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0.1 ppm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0.5 ppm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（―Quad cell‖）、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50 ppm。

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20 ppm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都小于±0.5 ppm，推荐使用表1中所列的传感器精度。

表1注：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°C，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20°C (68°F)。

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，因此可能导致校准误差。

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。