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激光干涉仪在速度校准中的应用



自20世纪60年代以来,由于激光器的出现,隔振条件的改善以及电子和计算机技术的成熟,干涉测量学得到了极大的发展。干涉测量主要是非接触式测量,具有高测量灵敏度和准确度。它广泛应用于位移,长度,角度,平面度,直线度,介质折射率的变化和动态。在测量技术中,常用的干涉仪包括Michelson干涉仪,Mach-Zehnder干涉仪,Fizeau干涉仪,Taiman-Green干涉仪等; 20世纪70年代以后,外差干涉仪对抗环境干扰(交流干涉仪发展迅速,如双频激光干涉仪;近年来,光纤干涉仪的出现使干涉仪结构更简单,更紧凑,干涉仪性能更强稳定[1]。

随着激光干涉技术的发展,许多学者将其应用于高精度的速度测量。其应用领域包括研究,军事和生产,如激光干涉仪测量爆炸性气缸试验[2,3],测量自由表面速度[4],研究炮弹轨迹[5],机床误差检测等[6] 。本文将结合激光测速原理,介绍速度校准车速校准和剃刀线测试仪校准的典型实例,探讨激光干涉测量的应用。

1激光干涉速度测量原理

干涉测量法是一种基于光波干涉原理的技术,用于“增量”测量。它将目标镜像固定到要测量的对象,并修复参考镜像。当目标镜像与被测物体一起移动时。当两个光束之间的光程差改变时,干涉条纹也将在明暗之间交替。可以通过检测光电检测器的干涉条纹变化的周期数来确定测量的距离。此外,在特定时间间隔对物体进行两次激光干涉测量,以获得在该时间段内待测物体的移动距离,然后物体的平均值是物体的平均移动速度。时间间隔足够小。可以近似为瞬时速度。首先,我们需要介绍激光干涉测距的原理。它主要通过使用波长作为标准来测量测量的长度。大多数现代位移干涉仪使用具有633nm波长输出的氦(HeNe)激光管。如图1所示,当在阳极和阴极之间连接高压时,激发混合气体以形成激光束。当激光束在两个反射镜之间谐振时,激光强度被放大,一些光透过阳极。镜子成为输出激光束。从激光头发出的光波有三个关键特性:1)波长准确已知,能够精确测量; 2)波长短,可实现精确测量或高分辨率测量; 3)所有光波同相,使干涉条纹。输出激光器可被视为正弦光波,其包含具有相似频率但处于垂直极化状态的两个正交模式。通过光电二极管测量两种模式的光强度,并且通过加热器控制激光管的长度以实现平衡,从而将激光频率稳定精度保持在±0.05μm/m之内。激光稳定输出后,它可用于干涉测量。

在干涉测量(图2)中,来自激光头发的光被偏振分束器(A)分成两束,大约一半的激光入射到固定的金字塔镜(B)上以形成参考光束和另一半激光束。在移动的金字塔镜(C)上形成测量光束。

金字塔镜通常由玻璃制成,并经过抛光和抛光,形成“三面直角棱镜”。它有一个非常有用的特点。——始终将输入光束反射回与入射光平行的方向,这使得光束准直过程简单明了,并确保测量光束和参考光束在堆叠时保持平行。两个光束被传输到它们各自的金字塔镜,然后被反射回分束器,在嵌入激光头的探测器中产生干涉光束,导致两种情况(图3):1)相消干涉(如果相位在两个光束相对),在这种情况下,一个光束的峰值被山谷消除,产生暗条纹; 2)它也可能是相长干涉(如果两个光束中的相位相同),这里在这种情况下,一个光束的峰值由另一个光束的峰值加强,产生明亮的条纹。

如果测量光程长度改变(金字塔镜C移动),干涉光束的相对相位将改变,并且所产生的相长干涉和相消干涉的周期将导致叠加光束强度的明暗周期的变化。 。如果两个光程差没有改变,探测器将在相长干涉和相消干涉的两端之间的某个点观察到稳定的信号。如果两个光程差改变,则每次光路改变时,探测器可以观察到相长干涉和相消干涉的两端之间的信号变化。每次金字塔镜移动316nm(因为该移动引起633nm的光路长度的变化),发生光强度变化的循环(明亮 - 暗 - 亮)。计算这些变化并用于计算光程差。改变,测量的长度等于条纹的数量乘以激光波长的一半。该原理可以用等式(1)[7]表示。通过这些循环之间的相位细分可以实现更高分辨率(1nm)的测量。

其中K是干涉条纹的变化数,即明暗周期的数量; λ是空气中激光波的波长,λ=λ0/n,λ0是真空中激光的波长,n是空气的折射率。通过激光干涉原理,物体受到两个特定时间间隔的激光干涉,以获得该时间段内被测物体的移动距离,然后物体的平均值是物体的速度,实际上是获得的。是平均速度值,当时间间隔足够小时,它可以近似为瞬时速度。

