Двухчастотные лазерные интерферометры

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция

Двухчастотные лазерные интерферометры

ВВЕДЕНИЕ

Лазерный, двухчастотный интерферометр, впервые был разработан специалистами фирмы Hullett-Packard. Целью создания интерферометра, этого типа было обеспечение измерений, не только перемещений и расстояний, но также скорости перемещения отражателя. Двухчастотная схема этого интерферометра позволяет фиксировать изменение направления движения отражателя. Таким образом, функциональное отличие этого типа интерферометра от известных одночастотных заключается в значительном расширении измерительных возможностей. Принципиальное отличие этого интерферометра заключается в использовании двухчастотного лазера со стабилизированной разностной частотой. Как правило, в качестве такого лазера используется He-Ne лазер с зеемановским расщеплением линии излучения. Величина расщепления, как правило, не превышает двух мегагерц и определяет максимальную величину измеряемой скорости движения.

Две расщепленные волны, кроме того, что отличаются оптическими частотами, имеют взаимно ортогональные поляризации. В этой связи, все оптические элементы интерферометра имеют поляризационные покрытия, обеспечивающие разделение частот в пространстве.

В состав двухчастотного интерферометра входят: оптическая система совместно с двухчастотным лазером, система компенсации длины волны излучения, компьютер РС вместе с программным обеспечением, а также дополнительные оптические приспособления. Все оснащение лазерной измерительной головки, заключающееся в системе программного и инструментального обеспечения измерения, предназначено для линейных и угловые измерений, измерения плоскостности, измерения прямолинейности, измерения взаимной перпендикулярности и измерения скорости перемещения. Оптические приспособления меняются в зависимости от проводимых измерений. В комплект входят: оптика для измерений линейных, оптика для измерений угловых, оптика для измерений прямолинейности и оптика для измерений взаимной перпендикулярности. Компьютер РС обеспечивает визуализацию и обработку результатов измерений. Целью настоящей лекции изучение устройства и принципов работы описанного двухчастотного измерительного интерферометра.

Рис. 1. - Общая характеристика интерферометра:

Следуя структурной схеме приведенной на рисунке 1 можно выделить две основные оптоэлектронные части. Первая представлена в левой части схемы и обеспечивает стабилизацию частоты излучения лазера. Вторая обеспечивает выполнение измерений и их обработку.

В системе использован стандартный He-Ne лазер с длиной волны 632,8 нм с внутренними зеркалами, находящийся в продольное магнитное поле. Зеемановская частота лазера составляет около 1,6 МГц, а выходная мощность около 1 мВт. Лазер стабилизируется по эффекту Зеемана. Встроенный жидкий кристалл переключает оптические частоты f₁ и f₂, которые подаются на фотодиод с частотой F_r=800Гц. Используемая система стабилизации частоты позволяет получить кратковременную стабильность не хуже 10^-9. Опорная зеемановская частота:

F_z = f₁ - f₂

А измерительный сигнал имеет частоту F_zf_d, измерение , при статистической обработке сигнала f_d его можно уменьшить в 10 раз. Таким образом, дискретность измерения интерферометра не превышает 0,01 мкм. Более подробное описание системы стабилизации частоты излучения лазера, с зеемановском расщеплением частоты излучения, можно найти в специальной литературе.

Принцип работы двухчастотного интерферометра заключается в следующем. Двухчастотное (f1 и f2) излучение лазера разделяется на обычном не поляризационном кубике. Одна часть мощности излучения лазера, меньшая, отводится на контрольный фотодетектор, а другая большая направляется в интерферометр. На контрольном фотодиоде выделяется разностная частота между оптическими частотами f1 и f2. Для обеспечения взаимодействия двух ортогонально поляризованных волн на поверхности фотодиода перед последним устанавливается поляризатор, таким образом, чтобы выделить компоненты относительно 45 градусного направления. После выделения сигнала на разностной частоте, он усиливается и передается на систему обработки результатов измерений. Поскольку система стабилизации частоты излучения лазера обеспечивает высокую стабильность разности между этими частотами, то ее можно использовать как опорное значение, относительно которого выполняются все остальные вычисления.

Используемые две пластины четверть волновая и полуволновая, которые установлены под углом 15 градусов к направлению распространения лазерного обеспечивают пространственную настройку поляризации лазерного излучения в соответствии с положением делительной призмы. Поляризационный делительный кубик выполняет две функции. Во-первых, с его помощью, учитывая, что у каждой частоты своя поляризация, одна частота направляется на опорный ретро отражатель, другая перемещаемый отражатель. Во-вторых, эта призма объединяет частоты и направляет их на измерительный фотодиод. В связи с тем, что измерительная призма перемещается в процессе измерений, то за счет эффекта Доплера изменяется частота излучения. Поэтому разность частот на выходе делительной призмы будет изменена на величину связанную с со скорость и направлением перемещения отражателя.

