Measuring Method of Radius of Curvature Based on Dual-Frequency Laser Interferometer

In order to achieve high-accuracy measurement of radius of curvature of optical sphere, ultra-high accuracy radius of curvature testing device is developed by dual-frequency laser interferometer and Fizeau interferometer based on cat’s eye and confocal method. Through analyzing the error source models of radius of curvature testing, optical configuration of the testing device has been optimized. Precise environment control and real-time monitoring system is also established to reduce the errors caused by environment. Through the above processes, the radius of curvature measurement relative accuracy is better than 2 ppm. One optical sphere, R88.5 mm, test aperture 59 mm, has been tested. Testing result is 88499.465 ± 0.176 μm, meeting the design requirement. The method has high accuracy and practical advantages.

双频激光干涉仪技术现状与发展

文章概述了国内外双频激光干涉仪产品的现状,介绍了近年来双频激光干涉仪向高分辨率、高精度、高测速等几个方向的发展趋势。

高测速双频激光干涉仪

现代机械工业的发展使得数控机床和三坐标测量机等的运行速度已经达到 10 0 0 mm/ s,而目前商用外差干涉仪的测量速度不能满足这一要求。为此研制了一种基于 5 MHz频差双反射膜激光器的高测速干涉仪。通过实验对干涉仪的测量速度进行了验证。实验证明 ,该种干涉仪可以对速度为 10 0 0 mm/

大型衍射光栅刻划机刀架系统的设计

设计了一套光栅刻划机刀架系统。该系统将刻划刀具部分安装于能绕鞍形滑块自由转动的安装板上,利用铰链机构来实现了刀架刻划部分与承重部分的分离,降低运动中鞍形滑块的变形、偏移等对金刚石刻刀的影响。分析了刀架运动中产生的误差以及该误差对金刚石刻刀的影响。提出了一种新型检测光路结构,该结构利用双频激光干涉仪测量运动中刀架相对于导向导轨的位移变化。结果显示,刀架单向行程约70mm时,刀架在光栅刻划阶段相对于导向导轨在分度方向的最大位移值约为60nm。由于在刻划阶段,膜层对金刚石刻刀存在约束作用,所以金刚石刻刀相对于导向导轨的实际位移会更小。利用新的刀架结构刻制了一块70mm×70mm,600gr/mm的衍射光栅,对比利用原刀架结构刻制的光栅,该光栅杂散光强度减弱,质量提高。

双纵模双频激光干涉仪的非线性对测量精度的影响

对具有特殊后续电信号处理系统的双纵模双频激光干涉仪的非线性误差进行了研究。根据理论分析推导出了存在非线性时输出信号的表达式,并据此给出了非线性误差的表现形式是使混频输出信号产生漂移起伏,主要影响因素是偏振分光镜分光偏振度及光路调整理想程度。根据分光偏振度可计算信号最大漂移幅度及其带来的测量误差,计算出的漂移幅度值与实际观测值相近,该值可作为判断光路调整精度的一个标准,也是确定后续信号处理环节(细分辨向计数)中最大细分数的依据。

高测速双频激光干涉仪及其性能检测

新型驱动电机和高速传动器件的发展使得数控机床和三坐标测量机等的运行速度已经达到1000mm s,而目前商用外差干涉仪的测量速度不能完全满足这一要求。为此,研制了一种基于5MHz频差双频激光器的高测速干涉仪,理论上的最高测量速度可达1580mm s。通过实验对测量速度和计数频率进行了检测,结果证明,这种干涉仪可以达到的最高测量速度为980mm s,外触发计数频率达11kHz。

基于双弹头Hopkinson杆的高g值加速度传感器的动态线性分析

分析了高g值加速度传感器动态线性的测试原理并对双弹头Hopkinson杆的可靠性进行了验证;同时利用双弹头Hopkinson杆激光干涉冲击试验装置测量了高g值加速度传感器的动态线性。该方法是将双弹头Hopkinson杆作为冲击加速度发生器,用双膛冲击发生器发射两个子弹(分别为内、外弹),当两子弹分别单独与双弹头Hopkinson杆相撞时,通过控制冲击加速度发生器,使产生的加速度脉冲频率相同且峰值分别为a外、a内,测得加速度传感器对应输出加速度峰值分别记为A外、A内;保持相同的发射条件,当内外弹同时与Hopkinson杆相撞时,使两子弹作用于细杆上的冲击加速度脉冲的频率相同且峰值仍分别为a外、a内;根据应力波叠加原理,则叠加后产生的加速度峰值为a总=a外+a内,测得加速度传感器对应输出的加速度峰值记为A总;从而可以求出ΔY=(A外+A内)-A总,通过分析ΔY是否在所要求的范围内来说明被测加速度计的动态线性。

