的热气可能导致激光读数发生剧烈变化，甚至可能导致光束严重偏离，使光强消失。

当进行短距离线性测量（<1米）时，空气折射计也可能提高度数稳定性。

这是因为某些空气折射计可以快速补偿空气折射误差。

只有在暖气团或冷气团同时穿过折射计样品腔和激光测量光束时这种方法才会有效。

折射计应尽量靠近激光光束的测量路径。

遗憾的是，折射计在较长距离上优势甚微，不适用于角度和直线度测量，在这种情况下空气扰动影响通常很难解决。

7其它误差源下节中描述了其它几种可能降低激光测量精度的误差源。

7.1机械振动如果有机械振动，无论是源自机器自身，还是相邻机器或交通，或光学镜组安装很差，激
光读数均可能会表现为不稳定和不可重复。

要确定此类振动源，用系统的“动态测量”功能（如有的话）记录高频率（1000Hz）下的激光读数可能会有用。

如果有振动，使用激光上的平均或滤波读数模式通常会稳定读数。

不过，应谨慎使用平均功能，因为它可能隐藏振动对机器精度和重复精度的影响，并对机床性能作出错误评价。

如果振动源自机器内部或在机床运行时出现，可能导致表面光洁度差或触发式测头的测量重复性误差。

7.2热漂移及机械爬行如果激光光学镜组刚装配并安装到机器上，或从一个环境移动到另一个环境，
最好稍等片刻使其稳定下来。

要求的时间长度因环境和测量精度要求而异。

可能需要数小时光学镜组及其安装件才能适应几摄氏度的温度变化，每一度的温度变化可能造成约1微米的移动。

请勿将锁紧螺钉和螺栓拧得过紧。

过度的压力可能导致螺纹塑性变形，而且当压力缓慢释放时出现读数的漂移。

7.3精密测量场合不适合有人在场！遗憾的是，在校准环境下即使只有一位操作人员在场也会影响测
量精度。

人体是热源。

为获得最精确的测量结果，处理测量光学镜组时应戴棉手套或使用布，而且在校准过程中不要对着光学镜组或激光光束呼吸。

人员在场或移动可能导致空气扰动和噪音。

避免在测量光束附近走动，走动时动作要轻，不要用力关门等。

在小的温控室内，现场人太多可能导致温度上升。

（在极恶劣条件下这可能提高二氧化碳浓度，进而改变空气折射率）。

7.4溶剂洗净剂高浓度溶剂蒸气可能会略微改变空气折射率。

测量前从被清洁表面蒸发的溶剂可能导致
局部冷却和热收缩。

8校准步骤下节介绍了与校准程序包含步骤相关的若干指导原则，以期实现最佳测量结果。

这些指导原则的叙述顺序与实际操作顺序一致。

8.1选择校准目标位置和顺序当选择目标位置和数据采集顺序时，应考虑以下因素：
a）目标位置通常应分布在整个轴的工作区域。

b）不等距间隔或随机间隔的目标位置有助于检测周期误差要素。

c）机器应检测每一个目标位置若干次，以便评估测量以及机器轴的重复性。

若要将结果作为统计分析，通常至少需检测每一个目标五次。

机器应从正反向交替朝目标位置前进，以便评估轴的反向间隙。

有多种测量顺序可供选择。

通常每个目标被轮流从正向检测，然后每个目标被反向重新检测。

重复几次相同的动作。

但是，还有其它顺序，如摆动定位方式和阶梯式定位方式，这两种方式会极大缩短校准时间，但可能不易觉察到机器的热漂移所导致的重复性误差。

8.2检查环境补偿检查环境补偿是否正在进行中，而且材料膨胀系数应输入正确。