Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Лазерный интерферометр — это оптический измерительный прибор, определяющий линейные перемещения по интерференции когерентного лазерного луча. Понять, как работает лазерный интерферометр, проще всего через цепочку: луч делится на опорный и измерительный, отражённые лучи складываются и дают интерференционную картину, а перемещение подвижного отражателя считывается по числу пройденных интерференционных полос. Эталоном длины при этом служит длина волны лазера, что и обеспечивает нанометровый уровень разрешения при поверке и калибровке станков с ЧПУ и координатно-измерительных машин.
Ниже разобраны интерференция и счёт полос, связь перемещения с длиной волны, компенсация состояния воздушной среды, факторы точности и применение интерферометра для проверки позиционирования осей.
Лазерный интерферометр предназначен для прецизионного измерения линейных перемещений, а также, с соответствующей оптикой, углов, прямолинейности, плоскостности и перпендикулярности. В основе лежит интерференция света, а мерой служит длина волны лазера — стабильная физическая величина, что делает прибор средством измерений высокого класса точности.
Эталоном длины в лазерном интерферометре является длина волны лазерного излучения, поэтому прибор измеряет перемещения с разрешением до долей длины волны.
Основные области применения:
Большинство измерительных лазерных интерферометров построены по схеме Майкельсона. Когерентный луч лазера попадает на светоделитель (полупрозрачное зеркало), который разделяет его на два: опорный идёт к неподвижному отражателю, измерительный — к подвижному, связанному с контролируемым объектом. Отражённые лучи возвращаются на светоделитель и накладываются, формируя на фотоприёмнике интерференционную картину.
Результат сложения зависит от разности хода лучей. Когда волны совпадают по фазе, амплитуды складываются — наблюдается конструктивная интерференция (максимум). Когда волны в противофазе — деструктивная (минимум). При движении подвижного отражателя разность хода меняется, и освещённость на фотоприёмнике периодически проходит от максимума к минимуму и обратно.
Устойчивая интерференционная картина требует высокой временной когерентности (узкой спектральной линии) и малой расходимости пучка. Именно поэтому в качестве источника применяют стабилизированные по частоте лазеры.
Каждой смене одной интерференционной полосы соответствует изменение разности хода на одну длину волны. Поскольку измерительный луч проходит путь до отражателя и обратно, одному периоду картины отвечает перемещение отражателя на половину длины волны. Подсчитывая число полос, электроника определяет пройденное расстояние.
L = m · λ/2
λ/2
где L — перемещение подвижного отражателя; m — число зарегистрированных интерференционных полос (периодов сигнала); λ — длина волны излучения в рабочей среде. Множитель 1/2 учитывает двойной проход измерительного луча (туда и обратно).
L
m
λ
Для гелий-неонового лазера с длиной волны около 0,633 мкм одна полоса соответствует перемещению около 0,633/2 ≈ 0,316 мкм. Применение оптики с двойным проходом (уголковые отражатели) уменьшает «цену» полосы вдвое, повышая базовое разрешение; дополнительно электронная интерполяция сигнала доводит разрешение до нанометрового уровня.
Направление перемещения определяется по сдвигу фаз между двумя квадратурными сигналами фотоприёмника: это позволяет вести знаковый счёт полос (реверсивный) и корректно отрабатывать смену направления движения.
Длина волны излучения в воздухе зависит от показателя преломления среды, а он, в свою очередь, — от температуры, атмосферного давления, влажности и содержания углекислого газа. Поэтому «цена» полосы в воздухе не постоянна: при изменении условий она смещается, и без учёта этого возникает систематическая погрешность измерения длины.
В измерительных системах показатель преломления воздуха вычисляют по эмпирическим дисперсионным соотношениям (формулам типа Эдлена) на основе данных датчиков температуры, давления и влажности, установленных у измерительной трассы. Полученная поправка вводится в результат в реальном времени.
Для длинных измерительных трасс температуру и давление вдоль луча необходимо контролировать особенно тщательно: даже небольшие отклонения условий среды дают заметный вклад в погрешность при измерении больших расстояний.
