4-6赵宝锦论文.doc

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1、 三亚学院本科毕业论文 三 亚 学 院 本科生毕业论文（设计） 论文（设计）题目：激光干涉测长仪的设计学 院：理工学院 专 业（方 向）：测控技术与仪器 年 级、班 级：0901 学 生 学 号：0910740072 学 生 姓 名：赵宝锦 指 导 老 师：闻福三 2013年 5 月 日33论文独创性声明本人所呈交的毕业论文激光干涉测长仪的设计是我个人在指导教师指导下进行的研究工作及取得的成果。除特别加以标注的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。本论文如有剽窃他人研究成果及相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任。本人的毕业论文激光干涉测长仪的设计中所有研究成果的知识产权属三亚学院所有。

2、本人保证：发表或使用与本论文相关的成果时署名单位仍然为三亚学院，无论何时何地，未经学院许可，决不转移或扩散与之相关的任何技术或成果。学院有权保留本人所提交论文的原件或复印件，允许论文被查阅或借阅；学院可以公布本论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他手段复制保存本论文。加密学位论文解密之前后，以上申明同样适用。论文作者签名： 日期： 年 月 日摘 要激光测距仪重量轻、体积小、操作简单速度快而准确、环境适应力强、应用范围广、实时动态测速高。激光测距仪发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收，测距仪同时记录激光往返的时间。光速和往返时间的乘积的一半，就是测距仪和被测量物体之间的距离。利

3、用这一特征，从而实现无接触测量物体距离。激光测距仪已经被广泛应用于以下领域：电力，水利，通讯，环境，建筑，地质，警务，消防，爆破，航海，铁路，反恐/军事，农业，林业，房地产，休闲/户外运动等。文本主要论述的是双频激光测长仪的原理及用途。随着激光测距仪技术的迅速发展及其在生活、生产等应用范围的扩大，激光测距仪逐渐成为人们关注的热点。与此同时，激光测距仪作为一种新型的非常重要有用的工具在测距方面有很大的发展空间，它将朝着更加高定位、高精度的方向发展，以满足日益发展的需求。毋庸置疑，未来的超激光测距仪将以自动化智能化接轨，与其他的测距仪继承和融合，形成多测距仪。【关键词】距离测量 双频激光测距仪 光

4、学AbstractLaser rangefinder has such characteristics as light weight, small size, easy operation, fast and accurate speed, environmental adaptability, wide application range and high real-time dynamic speed. Laser rangefinder emits laser and receives it after being reflected back by the measured obje

5、ct, at the same time ranger records the round-trip time of laser. The half of the product of light speed and round-trip time is the distance between rangefinder and the measured object. Utilizing this feature has realized the non-contact measurement of object distance. Laser rangefinder has been wid

6、ely used in following fields: electricity, water conservancy, communication, environment, construction, geology, policing, fire fighting, blasting, navigation, railway, anti-terrorist/military, agriculture, forestry, real estate, leisure/outdoor sports, etc. This text mainly discusses the theory and

7、 application of double-frequency laser rangefinder. With the rapid development of laser rangefinder technology and the expansion of its application scope in life and production, laser rangefinder is gradually becoming a focus of peoples concern. Meanwhile, as a new-type and very important instrument

8、, laser rangefinder has a broad developing space in distance measurement. It will develop towards the direction on higher position and higher precision for meeting the needs of increasingly development. No doubt, the future super-laser rangefinder will integrate with automation and intelligentizatio

9、n and form multi-rangefinder based on the inheritance and fusion of other rangefinders. Keywords: distance measurement, double-frequency laser rangefinder, optics目 录1 引言.71.1 课题概述.71.1.1 课题的研究背景.71.1.2 课题研究的目的及意义.71.2 课题研究的主要内容.82 激光测距仪2.1 测距仪.82.1.1 定义.82.1.2 激光测距仪.82.1.3 红外测距仪.92.1.4 超声波测距仪.92.2 激

