激光干涉仪相关基础知识

一.激光干涉仪概述

激光干涉仪，以激光波长为已知长度，利用迈克耳逊干涉系统测量位移的通用长度测量工具。SJ6000激光干涉仪产品采用美国进口高稳频氦氖激光器、激光双纵模热稳频技术、高精度环境补偿模块、几何参量干涉光路设计、高精度激光干涉信号处理系统、高性能计算机控制系统技术，实现各种参数的高精度测量。通过激光热稳频控制技术，实现快速(5~10分钟)、高精度(0.05ppm)、抗干扰能力强、长期稳定性好的激光频率输出，采用不同的光学镜组可以测量出线性、角度、直线度、平面度和垂直度等几何量，并且可以进行动态分析。

二.激光干涉仪工作原理

激光器发射单一频率光束射入线性干涉镜，然后分成两道光束，一道光束（参考光束）射向连接分光镜的反射镜，而第二道透射光束（测量光束）则通过分光镜射入第二个反射镜，这两道光束再反射回到分光镜，重新汇聚之后返回激光器，其中会有一个探测器监控两道光束之间的干涉（见图）。若光程差没有变化时，探测器会在相长性和相消性干涉的两极之间找到稳定的信号。

若光程差有变化时，探测器会在每一次光程变化时，在相长性和相消性干涉的两极之间找到变化信号，这些变化会被计算并用来测量两个光程之间的差异变化。

三.激光干涉仪功能

SJ6000激光干涉仪产品具有测量精度高、测量速度快、最高测速下分辨率高、测量范围大等优点。通过与不同的光学组件结合，可以实现对直线度、垂直度、角度、平面度、平行度等多种几何精度的测量。在相关软件的配合下，还可以对数控机床进行动态性能检测，可以进行机床振动测试与分析，滚珠丝杆的动态特性分析，驱动系统的响应特性分析，导轨的动态特性分析等，具有极高的精度和效率，为机床误差修正提供依据。

1.静态测量

SJ6000激光干涉仪的系统具有模块化结构，可根据具体测量需求选择不同组件。

SJ6000基本线性测量配置：

SJ6000全套系统：

1.1. 线性测量

1.1.1. 线性测量构建

要进行线性测量，需使用随附的两个外加螺丝将其中的一个线性反射镜安装在分光镜上，这个组合装置就是“线性干涉镜”。线性干涉镜放置在激光头和线性反射镜之间的光路上，

用它的反射光线形成激光光束的参考光路，另一束光入射到线性反射镜，通过线性反射镜的线性位移来实现线性测量。如下图所示。

图1-线性测量构建图

图2-水平轴线性测量样图图3-垂直轴线性测量样图

1.1.

2. 线性测量的应用

1.1.

2.1. 线性轴测量与分析

激光干涉仪可用于精密机床、三坐标的定位精度、重复定位精度、微量位移精度的测量。测量时在工作部件运动过程中自动采集并及时处理数据。

图4-激光干涉仪应用于机密机床校准

图5-激光干涉仪应用于三坐标机校准

SJ6000软件内置10项常用机床检验标准，自动采集完数据后根据所选标准自动计算出所需误差数据，为机床、三坐标的误差修正提供依据。

图8-数据采集界面

图9-数据处理界面

图10-数据分析曲线界面

1.1.

2.2. 高精度传感器校准

利用激光干涉仪对位移传感器检定成为发展趋势，其特点是反应速度快、测量精度高。

图6-激光干涉仪应用于传感器校准

1.1.

2.

3. 实验室标准器

激光干涉仪是当今精度最高的测长仪器，因光波具有可以直接对米进行定义且容易溯源的特点，因此国家实验室多用激光干涉仪做实验室标准器，用于检验测长度仪器。

图7-激光干涉仪应用于实验室

1.1.

2.4. 小型光学镜组件

对于光学镜重量或尺寸可能影响机器动态性能或光学镜安装遇到困难的应用场合，中图仪器提供的轻型镜组，直接吸附在测量设备上，最大限度降低干涉镜附件重量对机器测量的影响。详见下图：

图8-轻型镜组

图9-轻型镜组测量测长机实例

图10-轻型镜组用于螺纹机测量实例

1.2. 角度测量

1.2.1. 角度测量构建

与线性测量原理一样，角度测量需要角度干涉镜和角度反射镜，并且角度反射镜和角度干涉镜必须有一个相对旋转。相对旋转后，会导致角度测量的两束光的光程差发生变化，而光程差的变化会被SJ6000激光干涉仪探测器探测出来，由软件将线性位置的变化转换为角度的变化显示出来。

图11-角度测量原理及测量构建

图12水平轴俯仰角度测量样图图13-2水平轴偏摆角度测量样图

1.2.2. 角度测量的应用

1.2.2.1. 小角度精密测量

激光干涉仪角度镜能实现±10°以内的角度精密测量。

图14-小角度测量实例

1.2.2.2. 准直平台/倾斜工作台的测量

由于角度镜组的不同安装方式，其测量结果代表不同方向的角度值。您可以结合实际需要进行安装、测量。

图15-水平方向角度测量

图16-垂直方向角度测量

在垂直方向的角度测量中，角度反射镜记录下导轨在不同位置时的角度值，可由软件分析导轨的直线度信息，实现角度镜组测量直线度功能。

1.3. 直线度测量

1.3.1. 直线度测量构建

SJ6000激光头射出后的激光由直线度干涉镜以一定的小角度分为两束，并入射到直线度反射镜中。经直线度反射镜反射后，沿着新光路返回到直线度干涉镜中，经直线度干涉镜合束后返回激光头的进光口，由光电探测器、分析器完成计数和测量。

图17-直线度测量原理

在直线度测量过程中，可以由直线度干涉镜或者直线度反射镜运动所产生相对于运动轴的横向移动来进行测量，一般尽可能的采用直线度干涉镜相对于直线度反射的运动，这样操作有利于提高测量的准确性和精度。直线度测量可以对水平面和垂直面进行测量，这取决于直线度干涉镜和反射镜安装的方法。

图18-直线度测量构建

1.3.

2. 直线度测量应用

由于导轨磨损、事故造成的导轨损坏以及地基不牢导致的导轨弯曲等，会对机器的定位、加工精度带来直接的影响。直线度测量可以显示出机器导轨的弯曲或直线度的情况，并可由生成的直线度误差对机器的性能做出评价和补偿。

1.3.

2.1. 机器轴、直线导轨测量

当需要测量导轨较长时，传统的直角测量方法无法提供这样的测量长度和精度，测量时较重的角锥反射镜的移动可能会对测量的准确性产生影响，所有一般建议将质量较轻的直线度干涉镜作为移动部件。

图19-直线导轨水平方向直线度测量