先进的大尺寸测量技术——无导轨激光干涉仪
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随着航空航天、重型机械、发电设备、船舶工业的发展,对大尺寸测量的要求越来越高。一些精密配合的大型零部件,尺寸达到十几米甚至几十米,精度要求达到IT7以上。如何测量这些零部件长期以来一直是困扰计量工作者的技术难题。目前实际应用的测量手段仍以外径千分尺、内径测杆等传统测量工具为主,远远不能满足需求。清华大学曾研制出一套很好的对准方法,与激光干涉仪相结合,用于测量大尺寸可达到很高的精度,但该方法必须使用高精度导向导轨,限制了在生产、安装现场的使用。因此,开发高精度、无导轨大尺寸测量技术,一直是长度计量领域的一个重要课题。
激光技术的快速发展为大尺寸精密测量开拓了崭新的领域。近二十年来,出现了多种无导轨大尺寸测量方法,其中,受到广泛关注的无导轨激光干涉仪是近年来发展很快的一种先进测量方法。
小数重合法是无导轨激光干涉仪的基础。它是一种测量和数据处理方法,常用于量块检定中。通俗地说,这种测量方法就像用不同长度的几把“尺子”去量同一个物体,只要得到各次测量值的尾数,即可导出物体的实际长度,它并不关心测量的实际过程。
激光干涉仪是以波长为基本计量单位的,多波长激光器的发展,是实现不同长度“尺子”的基础。激光器可以稳定地输出多种波长的激光,利用光学拍波技术,可以将这些单波长合成为一组波长相近、间隔均匀的“合成波长链”。“合成波长链”是一个塔形结构,塔顶是最高一级合成波,其波长最长,塔底则是单波长。测量时,干涉仪以不同波长的激光工作,从最高级(最长波)开始,逐级下降,直至单波长。激光干涉仪的测量结果是在各种波长干涉下的一组剩余相位,以此可推导出总测量长度,由于每次的测量值都是剩余相位,与测量过程无关,因此不需要导向导轨。
选择合适的“合成波长链”是无导轨激光干涉仪的关键。长波干涉保证了测量值的唯一性,而测量精度则取决于短波干涉。为了简化测量过程,还有一种只使用一个合成波的方法,如采用几百毫米的合成波,借助于普通测量工具(如卷尺)测出大致的合成波周期数,剩余相位由干涉仪测出,这种方法只需一次测量即可完成,系统结构也非常简练,但由于所使用的波长较长,在测量精度上必然有所损失。
各国学者对无导轨激光干涉仪技术进行了大量研究,研制开发了各种激光干涉仪,归纳如下:
  1. CO2激光干涉仪
    CO2激光器是一种非常适合无导轨激光测量的光源,它在10.6µm波段具有丰富的谱线,相邻谱线的波长差分布也比较均匀,构成的“合成波长链”的波长可从10.6µm到25m,因此,CO2激光干涉仪一直是无导轨激光干涉仪的研究重点。从1979年开始,由直流干涉系统到各种形式的光外差系统,CO2激光干涉仪历经多次改进,其中一种典型方案是上世纪九十年代澳大利亚研制的外差干涉仪,它通过激光器的腔长控制,顺序输出6种波长,用声光调制器的零级衍射作为本振光,构成外差系统,测量精度可达4×10-8
  2. Ne-Xe激光干涉仪
    Ne-Xe激光器可以输出3.53µm和3.37µm两个波长,合成波长为84.2µm。从“合成波长链”的角度考虑,波长过短难以保证测量结果的唯一性,为此,系统加入了He-Ne激光器的3.39µm谱线,将“合成波长链”延伸到464µm。Ne-Xe激光干涉仪的最大优点是结构简单,测量精度可达1.8×10-7
  3. He-Ne激光干涉仪
    中国计量科学研究院研制的纵向塞曼He-Ne激光干涉仪,与成都工具研究所开发的双频激光干涉仪不同,其稳频点选在两条激光增益曲线之间,产生一对频差为1080MHz的左、右旋偏振光(这两个偏振光不在同一增益曲线上),合成波长为278mm。利用光栅测量干涉的剩余相位。系统测量长度可达100m,测量精度为±(40+1.5×10-6)。
    He-Ne激光器在3.39µm处谱线丰富,但其中3.3922µm谱线的自发辐射系数比其它谱线大很多,抑制了其它谱线的发射。清华大学利用甲烷在3.3922µm附近的一条吸收谱线,抑制了He-Ne激光这条谱线的强度,成功研制出了3.39µm波段双波长激光干涉仪,其“合成波长链”从3.39µm到1m,单波稳定性为1×10-8
  4. 变波长激光干涉仪
    变波长激光干涉仪采用两个激光器,利用谐振腔长与输出频率的关系,构成“无级”的波长系列,在理想的环境下,13m长度范围的测量精度为70µm。
  5. 线性调频半导体激光干涉仪
    近年来,半导体激光器线性调频技术的发展,为无导轨激光干涉仪提供了一个理想的光源,成为无导轨激光干涉技术研究的热点。1995年,德国采用了外腔可调谐式半导体激光器,其外腔由全息光栅组成,通过改变光栅的角度进行频率选择,相干长度可达100m,40m长度范围的分辨率可达40µm。
无导轨激光干涉仪技术的发展仅有二十多年的历史,由于它在大尺寸测量中具有无可替代的重要性,因此各国学者倾注了大量精力进行研究开发,目前这项技术逐步走向实用化阶段。随着科技的发展,相信在不久的将来,无导轨激光干涉仪技术必将成为大尺寸测量领域中的一朵艳丽的奇葩。
本文作者:成都工具研究所 羡一民
原载:《工具展望》2007年第5期
上载于:2008-11-28 12:18:05

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