10、光测距仪的研究原理2.2.1 激光.102.2.2 激光的特点及可能造成的伤害.102.2.3 激光测长仪.113 激光干涉测长仪的设计3.1 光的干涉.123.1.1 波与干涉.133.1.2 两个频率相差很小的波的干涉拍.133.1.3 相干光的获得.143.2 迈克尔逊干涉仪.163.2.1 迈克尔逊干涉仪的工作原理.173.3单频和双频激光干涉测长仪概述.183.3.1单频激光干涉测长仪的工作原理及特点.3.3.2双频激光干涉测长仪的工作原理及特点.194 仪器的光学系统4.1 倍频和相位细分.214.1.1 一般的光学倍频技术.214.1.2 双频激光干涉仪中的倍频光路.235 测试

11、误差的分析.245.1 一般测量仪器精度的分析方法.245.2双频激光干涉仪的精度分析.256 设计结论.27参考文献.28致谢.29附录.30激光干涉测长仪的设计1 引言1.1 课题概述1.1.1课题的研究背景 激光是六十年代发展起来的一项新技术。它是一种颜色很纯、能量高度集中、方向性很好的光。激光测距仪是利用激光进行测距的一种仪器。它的作用原理很简单：通过测定激光开始发射到激光从目标反射回来的时间来测定距离。例如用激光测距仪来测量月球的距离，如果激光从开始发射到从月球反射回来的时间被测定为2.56秒，激光发射到月球的单程时间就等于1.28秒，而激光的速度是光速，等于每秒三十万公里。因此，测

12、得的月球离地球的距离为单程时间和光速的乘积，即三十八万四千公里。为了发射和接收激光，并进行计时，激光测距仪由激光发射器、接收器、钟频振荡器及距离计数器等组成。 随着社会的发展，传统的测距方法在很多的场合已无法满足人们的需求，例如在地质，航海，铁路等问题上，传统的测距方法根本无法完成测量的任务，除此之外，在很多要求实时测距的情况下，传统的测距方法也很难完成测量的任务。于是，一种新的测距方法诞生了非接触测距。激光可用于非接触测量，具有重量轻、体积小、操作简单速度快而准确、环境适应力强、应用范围广、实时动态测速高的优点，是利用发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收，测距仪同时记录激光往返的时

13、间。光速和往返时间的乘积的一半，就是测距仪和被测量物体之间的距离。激光的这些独特的优点越来越受到人们的重视。激光测距仪在不断的完善着，是一种非接触的检测方式,和红外、超声波及无线电测距相比，重量轻、体积小、操作简单速度快而准确、环境适应力强、应用范围广、实时动态测速高的优点，激光测距仪同时代共同进步着。随着现代科学技术的发展，激光技术这高新技术已经在兵器领域获得了广泛的应用，发挥了巨大的效能。激光测距、激光雷达、激光制导、激光引信、激光陀螺、激光瞄准等技水大幅度提高了兵器的作战效能；激光致盲作为一种非致命性杀伤技术，使激光武器成为第一种实战应用的定向能武器；激光模拟为部队射击UI练相战术圳练提

14、供了经济、安全、合效的器材；激光测量和加工技术则水兵器装备的生产中发挥厂重人的作用。1.1.2 课题研究的目的及意义在不久的将来，激光测距仪将成为人类不可缺少的测量工具，目前在激光测距仪电力，水利，通讯，环境，建筑，警务，消防，爆破，铁路，反恐，农业，林业，房地产，休闲已经发挥了至关重要的作用。激光测距仪的设计具有很大的成果和意义，在这个科学技术是第一生产力的时代，应用科学技术去解决生活中和工作的困难变得具有更高的价值。再设计中，加深了我对激光的认识，对它的原理掌握的更好了。目前激光已广泛运用于军事、地质、航海等领域。此外我认识到单片机在各个方面都有很大的应用潜能，在自动控制领域它更是发挥了不

15、可替代的作用。本设计利用激光实现了距离的测量，易于实施控制，因此具有实际的意义和广泛的应用前景。1.2 课题研究的主要内容本文主要论述双频激光干涉测距仪的原理以及应用。，测量精度高，操作简单速度快而准确、环境适应力强、应用范围广、实时动态测速高的优点。2 激光波测距仪2.1 测距仪2.1.1 概念定义1：根据光学、声学和电磁波学原理设计的，用于距离测量的仪器定义2：利用电磁波学、光学、声学等原理测量距离的仪器。2.1.2 激光测距仪定义及原理：激光测距仪，是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器。激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射