当在获得物体的位移的同时记录位移所需的时间时,可以如等式(2)所示计算物体的速度。在实际应用测量过程中,短时间内的平均速度总是近似为瞬时速度处理。

其中L是位移增量,Δt是位移增量所需的时间。

根据等式(1),激光波长将取决于光束通过的空气的折射率。由于空气的折射率随温度,压力和相对湿度的变化而变化,用于计算测量值的波长值由Edlen方程(Edlen)根据这些环境参数的变化进行补偿[8,9]。实际上,对于技术规范中的测量精度,只有线性位移(定位精度)测量需要这种补偿,在这种情况下,两个光束的光程差可能变化很大。

激光干涉仪是长度测量领域的典型设备。它可以根据JJG 739-2005激光干涉仪验证程序进行校准和校准,保证了激光测距的可追溯性。激光干涉测量的原理是激光干涉在两个设定的时间间隔范围内。时间间隔由晶体振荡器提供,其精度远高于测距精度。因此,激光干涉测量的不确定性可以被认为是主要的区别。从激光干涉测距的不确定性。2速测量示例

速度,速度和加速度是物体机械运动的动态参数,最近在计量行业中提出了检测和校准服务。

1)速度:物体移动时每单位时间的位移增量是以m/s为单位的速度。当物体运动的速度恒定时,称为恒速运动。

2)加速和减速:如果物体运动的速度改变,则每单位时间的速度增量是加速度,反之亦然。单位是m2/s。具有恒定加速度的运动被称为相等的加速度运动。

3)角速度:当测量的转速非常小时,测量物体每单位时间旋转的角度,即角速度测量值,单位为(°)/s。

雷尼绍激光干涉仪(XL-80)提供的动态特性参数校准可根据被测设备的动态特性设定预触发时间,后触发时间和采样频率。采样频率可以从10Hz到50kHz。根据我们以前的经验,加速度测量的采样频率不应太大。否则,由于设备的快速移动引起的振动,采样数据引起的毛刺会影响我们校准数据的准确性。本文列举了测量和校准过程中遇到的两种典型情况,以说明激光干涉高精度速度测量在实际应用中的方法和优点。

2.1流量验证车速校准

流量验证系统在水利水文系统中非常重要,流量验证车辆的调速和速度稳定性检测是该系统的主要指标之一。确定车辆给定速度的流速精度需要使用精度。校准更高的设备,并在此使用激光干涉仪进行。

本文中的流量验证车辆是双轨道推进流量验证车辆,其设计要求速度公差为±0.01m/s。两次校准均在国家海洋测量站青岛变电站和上海变电站进行。提供速度校准参考值的激光干涉仪是雷尼绍激光干涉仪XL-80,速度范围为0~4m/s。精度为±0.04%。

图4示出了具有激光干涉仪的车辆速度的示意图。固定角锥镜,分束器和移动金字塔镜可用于验证车辆的不同移动速度。执行单独的校准。首先,启动流量验证车辆。当速度值稳定到某个设定值时,启动激光干涉仪的动态采样功能。在记录一段时间(文本中为5秒)之后,可以获得物体移动的瞬时速度时间历史。对于毛刺的速度波动曲线,在该时间间隔内对速度进行平均,以获得流量验证车辆的当前速度参考值(在图中标记为激光指示值)。测试范围为0~3m/s。进行测量,然后比较两个值以获得流量验证车辆的速度校准结果(图5),并且指示误差的扩展不确定度为:Ur=0.05%,k=2 。从图和计算中可以看出,流量验证车辆的设定速度和实际速度(激光干涉仪指示值)的速度偏差值控制在±0.01 m/s以内,符合设计要求。2.2剃须刀线测试仪校准

电动剃须刀是男性用来清洁面部胡须的主要工具,其晶须效应是主要的性能指标之一。由于剃须时使用者的脸部挥动速度不同,为了尽可能地适应不同用户的个体差异以确保产品的性能,在设计和生产本产品时,有必要模拟不同的摆动速度用于产品性能检测。为此,剃须刀制造商BRAUN设计了相应的线路测试仪。线路测试仪的精度需要通过特殊设备进行校准,使用激光干涉仪进行校准。

如图6所示,在原始剃刀线测试仪的基础上,安装激光干涉仪以测量上下方向的速度。由于安装位置的限制,激光束由分束器定向转换。本文的速度校准在博朗(上海)有限公司进行。该设备是剃刀100线测试仪,使用激光干涉仪校准剃刀线测试仪的给定速度。开发和质量改进提供了强有力的保证,表1是校准数据的一部分。

3结论

本文介绍了激光干涉测量的原理和相关测量的两个典型实例,并解释了如何使用激光干涉仪进行高精度的速度校准。它不仅可以精确测量数十米的大范围,而且可以准确,方便地测量小的运动。其测速范围为0~4m/s,精度可达±0.04%。这种高精度在实际速度测量和校准中绰绰有余,因此广泛应用于生产实践,研究,验证和校准。作为一种新型的速度测量技术,当传统的测量设备不能满足目前的情况时,激光干扰往往能达到满意的效果。

摘录自:中国计量与测量网络

[关键词]激光干涉仪,速度校准,AOC官方网站,北京世纪奥克

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