Полуволновые ФП:

ВРХ * (k + 1 / 2)

- изменяют азимут электрического вектора в линейно поляризованном излучении или направление его вращения в циркулярно-поляризованном излучении. Четвертьволновые пластины с:

ВРХ * (k + 1 / 4)

ВРХ * (k + 3 / 4)

- превращают линейно поляризованное излучение в циркулярно-поляризованное или при определенной ориентации любое эллиптически поляризованное в линейное.

Система компенсации показателя преломления.

Несмотря на то, что частота излучения лазера стабилизирована с высокой точностью, длина волны излучения в воздухе зависит от изменений показателя преломления воздуха.

Изменение показателя преломления как функция изменения параметров атмосферы описывается уравнением:

n = 1 + (2,8793 * P·10^-7) * (1 + 0,003671 * T) *·(4,2 * P_w·10^-8)

Где:

n - показатель преломления;

P - атмосферное давление в hPa;

T - температура воздуха в ^оС;

P_w - парциальное давление паров воды в воздухе в hPa.

С целью получения высокой точности измерений, выполняемых лазерной системой LSP-30-Compact, показатель преломления в воздухе измеряется автоматически и корректируется значение длины волны лазерного излучения. Чтобы исключить ошибку, связанную с температурным расширением основания, на котором выполняются измерения, автоматически измеряется температура основания в нескольких местах.

Система компенсации показателя преломления гарантирует измерение параметров атмосферы и автоматическое вычисление параметра коррекции длины волны излучения. Измерение температуры основания станка с ЧПУ используется для коррекции результатов измерения относительно 20^оС.

Измерение температуры воздуха и температуры основания в трех равноудаленных точках проводится в интервале 10-30^оС, точность измерений составляет 0,1^оС.

Атмосферное давление измеряется в диапазоне 940-1060 hPa, интервал - 1 hPa, точность - 1 hPa.

Относительная влажность измеряется в диапазоне 10-90%, интервал между измерениями - 1%, точность - 5%.

Конфигурации интерферометра. В зависимости от характера проводимых измерений в лазерной измерительной системе используются четыре конфигурации элементов оптического интерферометра: оптика для линейных измерений, оптика для угловых измерений, оптика для измерения прямолинейности и оптика для измерения взаимно перпендикулярности.

1. ОПТИКА ДЛЯ ЛИНЕЙНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

Излучение лазерной головки, делится на поверхности поляризационного делителя интерферометра на два луча. Один луч частотой F1 проходит через интерферометр и отражается от подвижного ретро-рефлектора. Второй луч частотой F2 отражается от ретро-рефлектора относительно связанного с интерферометром. Оба луча после отражения направляются на измерительный детектор, находящийся в лазерной головке. В результате эффекта Доплера при перемещении измерительного ретро-рефлектора изменяется частота луча F1 на F_d. На поверхности измерительного детектора оба луча F1 и F2 смешиваются. Измеренная разность этих частот отличается от зеемановской частоты, отнесенной к частоте Доплера.

Вычитая из измеренной частоты частоту отнесения, получаем сигнал частоты, зависящий от скорости перемещения ретро-рефлектора. Этот сигнал даёт возможность определить величину перемещения измерительного ретро-рефлектора.

Оптика для линейных измерений используется при измерении: расстояний скорости перемещения, расположения в оси машины и исследовании приводов (передач).

2. ОПТИКА ДЛЯ УГЛОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

Оптическая схема угловых измерений представлена на рис.4. Здесь также используются два луча с частотой F1 и F2. В угловом интерферометре полностью отражающее зеркало, установленное под углом 45^о, используется вместо опорного ретро-рефлектора.

Оба луча частотой F1 и F2 проходят через интерферометр и распространяются в параллельных направлениях.

Рис. 2:

Рис. 3:

После отражений от угловых ретро-рефлекторов лучи направляются на измерительный детектор, расположенный в лазерной головке. Угловое перемещение углового ретро-рефлектора вызывает изменение частоты обоих отраженных лучей. Зная разницу частоты обоих отраженных лучей, можно вычислить разницу путей этих оптических лучей. Зная разницу оптических путей и расстояние между элементами отражателя ретро-рефлектора (для системы LSP-30-Compact 2 дюйма), можно определить угловое перемещение ретро-рефлектора.

Оптика для угловых измерений применяется в лазерных системах при измерении: угловых отклонений, прямолинейности, плоскостности поверхности и для позиционирования угловых смещений.

3. ОПТИКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРЯМОЛИНЕЙНОСТИ

Эта оптика позволяет измерять прямолинейность методом смещения. В оптической системе, представленной на рисунке, два луча частотой F1 и F2, исходящие из лазерной головки проходят через призму Волластона.

Так как коэффициент преломления призмы разный для двух взаимно перпендикулярных плоскостей поляризации, на выходе призмы лучи излучения частотой F1 и F2 отклоняются под углом 0,5^о.

Лучи отражаются от двух зеркал и возвращаются к призме и через оптическую систему смещения направляется на измерительный детектор.

В такой оптической системе поперечные перемещения лучей призмой Волластона приводят к изменению оптического пути для лучей F1 и F2 и, соответственно.

К изменению частоты этих лучей на величину f_d. В описанной оптической схеме прямолинейность можно измерить как при перемещении призмы Волластона, так и зеркал вдоль оси измерения.

Рис. 4:

4. ОПТИКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЗАИМОПЕРПЕНДИКУЛЯРНОСТИ ОСЕЙ

При измерении взаимно перпендикулярной осей используется оптика для измерения прямолинейности, а также эталон прямого угла, который отражает падающие на него лучи под прямым углом. Точность получения угла 90С составляет 0,4.

5. КОНТРОЛЬ МАШИН С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРНОЙ СИСТЕМЫ LSP-30-COMPACT

Использование в машиностроении для повышения качества и производительности производства станков с ЧПУ и обрабатывающих центров ставит задачу контроля точности выполнения всех технологических операций этими машинами.

Очень важным параметром для этих машин является точность позиционирования и точность геометрии перемещения. Эти параметры необходимо контролировать как при передачи машины изготовителем потребителю, так и периодически во время эксплуатации.

Основной проблемой, которая до последнего времени выступала в процессе проведения контроля машин, была погрешность позиционирования образцовых мер - линеек относительно исполнительных механизмов этих машин. Кроме этого, линейки обеспечивали требуемую точность измерений только на длинах до 1 м. Сейчас, с развитием и широким использованием лазерных интерферометров процесс контроля параметров машин можно сделать более объективным (за счет использования в качестве меры длины - длину волны излучения лазера), оперативным и всеобъемлющем.

Контролируемые параметры станков с ЧПУ.

Есть несколько разных нормативов, связанных с контролем параметров машин: NMTBA - СШA, VDI/DGO 3441 - Германия, JIS B 62XX - Япония, BSI BE 4656 - Англия, PN-93/M/-55580 - Польша, ISO/DIS 230 - Европейский Союз. Эти нормативы отличаются требованиями к порядку проведения и методикой обработки результатов измерений. В связи с установленной системой управления качеством ISO9000 стремится к единообразию нормативов и относительных международных нормативов ISO/DIS230.

Согласно польскому нормативу PN-93/M-55580 определен перечень контролируемых параметров. При комплексном контроле параметров машин необходимо проверять следующие особенности формы, положения и перемещения линий либо поверхности машины: прямолинейность, плоскостность, параллельность (равную удалённость), взаимную перпендикулярность, оборот (обращение, поворот).

Различаются следующие проверки прямолинейности: прямолинейность линии на плоскости или в пространстве, прямолинейность части рабочей поверхности установки и прямолинейность движения.

В случае измерения параллельности, равной удалённости и проводятся следующие измерения: равная удалённость линии и плоскости, параллельность перемещения, параллельность осей.

Рис. 5:

Особенно важным вопросом при контроле машин является исследование прямолинейного перемещения каретки машины вдоль оси движения.

Ошибки прямолинейного перемещения каретки машины можно охарактеризовать шестью параметрами отклонения: одно отклонение положения в направлении движения, два наклонения линейной траектории точки движущейся каретки, три отклонения угловых движущейся каретки. Все шесть параметров имеют одинаковое значение, так как ошибки позиционные, возникающие из нежелательных угловых перемещений или поступательных движений, могут быть больше чем ошибки позиционные на линейных осях.

Отметим, что лазерный интерферометр используют для измерения пяти из шести вышеуказанных параметров: линейность или прямолинейность горизонтальная, прямолинейность вертикальная, прыжки и сходы с курса, а также перпендикулярность между двумя осями.

Лазерный интерферометр LSP-30-Compact. Лазерный интерферометр с различным типом оптического исполнения является измерительным прибором наилучшего класса, пригодным для контроля геометрических параметров станков.