16、到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。激光测距仪重量轻、体积小、操作简单速度快而准确，其误差仅为其它光学测距仪的五分之一到数百分之一。分类：激光测距仪分手持激光测距仪和望远镜式激光测距仪。 (1)、手持激光测距仪：测量距离一般在200米内，精度在2mm左右。这是目前使用范围最广的激光测距仪。在功能上除能测量距离外，一般还能计算测量物体的体积。 (2)、望远镜式激光测距仪：测量距离一般在600-3000米左右，这类测距仪测量距离比较远，但精度相对较低，精度一般在1米左右。主要应用范围为野外长距离测量。 一维激光测距仪 用于距离测量、定位；激光测距仪 二维激光测距仪（Scanning Lase

17、r Range finder） 用于轮廓测量，定位、区域监控等领域； 三维激光测距仪（3D Laser Range finder） 用于三维轮廓测量，三维空间定位等领域。 用途： 激光测距仪广泛用于地形测量，战场测量，坦克，飞机，舰艇和火炮 对目标的测距，测量云层、飞机、导弹以及人造卫星的高度等。它是提高高坦克、飞机、舰艇和火炮精度的重要技术装备。由于激光测距仪价格不断下调，工业上也逐渐开始使用激光测距仪，可以广泛应用于工业测控、矿山、港口等领域。2.1.3 红外测距仪红外测距仪是用调制的红外光进行精密测距的仪器，测程一般为1-5公里。红外测距的原理是：利用的是红外线传播时的不扩散原理 ，因为

18、红外线在穿越其它物质时折射率很小，所以长距离的测距仪都会考虑红外线，而红外线的传播是需要时间的。 当红外线从测距仪发出碰到反射物被反射回来被测距仪接受到 再根据红外线从发出到被接受到的时间及红外线的传播速度就可以算出距离。2.1.4 超声波测距仪 超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，所以经常用超声波来测量距离，如测距仪和物体测量仪，超声波测距仪装置上有设置瞄点装置，只要把仪器对准要测量的目标，就会出现一点在测距仪的显示屏幕上，主要是通过声速来测量的，肉眼看不见射出的线。 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来

19、，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2 。这就是所谓的时间差测距法。 超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。 超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量。2.2 激光测距仪的研究原理2.2.1 激光 激光就是由受激发射的光放大产生的辐射。激光的最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文Light Ampli

20、fication by Stimulated Emission of Radiation的各单词头一个字母组成的缩写词。意思是“通过受激发射光扩大”。激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，能量密度自然极高。激光的颜色取决于激光的波长，而波长取决于发出激光的活性物质，即被刺激后能产生激光的那种材料。光子的能量是用E=hv来计算的，其中h为普朗克常量，v为频率。由此可知，频率越高，能量越高。激光频率范围3.84610（14）Hz到7.89510（14）Hz。 2.2.2 激光的特点 定向发光，朝一个方向

21、射出，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。 亮度极高，激光的亮度与阳光之间的比值是百万级的，而且它是人类创造的。 激光的颜色，激光的颜色取决于激光的波长，而波长取决于发出激光的活性物质，即被刺激后能产生激光的那种材料。刺激红宝石就能产生深玫瑰色的激光束，它应用于医学领域，比如用于皮肤病的治疗和外科手术。 激光分离技术，颜色极纯，能量密度极大。 激光还有很多特性：首先，激光是单色的，或者说是单频的。有一些激光器可以同时产生不同频率的激光，但是这些激光是互相隔离的，使用时也是分开的。其次，激光是相干光。相干光的特征是其所有的光波都是同步的，整束光就好像一个“波列”。再次，激光是高度