基于阿贝误差补偿光路的水准标尺检定装置及不确定度分析

现行有效的JJG 8——1991《水准标尺》要求以激光波长作为长度基准,使用激光干涉检定器对因瓦水准标尺进行检定。检定3 m长的水准标尺,若照准部不动而标尺移动,需要6 m长的导轨。为缩短导轨长度,降低加工难度,采用标尺固定而照准部移动的检定装置,可有效地将导轨长度由6 m缩短至3 m。由于不满足阿贝原则,检定装置设计基于阿贝误差补偿光路的结构,实现对阿贝误差的消减。该装置补偿性能的实测结果表明:利用光学补偿的方法极大地消减阿贝误差。"米间隔长度平均值"不确定度的评定结果表明:该装置可以满足水准标尺检定规程中对检定装置的相关要求。该补偿光路也可用于其他长度测量系统。

高测速双纵模双频激光干涉仪系统的研究

以合适频率的高稳定度电子振荡器信号分别与双纵模热稳频双频激光干涉仪输出的频率过高的测量和参考信号混频,将信号载波频率降至计数器允许频率范围内,得到全交流的高测速双纵模双频激光干涉仪系统。本文给出了高测速双纵模双频激光干涉仪系统光路框图和信号处理框图,并给出了振荡器频率选择的基本公式。所研制系统纵模间隔约728MHz,计数器选用最大允许计数频率10MHz的82c54,振荡器为频率为723MHz的JE0723型介质振荡器。在3m激光测长机上的实验证实:系统分辨率为0.32μm时,最大允许测量速度可达1300mm/s,能满足各种高速运动设备的检测及标定需求。

大跨距、小步距法测量导轨系统的导轨直线度研究

在导轨系统中,导轨的直线度误差通常可利用自准直仪或电子水平仪,采用节距法来达到误差检定的目的。而节距法只对导轨副行程相对较大的导轨系统奏效,对于文中提到的两类小行程导轨系统而言,传统的节距法则无法实现测量。针对两类跨距大而行程范围相对较小的导轨系统,笔者基于导轨系统中导轨直线度、直线度运动误差、角运动误差三者之间的相互关系,提出以大跨距、小步距法测量该类导轨系统的导轨直线度;结合双频激光干涉仪和电子水平仪测量运动部件所得到的直线度运动误差,以及对应位置下的角运动误差,处理得到了导轨系统的导轨直线度。

高精度高测速双纵模热稳频激光干涉仪研究

现代机械工业的发展使得数控机床和三坐标测量机等的运行速度已经达到1000mm/s,而目前商用外差干涉仪的测量速度不能满足这一要求。为此该文采用长度为206mm、频差约728MHz的普通全内腔He-Ne热稳频激光器为光源,外加带有高频振荡器形成的交流信号进行脉冲计数的信号处理电路,构成高精度高速双纵模热稳频激光干涉仪。通过实验对干涉仪的测量速度和精度进行了验证,其精度达到0.1μm/800mm。实验证明,该干涉仪可以对速度为1000mm/s的运动物体进行位移和速度测量。

激光干涉仪测量长度

分析了激光干涉系统的原理,给出了长度测量的计算公式。基于我们研制的测长仪讨论了仪器的设计要点,介绍了一种典型应用——数控机床的精度检定.

