第六节 激活干涉仪-“1+X证书”制度下的数控加工理论与实践

图 ３⁃２３　 直线式感应同步器的安装图 １—机床不动部件；２—定尺；３—定尺座；４—防护罩；５—滑尺；６—滑尺座；７—机床可动部件 第六节　 激活干涉仪 当光栅尺等检测装置不能满足精度要求时，此时可考虑激光干涉测量。 激光的波长极 短，特别是激光的单色性好，波长值准确，其分辨率可以达到亚纳米级。 激光干涉测量，是利 用光的干涉原理和多普勒效应来进行位置检测的，按照工作光的频率可分为单频和双频两 种。 但不论是单频还是双频激光干涉法测量位移，都是以激光波长作为标准对被测长度进行 度量的。 一、激光干涉法测距原理（单频干涉） 激光输出可视为正弦光波，其具有几个关键特性： ①波长很短，且精确已知，能够实现精密测量和高分辨率测量。 ②方向性好，配置适当的光学准直系统，其发散角可小于 １０－４ ｒａｄ，几乎是一束平行光。 ③亮度高，由于激光束极窄，其有效功率和照度特别高。 ④单色性好，波长分布非常窄，颜色极纯。 ⑤高度相干性，所有光波均为同相，能够实现干涉条纹。 大多数现代位移干涉仪都使用 氦氖激光器，其具有 ６３３ ｎｍ 的波长输出。 光的干涉原理表明，两列具有固定相位差，且具有相同频率、相同振动方向或振动方向之 间的夹角很小的光互相交叠，将会产生干涉。 两束同频激光在空间相遇会产生干涉条纹，其 亮暗程度取决于两束光间的相位差 ΔΦ，亮条：相长干涉（两束光的相位相同），光强最大；暗 条：相消干涉（两束光中的相位相反），合成光的振幅为零，光强最小。 合成相干光束如图 ３⁃２４ 所示。 １８ 第三章　 数控机床检测装置 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 图 ３⁃２４　 合成相干光束 　 　 激光干涉仪中光的干涉光路如图 ３⁃２５ 所示。 由激光器发出的激光光束 ｂ１经分光镜 Ｓ１分 成反射光束 ｂ２和透射光束 ｂ３，ｂ２由固定角锥反射镜 Ｍ１反射，ｂ３由可动角锥反射镜 Ｍ２反射，反 射回来的光在分光镜处汇合成相干光束 ｂ４。 如果两光程差不变化，探测器将观察到介于相长 干涉与相消干涉之间的一个稳定信号。 如果两光程差发生变化，每次光路变化探测器都能观 察到相长干涉到相消干涉的信号变化，即产生明暗相间的干涉条纹，这些变化（条纹）被数出 来，用于计算两光程差的变化。 被测长度（Ｌ）与干涉条纹变化的次数（Ｎ）和激光光源波长之 （λ）间的关系是 Ｌ ＝ Ｎ· λ ２ 图 ３⁃２５　 单频干涉光路图 　 　 计数时，干涉条纹的变化由光电转换元件接收并转换为电信号，然后通过移相获得两路 相差 π ／ ２ 的光强信号，该信号经放大、整形、倒向及微分等处理，从而获得 ４ 个相位依次相差 π ／ ２ 的脉冲信号，最后由可逆计数器计数，从而实现位移量的检测。 激光的波长为 ６３３ ｎｍ ，激光干涉测量位移时，每移动 ３１６ ｎｍ 就会产生一个光强变化循 环（明—暗—明），通过在这些循环之间进行相位细分，可以实现分辨率 ０．１ ｎｍ 的测量。 激光干涉仪是一种增量法测长的仪器，它把目标反射镜与被测对象固联，参考反射镜不 动，当被测对象移动时，两路光束的光程差发生变化，干涉条纹将发生明暗交替变化。 若用光 电探测器接收，并记录下信号变化的周期数，便确定了被测长度。 单频干涉仪抗外界干扰因素的能力差，一般只能在恒温﹑防震的条件下工作。 ２８ “１＋Ｘ 证书”制度下的数控加工理论与实践 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 二、双频激光干涉测量位移 双频激光测量原理是建立在多普勒效应基础上的，多普勒效应是波源和观察者有相对运 动时，观察者接收到波的频率与波源发出的频率并不相同的现象。 观察者接收到的波源频率 与波源发射频率的差值，称为多普勒频差。 