22、集中的，也就是说它要走很长的一段距离才会出现分散或者收敛的现象。激光的伤害激光波长与眼睛伤害：在激光的伤害中，以机体中眼睛的伤害最为严重。波长在可见光和近红外光的激光，眼屈光介质的吸收率较低，透射率高，而屈光介质的聚焦能力（即聚光力）强。强度高的可见或近红外光进入眼睛时可以透过人眼屈光介质，聚积光于视网膜上。此时视网膜上的激光能量密度及功率密度提高到几千甚至几万倍，大量的光能在瞬间聚中于视网膜上，致视网膜的感光细胞层温度迅速升高，以至使感光细胞凝固变性坏死而失去感光的作用。激光聚于感光细胞时产生过热而引起的蛋白质凝固变性是不可逆的损伤。一旦损伤以后就会造成眼睛的永久失明。 2.2.3 激光测长

23、仪激光测长仪是采用频率滤波法高精度的测速测长传感器，是根据中国市场特别定制的一款测速测长传感器，其精度0.05%。它是非接触在线精密测量物体运行速度和长度的利器。它不仅能测运行速度和长度，还能测量运行物体左右摆动量、运动方向和停机状态。它不仅能测量大物体，也能测量细小物体,是一款性能优异的在线测速测长传感器。 工作原理 传感器系统是基于一种可靠的空间滤波方法原理，此工作方法是通过观察穿过光栅的移动物体来实现。运动影像的重合和光栅结构导致探测器输出信号的频率被测物的移动速度相匹配。 应用领域 板材、管材在线切割监控，电缆或砂纸长度速度测量等；也适用于绒布、毛皮等纺织品、涂层或粘胶表面、泡沫橡胶表

24、面物体的测速测长 特点非接触测量消除了由于接触式编码器滚轮和辊之间的相对滑动、振动带来的不确定因素。 不受物料表面的影响（结构、颜色、光泽度、发射率、吸光性、粗糙度等）。 精度和复测精度高。 具有控制和记忆功能。 连续自动校准，无需现场参数调整。 体积小巧，使用和操作简便。 直接替换老式转速计。 无需做标记，无滑脱现象。 配有水冷保护和空气吹扫装置，适合各种复杂的工业环境。3 激光干涉测长仪的设计3.1 光的干涉 干涉现象是波动独有的特征，如果光真的是一种波，就必然会观察到光的干涉现象1801年，英国物理学家托马斯-杨(17731829)在实验室里成功地观察到了光的干涉两列或几列光波在空间相遇

25、时相互叠加，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。3.1.1 波与干涉 图3-1 波的传播示意图在图31中，一个余弦波沿x轴传播，波速为o，则其波动方程为：式中A为振幅，w为圆频率，t为时间，x为考察点B到原点的距离，波动方程可换写成另外的形式：式中，T和f为周期和频率，为波长。3.1.2 两个频率相差很小的波的干涉拍 两个振动频率不同的波，即使振动方向相同，合振动也是很复杂的，一般不会产生干涉。但是当振动方向相同，频率相差很小的两列波在同一方向上传播时，便可产生一种特殊的干涉，如图32所示图32(a)表示分振动的情况，图32(b)表示合振动的情况。从图22(b

26、)中看出，在给定点上合成被的振幅不是恒定的，而是随时间变化的，这种现象就成为拍。 图3-2 频率稍有差别的波的干涉（拍）3.1.3 相干光的获得对一般光源来说，即使两个光源的强度、形状、大小完全相月，它们所发出的光也不会相干，这是由光源发光本质历决定的。但是我们可以利用分波阵面或分振幅的方法来获得相干光。（1） 光波阵面法将一个点光源发出的光，分成两束细光束，再通过不同的路程而聚集在一起。由于点光源的振动在任一时刻都有确定的位相，所以在相交点上，频率相同，振动方向相同，并能保持恒定的位相差，因此可以产生干涉现象。这种将一点光源发出的光分成两束细光取获得相干光源的方法，称为分波阵面法。（2） 分