小型精密谐波转台角度定位精度标定与补偿

为了解决应用于关节型三维激光传感器的小型谐波转台角度定位精度标定的问题,提出了一种基于Renishaw双频激光干涉仪的单自由度小型谐波转台旋转角度测量和补偿方法。首先依据干涉仪角度测量原理和光路调节方法,建立了测量光路系统,分析了回转台装配误差对角度测量精度的影响并进行了有效调整,而后提出了小型谐波转台360°范围角度标定的实验方案,最后通过曲线拟合的方法分析了转台转角误差的测量数据,总结转台转角误差随位置改变的变化规律,并将误差补偿函数嵌入控制器中,对转台的每次运动进行实时有效补偿。实验结果表明使用该标定补偿方法能够将小型谐波转台的定位精度提高85%以上,补偿后的定位误差小于10″。采用该方法能够对小型谐波转台进行小间隔360°标定,标定后转台满足激光传感器空间精确定位的要求。

乌氏干涉测量的信息读取

针对乌氏干涉仪条纹信号调整难、用肉眼读数难等问题,提出将He-Ne激光作为乌氏干涉仪光源的设计,得到了高质量的干涉条纹信号,并采用光电转换方法将条纹移动信号转变为电信号实现了微位移的高精度测量。设计了光电信号检测电路,利用双门限整形电路标定出整形方波,克服了干涉信号在设定比较值附近抖动引起误处理的缺点;提出了辨向细分电路,在1路干涉条纹信号下,提取了具有正交性的2路电子信号,实现了干涉条纹的移动辨向与信号细分。按此方案设计并搭建了一套激光干涉检测实验装置,用2个计量差值为5μm的标准量块,对激光干涉检测装置进行了标定,在电路为4细分的情况下,该装置测量分辨率达79 nm;解决了乌氏干涉仪自动读数的问题,提高了乌氏干涉仪的测量精度和准确性。

基于双频激光干涉仪的重型数控机床定位精度测量

采用激光干涉仪对重型数控机床纵向上两段位置定位精度进行测量,得到目标位置点的定位精度和重复定位精度,并对试验值进行了分析,为探索利用虚拟检测方法得到全程精度值打下一定的基础。

丝杠螺母副轴向窜动误差分析及测量系统设计

分析影响螺母定位精度的因素,提出了丝杠轴窜误差;设计了基于激光干涉仪的测试方案,搭建了实验非接触式测试系统,对测试系统进行了误差分析,最后对理论分析进行了实验验证。实验结果表明,丝杠螺母副轴向窜动呈周期性变化,正反方向周期一致,其幅值大小为90nm左右;该误差对螺母的定位精度影响在亚微米范围。

五角棱镜光束转向波前误差的分析与检测

从分析五角棱镜的角度制造误差产生的光学平行差入手,建立起五角棱镜的光输出平面波前与运动误差和角度制造误差产生的扫描激光束转向的波前改变量之间的关系。采用渥拉斯顿棱镜型双频激光干涉仪实时测量五角棱镜的运动误差,即可计算出扫描激光束转向的波前误差,以便在大型望远系统波前测量时对此误差加以修正。

丝杠精度双频激光干涉测量中的阿贝误差实时补偿

提出一种利用双频激光干涉仪检测光栅刻划机分度丝杠的新型光路结构,推导出用于阿贝误差补偿的快速修正计算式,实现了丝杠测试过程中阿贝误差的实时修正,通过修正使不满足阿贝原则的测量系统获得了较高的测量精度。另外该方法还通过调整参考镜角锥棱镜消除了测量过程中丝杠轴向窜动引起的测量误差。实验结果表明,采用提出的方法在300 mm的丝杠行程内修正的最大阿贝误差为1.39μm,补偿后最大残差仅为0.48μm,有效地提高了丝杠测量精度。

双频激光干涉仪中的数字相位计设计

基于Altera公司FPGA芯片,提出了一种基于双频激光干涉仪系统中数字相位计的实现方法。该相位计用于测量系统中被测信号和参考信号之间的相位差角度,间接测量激光干涉仪的光程差信息。被测信号经过光电接收器以及A/D模数转换成数字信号送到FPGA芯片中,与FPGA内建的查找表参考信号做正交相关法解调运算,得到一组X-Y值,再利用CORDIC算法计算arctan函数获取相位差,最后计算出干涉仪的光程差,算法的全过程使用FPGA硬件实现。实验结果表明,该相位计使双频激光干涉仪的相位差测量精度在0.01°以内。

发挥双频激光干涉仪功能开出高质量的实验

双频激光干涉仪是现代精密测量中最精密的测量仪器之一。文章介绍了双频激光干涉仪的实验内容和方法,以及在实验教学中激发学生兴趣和求知欲,提高学生综合能力的实践经验。