观察者和发射源的频率关系为 ｆ ′ ＝ ｖ ± ｖ０ ｖ ∓ ｖｓ æ è ç ö ø ÷·ｆ 式中　 ｆ ′———观察者接收频率； ｆ———波源发射频率； ｖ———波速； ｖ０———观察者移动速度； ｖｓ———波源移动速度。 括号中分子和分母的上行运算和下行运算分别为“接近”和“远 离”之意。 对于光波来说，不论光源与观察者的相对速度如何，测得的光速都是一样的，即测得的光 频率与波长虽有所改变，但两者的乘积即光速保持不变。 光源从观察者离开时与观察者从光 源离开时有完全相同的多普勒频率。 由相对理论给出的光的多普勒频率为 ｆ ′ ＝ １ － ｖｓ ／ ｃ 　 （１ － ｖｓ ／ ｃ） ２ æ è çç ö ø ÷÷·ｆ 式中　 ｃ———光速， ｍ ／ ｓ。 利用二项式展开，当ｖｓ ／ ｃ 比值很小而略去高次项时，并用 ｖ 代替ｖｓ就可得出 Δｆ ＝ ｆ － ｆ ′ ＝ ｆ· ｖ ｃ 　 　 双频激光干涉仪由激光管、稳频器﹑光学干涉、光电接收、计数器电路等组成，其原理如 图 ３⁃２６ 所示。 图 ３⁃２６　 双频激光干涉原理图 ３８ 第三章　 数控机床检测装置 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 将单模激光器放置于纵向磁场中，使输出激光分裂为具有一定频差（１ ～ ２ ＭＨｚ），旋转方 向相反的左、右圆偏振光，双频激光干涉仪就是利用这两个不同频率（ ｆ１、 ｆ２）的圆偏振光作为 光源。 左、右圆偏振光经过 λ ／ ４ 波片后成为相互垂直的线偏振光（ ｆ１垂直于纸面、 ｆ２平行于纸 面），析光镜 Ｓ１将一小部分反射，经主截面 ４５°放置的检偏器射入光电探测器 Ｐ １，取得频率为 ｆ基 ＝ ｆ２－ｆ１的光电流，经放大整形处理后输出一组频率为ｆ２－ｆ１的连续脉冲，作为后续电路的基准 信号；通过析光镜 Ｓ１的光射向偏振分光镜 Ｓ２，偏振分光镜按照偏振光方向在 ａ 处将 ｆ１和 ｆ２分 离，偏振方向垂直于纸面的 ｆ１光，被折射到固定反射镜 Ｍ１，并被反射至偏振分光镜 Ｓ１的 ｂ 处。 偏振方向平行于纸面的 ｆ２光透过偏振分光镜到达测量反射镜 Ｍ２。 当测量反射镜随工作台移 动时，产生多普勒效应，返回频率变为ｆ２±Δ ｆ（正负号取决于测量反射镜的移动方向），Δ ｆ 即为 多普勒频移量。 返回的 ｆ１、 ｆ２±Δ ｆ 光在偏振分光镜的 ｂ 处再度汇合，经直角棱镜 Ｍ３、主截面 ４５°放置的检偏器后到达光电探测器 Ｐ ２得到光电流的频率为 ｆ＝ ｆ( ２±Δ ｆ）－ｆ１ ＝ （ ｆ２－ｆ１）±Δ ｆ。 经 放大整形处理后，输出一组频率（ ｆ２－ｆ１）±Δｆ 的连续脉冲，作为系统的测量信号。 图 ３⁃２７ 中的 减法器的作用就是实现这两组连续脉冲的相减，即±Δ ｆ＝（ ｆ２－ｆ１）±Δ ｆ－（ ｆ２－ｆ１）。 波长补偿器用 于测量环境条件参数，从而补偿由于空气折射率的波动引起的波长变化。 在双频激光干涉仪中，设测量反射镜的速度是 Ｖ，由于光线射入可动棱镜，又从它那里返 回，这相当于光电接收元件相对光源的移动速度是 ２Ｖ，其多普勒效应可用下式表示 Δ ｆ ＝ ２Ｖ ｃ ｆ 式中　 ｃ———光速； Ｖ———测量反射镜的移动速度； ｆ———光频。 设测量长度为 Ｌ，则有 Ｌ ＝ ∫ ｔ ０ Ｖｄｔ ＝ ∫ ｔ ０ Δｆｃ ２ｆ ｄｔ ＝ λ ２ ∫ ｔ ０ Δｆｄｔ 式中，λ 为激光在测量时刻的波长值，频率的时间积分为周期数 Ｎ，所以上式可化为 Ｌ ＝ Ｎ· λ ２ 　 　 其与单频激光干涉法的位移计算公式相同。 但双频激光干涉仪将测量信号叠加在了一 个固定频差（ ｆ２－ｆ１）上，属于交流信号，具有很大的增益和信噪比，完全克服了单频激光干涉仪 因光强变动造成直流电平漂移，使系统无法正常工作的弊端。 测量时即使光强衰减 ９０％，双 频激光干涉仪仍能正常工作。 由于其具有很强的抗干扰能力，因而特别适合现场条件下 使用。 