27、振幅法分振幅法利用反射面特入射光的振幅分解为两部分(或多部分)，一部分反射另一部分透过，然后相遇产生干涉由分振幅法产生的干涉现象颇为常见，有着广泛的应用。在分振幅干涉中又有等倾干涉和等厚干涉之分。 （a）等倾干涉。在如图24的平行平面板的干涉中，点光源发出的光在平行平板的第一和第二表面上依次反射，将入射光的振幅分解为两部分。一部分透过，另一部分反射。 图 32(a) 薄膜干涉 (b)等厚干涉。设楔形板的折射率均匀，两表面的夹角a很小，如图25。若光源距板较远或观察干涉用仪器(眼睛或低倍显微镜)的孔径很小，以致于在整个视场内，光线的入射角i可视为不变的常数，则反射光在相遇点的位相差只决定于楔形板

28、的厚度d。在厚度相同处的反射光的光程差相同，因而同一干涉条纹是由扳上厚度相同的地方所产生的反射光形成的。这种干涉称为等厚干涉。 图 32(b) 楔形板（尖劈）干涉3.2 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪,是1883年美国物理学家迈克尔逊和莫雷合作，为研究“以太”漂移而设计制造出来的精密光学仪器。它是利用分振幅法产生双光束以实现干涉。通过调整该干涉仪，可以产生等厚干涉条纹，也可以产生等倾干涉条纹。主要用于长度和折射率的测量，若观察到干涉条纹移动一条，便是M2的动臂移动量为/2，等效于M1与M2之间的空气膜厚度改变/2。在近代物理和近代计量技术中，如在光谱线精细结构的研究和用光波标定标准米尺等实验中都

29、有着重要的应用。利用该仪器的原理，研制出多种专用干涉仪。 迈克耳孙干涉仪的原理是一束入射光分为两束后各自被对应的平面镜反射回来，这两束光从而能够发生干涉。干涉中两束光的不同光程可以通过调节干涉臂长度以及改变介 迈克耳孙干涉仪的光路(补偿板未画出)质的折射率来实现，从而能够形成不同的干涉图样。迈克耳孙和爱德华威廉姆斯莫雷使用这种干涉仪于1887年进行了著名的迈克耳孙-莫雷实验，并证实了以太的不存在。3.2.1 迈克尔逊干涉仪的工作原理 干涉条纹是等光程差点的轨迹，因此，要分析某种干涉产生的图样，必求出相干光的光程差位置分布的函数。若干涉条纹发生移动，一定是场点对应的光程差发生了变化，引起光程差变

30、化的原因，可能是光线长度L发生变化，或是光路中某段介质的折射率n发生了变化，或是薄膜的厚度e发生了变化。G2是一面镀上半透半反膜，M1、M2为平面反射镜，M1是固定的，M2和G1精密丝相连，使其可以向前后移动，最小读数为10-4mm，可估计到10-5mm, M1和M2后各有几个小螺丝可调节其方位。当M2和M1严格平行时，M2会移动,表现为等倾干涉的圆环形条纹不断从中心“吐出”或向中心“吞进”。两平面镜之间的“空气间隙”距离增大时，中心就会“吐出”一个个条纹；反之则“吞进”。M2和M1不严格平行时，则表现为等厚干涉条纹，在M2移动时，条纹不断移过视场中某一标记位置，M2平移距离 d 与条纹移动数

31、 N 的关系满足。 迈克尔逊干涉仪示意 经M2反射的光三次穿过分光板，而经M1反射的光通过分光板只一次。补偿板的设置是为了消除这种不对称。在使用单色光源时，可以利用空气光程来补偿，不一定要补偿板；但在复色光源时，由于玻璃和空气的色散不同，补偿板则是不可或缺的。如果要观察白光的干涉条纹，臂基本上完全对称，也就是两相干光的光程差要非常小，这时候可以看到彩色条纹；假若M1或M2有略微的倾斜，就可以得到等厚的交线处（d=0）的干涉条纹为中心对称的彩色直条纹，中央条纹由于半波损失为暗条纹。3.3激光干涉测长仪概述 激光干涉仪有单频的和双频的两种 单频激光干涉仪 从激光器发出的光束，经扩束准直后由分光镜分

