激光干涉仪测量原理ppt课件

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环境补偿单元
Renishaw XC80环境补 偿单元的高性能可以保 证在0-40度环境温度范 围内，和650-1150 mbar的环境大气压范 围内得到最高的测量精 度。
空气压力 Accuracy: ±1.0 mbar
湿度 Accuracy: ±6%
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回转轴校准安装方式
➢ XR20安装在回转轴上 ➢ 角度分光镜固定在激
光头与XR20之间 ➢ 调整激光头、分光镜、
XR20在一条直线上
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激光及其特点 ➢ 激光输出可视为一束正弦波。
波长
➢激光具有三个重要特性：
•激光波长非常稳定，可以精密测量测量的要求。 •激光波长非常短，可以用于高精度测量。 •激光具有干涉特性。
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光的干涉
➢压力传感器和湿度传感器固定在XC-80环境补 偿单元内。一般情况下，无需测量光路紧邻区 域的气压或相对湿度。但是，相对湿度传感器 应当远离热源或气流。
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XL-80回转轴校准配置
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✓XL-80激光头 ✓三角架和云台 ✓角度测量镜组 ✓XR20回转轴校准组件 ✓计算机和软件
①输入光束 ②参考光束 ③测量光束 ④叠加光束
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二、激光干涉测量原理
为什么要用双频激光干涉仪？
➢ 单频激光干涉仪是一种直流测量系统，存在较大的零漂；同时由 于空气湍流，机床油雾，切削屑等会使光束发生偏移或波面扭曲， 导致激光束强度发生变化，就有可能使光电信号低于计数器的触 发电平而使计数器停止计数。
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回转轴校准光学回路
当回转轴转动一定角度，参考光束和测量光束之间的光程差产生明 暗条纹。
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回转轴校准测量步骤
典型测试（步距为5°）的步骤如下： 1. 将XR20-W定位在被测轴上并调整激光系 统的准直（如右图所示）。 2. 在轴的起始位置将激光装置置零，在计算 机上开始采集数据并运行数控程序。 3. 轴到达起始目标位置，记录激光读数。 4. 被测轴以5°步距移至第二个目标，XR20-W 内置的反射镜反向旋转5°。 5. 系统结合XL-80与XR20-W的读数，记录被 测轴在5°的位置误差。 6. 通过使回转轴依次到达一系列测量点， 可测量并绘出轴的总体精度图。
激光干涉仪原理介绍
——线性测量与回转轴校准
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一、基本概念
什么是激光干涉仪？
➢ 激光干涉仪是利用激光作为长度基准，对数控设备(加 工中心、三座标测量机等）的位置精度（定位精度、重 复定位精度等）、几何精度（俯仰扭摆角度、直线度、 垂直度等）进行精密测量的精密测量仪器。
➢ 光具有波粒二象性。 ➢ 两列或几列光波在空间相遇时相互迭加，在某些区域始终
加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的 现象。
➢ 产生稳定干涉的条件 ：只有两列光波的频率相同，位相 差恒定，振动方向一致的相干光源，才能产生光的稳定干 涉。由两个普通独立光源发出的光，不可能具有相同的频 率，更不可能存在固定的相差，因此，不能产生稳定干涉 现象。
Байду номын сангаас
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线性测量回路
B (固定反射镜)
C (移动反射镜)
输出光 反射光
A (分光镜)
测量光 汇合光
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线性测量安装方式
➢固定锥角反射镜与 分光镜通过安装组 件固定在主轴上 ➢移动锥角反射镜通 过安装组件固定在 移动的工作台上 ➢调整激光头、分光 镜、反射镜在一条 直线上
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二、激光干涉测量原理
+ +
+ -
=
=
两列振幅为A1、 A2，频率为f，初始相位分别为 1 和 2 的光在空间叠加时的光
强为： E A 1 c o s ( 2 f t 1 ) A 2 c o s ( 2 f t 2 )
➢ 2007年推出XL-80校准激光干涉仪，性能更强 大。
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三、Renishaw XL-80激光干涉仪测量系统简介
XL-80基本线性配置
✓XL-80激光头 ✓XC-80补偿器 ✓三角架和云台 ✓线性测量镜组 ✓计算机和软件
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For Straightness measurement (6): xdy xdz ydx ydz zdx zdy
For Squareness measurement (3) XZ, XY, YZ
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激光的产生
LASER是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 的缩写，意为通过受激发射线的放射达到光的放大，即激光。 大多数现代位移干涉仪都使用氦氖 (He-Ne) 激光管，这些激光管具 有633纳米 (nm) 的波长输出 氦氖激光管的构成如下所示：
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三、Renishaw XL-80激光干涉仪测量系统简介
Renishaw公司是世界领先的计量解决方案供应商，成 立于1973年，提供坐标测量机、数控机床系统的解决方案。 产品包括各种测头、校准、光栅、编码器、数字化扫描及 光谱系统。
➢ 1987年首次推出ML10校准激光干涉仪 ➢ 2001年推出ML10 Gold Standard激光干涉仪， 它是当今世界领先的校准系统。
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为什麼需要补偿？
激光波长是高测量精度的基础，然而激光的波长会受到空气折射率
的影响。
n c f
其中n为空气折射率，c为激光在真空中的光速，λ为波长，f为频率
空气折射率又受到大气压、温度和湿度的影响。
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若光的振幅相等：
•相位角相同时，复合光强为原先的2倍，产生明条纹。
•当相位角相差180°（半个波长）时，复合光强为0，产生暗条纹。
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二、激光干涉测量原理
➢ XL-80激光测量回路如下
•如果测量光路长度改变（角 锥反射镜C移动），干涉光束 的相对相位将改变，由此产 生的相长干涉和相消干涉的 循环将导致叠加光束强度的 明暗周期变化。 • 角锥反射镜每移动316 nm， 就会出现一个光强变化循环 （明－暗－明）通过计算这 些循环来测量移动。 • 通过在这些循环之间进行相 位细分，实现更高分辨率 (1 nm) 的测量。
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机床精度的21项误差
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For Linear measurement (3): xdx ydy zdz
For Angular measurement (9): Ax Bx Cx Ay By Cy Az Bz Cz
➢ 双频激光干涉仪的信号时交流信号，因而对于双频激光干涉仪来 说，可用放大倍数较大的交流放大器对干涉信号进行放大，这样， 即使光强衰减90%，依然可以得到合适的电信号。
➢ 双频激光干涉仪可以在恒温，恒湿，防震的计量室内检定量块， 量杆，刻尺和坐标测量机等，也可以在普通车间内为大型机床的 刻度进行标定。
空气温度 Accuracy: ±0.2 °C
材料温度 Accuracy: ±0.1 °C
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XC-80的放置
➢XC-80环境补偿单元提供的空气温度传感器安 装在一个带强磁力的圆柱底座上，应尽量靠近 激光光束的测量路径并应大致处于运动轴的中 间位置。避免把传感器安装在局部热源例如电 机或冷气流附近。