三、激光干涉位移测量技术的应用 激光干涉测量技术在数控机床领域的应用主要有以下两方面： ①在数控机床出厂时或使用过程中，对数控机床的精度进行检测校准； ②利用高精度激光尺代替常规的光栅尺作为机床位置反馈元件，来提高机床的精度。 目前在数控机床上应用的激光尺，主要有雷尼绍公司的 ＲＬＥ 光纤激光尺，美国光动公司 的 ＬＤＳ 激光尺等。 ＲＬＥ 光纤激光尺利用光纤联接直接将激光束导入轴上测量位置。 这种特 ４８ “１＋Ｘ 证书”制度下的数控加工理论与实践 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 性使它从根本上避免了其他激光干涉仪器所遇到的复杂的外部传输情况，因为其他的激光干 涉仪器需要光学元件和精密的安装结合起来才能将光束送达轴上。 相比较而言，雷尼绍的 ＲＬＥ 激光尺只需在轴上的移动元件上安装一个光学件。 为进一步简化安装，ＲＬＥ 激光尺自带 一个准直辅助镜，这样将激光准直过程简化为“即装即用”。 激光干涉位移测量为数控机床提供了一种速度快、精度高和行程长的位置反馈解决方 案，主要具有以下优点： ①高精度（１ μｍ ／ ｍ），高分辨率（可达 ０．１ ｎｍ）。 ②无热膨胀，无安装应力，运行过程中相互不接触，不会产生磨损。 ③安装时，可以尽可能地与运动方向一致，最大可能减小因测量位置和实际位置不一致 所产生的阿贝误差。 ④只需加工激光头与反射镜的安装位置，无须加工长的安装面，节省制造成本。 ⑤可满足长达 １００ ｍ 或更长的位置反馈应用需要。 ⑥在可测量的范围内，价格与测量长度无关。 ⑦信号输出为方波、脉冲、正余弦波等，与主流控制系统兼容。 近年来，随着光导纤维技术的发展，光纤干涉仪得到了广泛的应用。 其将单模光纤作为 传感元件的一部分代替原光学设计中复杂的光路，提供了与传统分立式干涉仪相比拟的性 能，又没有传统干涉仪相关的稳定性问题，使得干涉仪更加简单、紧凑，性能更加稳定。 另外，上面所述的激光干涉位移测量法都需要配备供测量反射镜移动的精密导轨，测量 过程不能中断，并且测量方式为增量式，不能测量绝对位移。 随着激光技术、红外技术的发 展，以多波长激光为基础的无导轨大长度绝对测量技术正受到越来越多的关注。 第七节　 霍尔检测装置 霍尔传感器是基于霍尔效应而将被测量转换成电动势输出的一种传感器，具有结构牢 固，体积小，质量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达 １ ＭＨｚ），耐振动，不怕灰尘、油 污、水气及烟雾等的污染和腐蚀等优点。 目前，已发展成为品种多样的磁传感器族，是全球使 用量排名第三的传感器产品。 按霍尔器件的功能可将其分为：霍尔线性传感器和霍尔开关器 件，前者输出模拟量，后者输出数字量。 霍尔线性器件精度高、线性度好；霍尔开关器件无触 点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达 μｍ 级）。 一、霍尔元件的工作原理和结构 霍尔效应是磁电效应的一种，由美国物理学家霍尔于 １８７９ 年在研究金属的导电机理时 发现。 它是指当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面 之间会出现电势差的现象，这个电势差也被称为霍尔电势差。 现以 Ｎ 型半导体为例，分析霍尔效应原理，如图 ３⁃２７ 所示。 Ｎ 型半导体在 Ｙ 方向施加电 场，当无外加磁场时电子沿电场方向移动，形成电流ＩＣ。 当与半导体平面垂直方向（即与电流 垂直方向）加一磁场 Ｂ 时，则半导体中电子受到洛仑兹力的作用，使电子运动发生偏移，并在 ５８ 第三章　 数控机床检测装置 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