32、为两路，并分别从固定反射镜和可动反射镜反射回来会合在分光镜上而产生干涉条纹。当可动反射镜移动时，干涉条纹的光强变化由接受器中的光电转换元件和电子线路等转换为电脉冲信号，经整形、放大后输入可逆计数器计算出总脉冲数，再由电子计算机按计算式356-11式中为 激光波长(N 为电脉冲总数)，算出可动反射镜的位移量L。使用单频激光干涉仪时，要求周围大气处于稳定状态，各种空气湍流都会引起直流电平变化而影响测量结果 双频激光干涉仪是在单频激光干涉仪的基础上发展的一种外差式干涉仪。和单频激光干涉仪一样，双频激光干涉仪也是一种以波长作为标准对被测长度进行度量的仪器。双频激光干涉仪可以在恒温，恒湿，防震的计量室内

33、检定量块，量杆，刻尺和坐标测量机等。它既可以对几十米的大量程进行精密测量，也可以对手表零件等微小运动进行精密测量，既可以对几何量如长度、角度直线度、平行度、平面度、垂直度等进行测量，也可以用于特殊场合，诸如半导体光刻技术的微定位和计算机存储器上记录槽间距的测量等等。双频激光干涉仪与单频激光干涉仪的比较 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。激光干涉仪有单频的和双频的两种。单频的是在20世纪60年代中期出现的最初用于检定基准线纹尺后又用于在计量室中精密测长。双频激光干涉仪是1970年出现的它适宜在车间中使用。激光干涉仪在极接近标准状态(温度为20大气压力为10132

34、5帕相对湿度59CO2 含量0.03)下的测量精确度很高可达110-7。 单频的激光器它的一个根本弱点就是受环境影响严重，在测试环境恶劣，测量距离较长时，这一缺点十分突出。其原因在于它是一种直流测量系统，必然具有直流光平和电平零漂的弊端。激光干涉仪可动反光镜移动时，光电接收器会输出信号，如果信号超过了计数器的触发电平则就会被记录下来，而如果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，使激光器强度或干涉信号强度变化的主要原因是空气湍流，机床油雾，切削屑对光束的影响，结果光束发生偏移或波面扭曲。这种无规则的变化较难通过触发电平的自动调整来补偿，因而限制了单频干涉仪

35、的应用范围，只有设法用交流测量系统代替直流测量系统才能从根本上克服单频激光干涉仪的这一弱点。而双频激光干涉仪正好克服了这一弱点，它是在单频激光干涉仪的基础上发展的一种外差式干涉仪。和单频激光干涉仪一样，双频激光干涉仪也是一种以波长作为标准对被测长度进行度量的仪器，所不同者，一方面是当可动棱镜不动时，前者的干涉信号是介于最亮和最暗之间的某个直流光平，而后者的干涉信号是一个频率约为1.5MHz的交流信号；另一方面，当可动棱镜移动时，前者的干涉信号是在最亮和最暗之间缓慢变化的信号，而后者的干涉信号是使原有的交流信号频率增加或减少了f，结果依然是一个交流信号。因而对于双频激光干涉仪来说，可用放大倍数较

36、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。由于这一特点，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，既可以对几十米的大量程进行精密测量，也可以对手表零件等微小运动进行精密测量，既可以对几何量如长度、角度直线度、平行度、平面度、垂直度等进行测量，也可以用于特殊场合，诸如半导体光刻技术的微定位和计算机存储器上记录槽间距的测量等等。3.3.1单频激光干涉仪测长仪的工作原理及特点 由单频氦氖激光器作为光源的迈克尔逊干涉系统，其光路系统如图所示。氦氖激光器发出激光束经平行光管14

37、形成平行光束，经反射镜12反射至分光镜7上，分光镜将光束分为两路：一路透过7经反射镜6、固定角锥棱镜3返回；另一路由7反射至可动角锥棱镜4返回， 单频激光干涉传感器的光路系统 1-被检线纹尺 2-工作台 3-固定角锥棱镜 4-可动角锥棱镜 5-相位板 7-分光镜8-光电器件 9-物镜 6、10、11、12-反射镜 13-半圆光阑 14-平行光管 这两路返回光束在7处汇合，形成干涉。当被测件随工作台2每移动2(为激光波长)，干涉条纹明暗变化一个周期。采用相位板5得到两路相位差90的干涉条纹信号，经反射镜10、11反射到物镜9会聚在各自的光电器件8上，产生两路相位差90度的电信号，经电路处理得到测