По способу формирования и обработки сигнала различают две основные схемы измерительных интерферометров.
Использует одну оптическую частоту. Информация о перемещении заключена в изменении интенсивности интерференционного сигнала; направление движения восстанавливается по квадратурным каналам. Схема проста и обеспечивает высокое разрешение.
Использует излучение с двумя близкими оптическими частотами (например, от лазера с зеемановским расщеплением). Полезный сигнал переносится на разностную частоту биений, а перемещение проявляется как её доплеровский сдвиг. Работа на переменном сигнале повышает помехоустойчивость измерений.
Разрешение прибора определяется длиной волны и глубиной электронной интерполяции и достигает нанометрового уровня. Однако итоговая точность измерения длины ограничена прежде всего неопределённостью показателя преломления воздуха и геометрией установки.
В воздушной среде основной вклад в погрешность вносит неопределённость показателя преломления; в вакууме этот фактор исключается, и точность заметно возрастает.
Погрешность косинуса имеет систематический характер: если измерительный луч не строго параллелен направлению перемещения, прибор регистрирует проекцию пути и занижает результат. Поэтому юстировке луча вдоль оси уделяют особое внимание.
Одно из главных промышленных применений — определение точности и повторяемости позиционирования осей станков с ЧПУ. Интерферометр относится к типовым средствам измерения для такой проверки: измерительная оптика фиксируется на станке, отражатель перемещается вместе с подвижным узлом, а прибор сравнивает заданные и действительные позиции в ряде точек по ходу оси.
При испытаниях координатно-измерительных машин лазерный интерферометр применяют как меру длины с малым коэффициентом теплового расширения: им воспроизводят перемещения вдоль осей и объёмных диагоналей рабочей зоны, что особенно ценно для крупногабаритных машин, где концевые меры длины ограничены по размеру.
Прибор чувствителен к состоянию среды и качеству юстировки, поэтому результат зависит от подготовки измерения не меньше, чем от самого интерферометра.
Типичные ошибки: пренебрежение компенсацией среды, измерение до наступления теплового равновесия, перекос луча относительно оси (погрешность косинуса), большой мёртвый ход и загрязнение оптики, снижающее контраст интерференционной картины.
Луч лазера делится на опорный и измерительный. Измерительный отражается от подвижного отражателя, возвращается и складывается с опорным. При движении отражателя освещённость на фотоприёмнике периодически меняется (полосы), а по их числу определяется перемещение.
Смена одной полосы отвечает изменению разности хода на одну длину волны. Измерительный луч проходит путь до отражателя и обратно, поэтому само перемещение отражателя составляет половину длины волны на полосу. В схемах с двойным проходом «цена» полосы уменьшается ещё вдвое.
Длина волны в воздухе зависит от температуры, давления и влажности. Без учёта этих параметров «цена» полосы смещается и появляется систематическая погрешность. Показатель преломления вычисляют по параметрам среды и вводят поправку в реальном времени.
Разрешение достигает нанометрового уровня благодаря длине волны и электронной интерполяции. Итоговая точность измерения длины в воздухе ограничена в основном неопределённостью показателя преломления среды; в вакууме этот фактор исключается и точность возрастает.
Одночастотная (гомодинная) использует одну оптическую частоту, и перемещение считывается по изменению интенсивности. Двухчастотная (гетеродинная) работает на разностной частоте биений двух частот, что повышает помехоустойчивость измерения.
Это систематическая погрешность из-за непараллельности измерительного луча направлению движения. Прибор регистрирует проекцию пути на ось луча и занижает перемещение, поэтому важна точная юстировка луча вдоль оси.
Оптику закрепляют так, чтобы луч шёл вдоль проверяемой оси, юстируют его, вводят компенсацию среды и перемещают ось в ряд заданных позиций. По разнице заданных и действительных положений при повторных подходах рассчитывают точность и повторяемость позиционирования.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.