双频激光定位测量系统波长变化规律的研究哈尔滨工业大学袁哲俊，房丰洲［摘要］双频激光定位测 量系统是研制超精密机床的关键。双频激光测量是以波长为基准．本文分析了波长的变化规律．为 提高在线测量的准确性与稳定性打下了基础．关键词：超精密机床，双频激光测量系统，波长超精 密加工是当代机械制造最重要的发展方向之一．超精密机床是实现超精密加工的首要条件。对于这 样高精度的机床．只有采用在线测控才能满足设计的要求．因而定位测量系统成为研制超精密机床 的关键．激光的出现．使超精密在线检测成为可能。由于它的光束发散角小、能量集中．因而它产 生的干涉条纹可用光电接收器接收．变为电信号．并由计数器一个不漏地记录下来．从而提高了测 量精度。但这种常规的激光干涉仪井非完美．它的一个根本弱点是受环境影响严重。测试环境恶劣 时．这一缺点十分突出。其原因在于它是一种直流测试系统．必然具有直流光平和电平零漂的弊端 。图１（ａ）表示当激光干涉仪可动反射镜移动时．光电接收器输出的信号。这时光电信号都超过 了计数器的触发电平而被记录下来。但是．如果激光束的强度发生变化．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．如图１（ｂ）。使激光束强度或干涉信阁１激光干涉仪光 平变化对计数的影响号强度变化的原因主要是空气湍流、机床的油雾、切屑对光束的干扰．结果光 束发生偏移或波面扭曲、这种无规律的变化较难通过触发电平的自动调整来补偿．因而限制了这种 干涉仪的使用范围．只有设法用交流测量系统代替直流测量系统．才能从根本上克服这种干涉仪的 弱点。因而在超精密机庆上采用了双路双频激光干涉测量系统．图２双场激光测量原理图！、双频 激光同量的工作原理双频激光测量的原理如图２所示。从双频Ｈｅ－－ＮＣ激光器输出的频率为ｆ ｉ的左旋圆们振光及频率为人右旋圆偏振光．经Ｖ４波片变成两柬振动方向垂直的线偏振光。用分 光镜取出一小部分，经检伯器后形成ｆｉ和ｆＺ的拍频信号．由接收器接收作为参考信号ＣＯＳ［ ２＜ｆｉ－ｆｉ川，其余大部分经扩束器准直扩束后进人干涉系统．们振分光镜把频率为Ｑ的线偏 振光全部反射到固定棱镜上．而让频率为ｆｉ的线偏振光全部透过．进人可动棱镜。这两柬光反射 回来．在偏振分光镜分光面会合。当可动棱镜移动时．ｆｉ变为ｆｉｔＡｎ它经Ｖ４波片重新变为 左、右旋的圆偏振光．一部分透过分光镜．从反射镜反射后·经检偏器形成测量信号ＣＯＳ１２４ ｆＺ－ｆｉｔＡ０ｔ］；从分光镜反射的另一部分光束．经检偏器形成另一路测量信号幻ｎｐ。（ Ｑ一（ｌ上＊ｎｉｌ将这两路信号送人减法器．同参考信号ＣＯＳ［２。（马一ｆｉ川进行频率相 减．得到多普勒频差Ａｆ，然后由计数器计数并乘以波长便得到移动距离。由此可见、和单频激光 测量一样、双频激光测量也是一种以波长作为标准进行位移测量的精密测量方法。所不同的是．前 者是可动棱镜移动时．干涉信号介于明、暗相间的某个直流信号、而后者则频率为西ｆ的交流信号 。２．影响波长变化规律的主要因素因为双频激光测量是以光波长为基准进行测量．所以对波长的 稳定性要求很高。环境空气的波动、温度、气压、湿度的变化均影响波长的稳定性．波长的变化量 与温度ｔ、气压ｐ、湿度ｈ的关系如环境空气参数的变化按ＧａｕｓｓＭ考虑．当温度的数学期望 Ｅ（ｔ）＝２０ｔ．均方差。ｔ＝０．１６７；气压的数学期望Ｅ（Ｐ）－１０！３２５Ｐａ，均 方差ａｐ＝２２２·２ＰＳ；湿度的数学期望Ｅ（ｈｏ＝１３３３·２２ＰＳ，均方差６ｈ一Ｍ． ４Ｐａ时．其变化规律分别如图３（、ｂ、ｃ）图３空气参数变化规律所示。３．波长的变化规律 环境空气参数的变化影响波长的变化。数学期望值一定．均方差的变化直接影响波长大差的变化． 亦即影响波长的变化规律。图４（、ｂ、ｃ）分图４波长方差变化图别为波长方差随温度均方差、 气压均方差、湿度均方差的变化规律。图５为数学期望日月一ｏ．６３２８ｇｎ，均方差。且０． ３９Ｘ１０－６时、波长的变化规律．其ＧＳＯＳＳ分布密度为ｆ（一１．０２３ＥＸＰ（一３． ２８７Ｘ（ｋ－－０．６３２８）２由日可知．当环境空气参数的均方差控制在一定范围时，可使 波长的波动在要求的范围内．超出要求界限的情形小于３％．由于用５波长的在什规律本系统采用 在线补偿．因而使系统的稳定性得到了很好的保证。４．结论环境空气参数的变化．服从Ｇａｓｓ 分布．根据理论分析．得出了彼长的分布规律。在保证温度、气压、湿度的均方差为一定值时．可 以很好地实现双频激光测量系统的分辨率为０．ｏｆＡｍｏ定位测量系统的研制．是超精密机床能 否正常使用的关键．而波长的稳定与否是定位测量系统能否正常使用的基础．本文的研究为其提供 了依据。参考文献（略）（编辑赵淑芝）双频激光定位测量系统波长变化规律的研究@袁哲俊，房 丰洲$哈尔滨工业大学超精密机床，双频激光测量系统，波长双频激光定位测量系统是研制超精密机床的关键。双频激光测量是以波长为基准．本文分析了波长的变化规律．为提高在线测量的准确性与稳定性打下了基础．分析了波长的变化规律．为提高在线测量的准确性与稳定性打下了基础．
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