38、量结果。13为半圆光阑，它使由反射镜12返回的激光束不能进入激光器，以免引起激光管不稳定。作为应用实例，图中1为被检线纹尺。 单频激光干涉测长传感器的精度高，分辨力高，测量1m长度时，其精度可达10-7量级，测1Om可达1m精度，但对环境条件要求高。3.3.2双频激光干涉测长仪的工作原理及特点双频激光干涉传感器的光路系统如下图所示。通常将单频氦氖激光器工置于轴向磁场2中，成为双频氦氖激光器。由于塞曼效应使激光谱线在磁场分裂成两个旋转方向相反的圆偏振光，得到两种频率f1、f2的双频激光。这两种圆偏振光经14波片3变成垂直和水平的两个线偏振光，一部分光线从分光镜4反射，经分析器11在光电元件12上

39、取得频差为 的参考信号。另一部分光线经偏振分光镜5对偏振面垂直于入射平面频率为的线偏振光产生全反射，而对偏振面在入射平面内频率为的线偏振光全透过。两者分别进入固定参考角锥棱镜7和固定在工作台上的测量角锥棱镜6，并都被反射到5的分光面上，再经镜8反射后，经分析器9，由光电元件10接收。当6不动时，10上得到频差为的信号，与参考信号相同。当6移动时，根据多普勒效应，f2发生变化，在光电元件10上得到频差为的测量信号。 双频激光干涉传感器的光路系统l-氦氖激光器 2-轴向磁场 3-波片 4、5-分光镜 6-测量角锥棱镜7-固定参考角锥棱锥 8-镜 9、11-分析器 l0、12-光电元件在光电元件10

40、、12上得到两个拍频信号，送入放大整形处理电路，再经减法器输出脉冲数N，则被测位移为 式中 双频激光干涉传感器精度高，抗干扰能力强。双频干涉测长仪有以下几点优越性：（1）精度高。双频激光干涉仪以波长作为标准对被测长度进行度量的仪器。即使不做细分也可达到m 量级，细分后更可达到n m量级。（2）应用范围广。双频激光干涉仪除了可用于长度的精密测量外，配上适当的附件还可测量角度、直线度、平面度、振动距离及速度等等。（3）环境适应力强。即使光强衰减 90%，仍然可以得到有效的干涉信号。由于这一特点，双频激光干涉仪既可在恒温、恒湿、防震的计量室内检定量块、量杆、刻尺、微分校准器和坐标测量机，也可以在普通

41、的车间内为大型的机床的刻度进行标定。（4）实时动态测速高。现代的双频激光干涉仪测速普遍达到1 m/s，有的甚至于十几m/s，适于高速动态测量。双频激光干涉测长仪的特点(1) 接受信号为交流信号，前置放大器为高倍数的交流放大器，不用直流放大，故没有零点漂移等问题。 (2) 利用多卜勒效应，计数器计频率差的变化，不受激光强度和磁场变化的影响。在光强度衰减90%时仍可得到满意的信号，这对于远距离测量是十分重要的，同时在近距离测量时又能简化调整工作。 (3) 测量精度不受空气湍流的影响，无需预热时间。4 仪器的光学系统4.1 倍频和相位细分 在干涉测长中，通常光程每变化，2干涉条纹变化一个级次，得到一个计数脉冲。为了提高仪器分辨本领，就需要在光程改变2k时(k取2，4，)，也得到一个脉冲，采用光学倍频和相位细分的技术，就可达到这个目的。4.1.1 一般的光学倍频技术1、 一般的光学倍频技术如下图，M1为测量反射镜。当M1移动2时，由于入射光经过M1反射到M2上，再反射回来，等于光程放大了一倍，所以在分光板B上发生干涉时，相当于光程差变化了，出现两个条纹变化。 图4-1光学倍频的原理图 图4-2干涉仪的光学倍频布局 如果把图4-1的装置改成图4-2的