Как правило комплексный контроль машин с числовым программным управлением должен состоять из следующих измерений: измерение точности позиционирования перемещаемого элемента вдоль каждой оси движения, определение скачков и схождения с курса для каждой оси, определение горизонтальной и вертикальной прямолинейности для каждой оси, контроль прямого угла между осями.

6. ПОЗИЦИОНИРОВАНИЕ ЛИНЕЙНОЕ

Определение линейного позиционирования выполняется по схеме, представленной на рисунке. Для измерения используется лазерная система в конфигурации: лазерная головка, система компенсации, компьютер с программой расчета позиционирования по ISO/DIS-230, оптика для линейных измерений.

Рис. 6:

При использовании лазерного интерферометра можно получить следующие параметры прямолинейности:

- диапазон измерения - 012 м;

- цена деления - 0,3 мкм;

- точность измерений - 3%.

При использовании лазерного интерферометра для проверки позиционирования машин можно ориентироваться на следующие параметры:

- диапазон измерения - 030 м;

- цена деления - 0,1 или 0,01 мкм;

- погрешность измерения - 1,5 мкм/м.

Процесс определения позиции можно разделить на следующие этапы:

- составление измерительной схемы;

- установка и юстировка лазерной головки на неподвижном основании, установка ретро-рефлектометра на подвижном столе машины;

- юстировка оптики на всем пути перемещения ретро-рефлектометра;

- программирование порядка остановок машины, машина должна останавливаться в точках измерения на 1 с;

- цикл измерений включает в себя измерения как в прямом направлении движения подвижного элемента, так и в обратном направлении. В каждой точке остановки измеряется разность между фактическим значением и расчетным значением координаты. Проводится не менее пяти циклов измерений, после чего осуществляется обработка полученных результатов;

- окончательный результат включает в себя такие параметры машины как воспроизведение - R_pmax, люфт - N_max и точность системы управления - M_ar. С одной установки лазерной головки, изменяя положение линейного интерферометра и ретро-рефлектора, можно получить линейное позиционирование для трёх осей машины XYZ.

7. ПРЯМОЛИНЕЙНОСТЬ ГОРИЗОНТАЛЬНАЯ И ВЕРТИКАЛЬНАЯ

Определение горизонтальной прямолинейности выполняется по измерительной схеме, представленной на рисунке. Для измерений используется лазерная система в конфигурации: лазерная головка, компенсационная установка, компьютер РС с программой измерения прямолинейности, оптика для угловых измерений.

Процесс измерения горизонтальной прямолинейности можно разделить на этапы:

- составление схемы измерения; установка и юстировка лазерной головки, установка вертикального углового интерферометра в неподвижной опоре станка, установка опоры ретро-рефлектора углового на подвижном столе станка;

- проверка юстировки угловой оптики на всем пути перемещения ретро-рефлектора;

- программирование управления машиной по положениям точек для измерения вдоль всего пути перемещения. Машина должна останавливаться в точках измерения на 1 с;

- выполнение циклов измерения; для каждого пункта измерения на основании выполненных с помощью лазерной системы измерений угловых отклонений получается отклонение от прямолинейности в мкм;

- получение графика отклонения от прямолинейности вдоль всего пути перемещения.

Измерение вертикальной прямолинейности выполняется по той же самой схеме измерения, необходимо сменить на 90^о положение углового интерферометра и углового ретро-рефлектора.

8. ПРЯМОУГОЛЬНОСТЬ МЕЖДУ ДВУМЯ ОСЯМИ

Измерение прямоугольности между осями X и Z машины выполняется по схеме, представленной на рисунке. Для измерений используется лазерная система в конфигурации: лазерная головка, компенсационная установка, компьютер РС с программой измерения прямоугольности, оптика для измерения прямоугольности.

При использовании лазерного интерферометра можно получить следующие измерительные параметры прямоугольности:

- диапазон измерения - 03 м.;

- точность измерения - 1 а.

Рис. 7:

Процесс измерения прямоугольности между осями можно разделить на этапы:

- составление схемы измерения; установка и юстировка лазерной головки, установка призмы Волластона вместе ретрорефлектором в подвижные опоры машины (по оси Z), установка зеркал и эталона прямого угла отражателя на неподвижном столе машины (ось X);

- переход оптической схемы на всем пути перемещения призмы Волластона; двухчастотный лазер оптоэлектронный

- выполнение измерений отклонений от прямоугольности для всех пунктов измерения вдоль оси перемещения рукояток оси Z машины;

- получение графиков отклонения от прямоугольности между осями Х и Z вдоль всего пути перемещения;

- программирование схемы управления машиной;

- описание положения пунктов измерения вдоль всего пути перемещения ручек, машина должна останавливаться в точках измерения на 1 с.

Размещено на Allbest.ru