摘 要:提出了一种基于横向塞曼激光器的新的滚转角测量系统。该系统在已有技术的基础上,将测量放大倍率又扩展了4倍,从而大大提高了滚转角的测量精度。系统以横向塞曼激光器出射的正交线偏振光作为测量光,首先经1/4波片将线偏振光变成微椭圆偏振光(即进行微椭偏化),然后测量光通过作为传感器的1/2波片,由直角反射镜将光路折回,使测量光再次通过作为传感器的1/2波片。由于直角反射镜提供了合理的坐标变换,所以使得测量光在两次通过1/2波片时,偏振方向的改变被叠加了,相当于被测量的滚转角放大了4倍。最后测量光经检偏器合成,再用光电探测器接收。由测量光的相位变化可以求出工作台的滚转角变化。在整周期内,测量光的相位变化与滚转角成非线关系,但在特定的角度上会出现线性很好的滚转角测量灵敏度倍增区。采用这种方法,测量放大倍率可以达到200倍,能够实现高精度的滚转角测量。使用分辨率为0·003°的相位计,滚转角的测量分辨率可达到0·1″。
1 引 言
随着时代的不断发展和科学技术水平的进步,人们对现代机床及测量仪器的精度要求也在不断的提高。想进一步校正误差,提高精度,对误差的准确测量是十分必要的。任何机床的机械导轨一般都有三种角运动误差:俯仰角、偏摆角和滚转角误差。如果在角运动方向上存在阿贝臂,角运动误差就会产生阿贝误差,从而影响系统的精度。为了消除或补偿角运动误差,必须先对角运动误差进行测量。在三种角运动误差中,滚转角的测量是最困难的。另外,在某些工程项目中,在需要对工件进行准确地安装和定位时,也需要对滚转角进行测量。因此,进一步提高滚转角的测量精度和稳定性是十分必要的。
对于水平导轨滚转角误差的检测一般都使用电子水平仪。对于垂直导轨滚转角误差的检测,一直没有很好的测量方法。对滚转角测量方法的研究可以追溯到1974年,前苏联考伦凯维奇等人提出了采用低频差纵向塞曼激光器,用旋转检偏器的方法实现滚转角的测量[1]。考伦凯维奇等人使用分辨率为0·003°的相位计,得到的测相精度为0.01°,相应的机械转角精度为0.005°,整周期非线性为2°相位角度。原文的作者认为测量的不确定度很难降到0.0028°(10″)以下。进一步采用法拉第盒的设计和反馈方法消除旋光漂移,以及提高分辨率的方法[2]可以得到更高的测量精度。但改进使结构变得很复杂,漂移量始终无法完全消除,最终影响了测量精度。1997年,文献[3]提出了一种利用自准直激光差分原理进行滚转角测量的新方法,但PSD的漂移仍然会限制测量精度。同时测量系统结构相对比较复杂,而且对测量表面有很高的要求,适应性较差。
清华大学的蒋弘等人提出了一种基于横向塞曼激光器的滚转角测量方法[4]。该方法首先用1/4波片将横向塞曼激光器射出的正交线偏振光进行微椭偏化,用检偏器作为角测量传感器跟随被测体运动,再用光电探测器接收,然后检测出测量光的相位变化,求出检偏器的滚转角变化。这时相位变化与滚转角成非线性关系,但在特定的角度上出现测量转角的灵敏度倍增区。采用这种方法,可以在特定的角度上得到很高的灵敏度。理论上使用分辨率为0·01°的相位计,滚转角的测量分辨率达到0·6″。但该系统是一个原理性结构,测量精度也有待进一步提高。
本文在文献[4]提出的原理上,对原有系统进行了改进,用1/2波片作为传感器,同时使用直角反射镜,将测量光折回,使测量光线两次通过1/2波片,由于直角反射镜提供了合理的坐标变换,使得返回的测量光偏振方向的改变是叠加的,即被测的滚转角被放大了4倍,再加上系统的非线性倍增,使得理论上的放大倍数可以达到200以上,从而使系统能够获得更高的精度,同时系统的结构也更加紧凑,更容易仪器化。
2 原 理
测量原理图如图1所示。入射光为正交线偏振光,振幅分别为E1和E2,圆频率分别为ω1和ω2,先后经过1/4波片和1/2波片,由直角反射镜反射折回后第二次经过1/2波片,直角反射镜的反射作用可以提供合理的坐标变换,使得测量光两次通过1/2波片时,偏振方向的改变是叠加的。最后经检偏器合成,再由探测器接收。为了计算方便,设x轴为1/4波片的快轴方向,则E1与x轴夹角为θ,与1/2波片快轴夹角为α,检偏器的检偏方向与x轴相同。
用琼斯矩阵对改进后的测量系统进行分析,可以得到出射光的表达式为
式(4)给出了一般情况下拍频信号的相移ΔΨ对检偏器转角α的关系。图2给出了几组不同θ角下二者的关系曲线。从图中不难看出,在全部角度范围内,相位变化和滚转角呈非线性关系,在一些特殊点(0°,22·5°,45°…)附近相位变化ΔΨ随α的变化非常灵敏,而且在一定范围内保持了很好的线性关系。取一个特殊区域,在α=0附近进行分析。在α=0附近时,从(4)式和(5)式可以近似认为
3 实 验
利用上述原理,建立新的滚转角测量系统,如图3所示(虚线框内的部分)。其中横向塞曼激光器为本实验室研制的SJG-1型横向塞曼双频激光器,稳频精度为10-8。相位计采用丹麦相位计(相位计型号:2997),测相精度为0·1°。在前述原理的基础上直接利用横向塞曼激光器本身的残留椭圆化,省略1/4波片以减少漂移环节。
该系统在2001年5月30日委托计量科学研究院角度室进行了检测。在计量科学院进行的对比实验中,滚转角干涉仪的测量结果与自准直仪的测量结果进行了对比,对比实验的示意图如图3所示。自准直仪的平面镜与滚转角干涉仪的传感器放在同一个可偏转的工作台上,然后改变工作台的角度,用两台仪器同时进行测量,分别读取数据。图4给出了检测过程中的一组测量数据,工作台的转角(以自准直仪的读数为准)与滚转角干涉仪测量的相位值进行了比较。由数据可知,在测量范围内ΔΨ与α存在很好的线性关系,相关系数r =0·9997,比例系数Ka=124.71,标准偏差为2.046″。由计量科学研究院给出的检测结果证明,在目前使用的0·1°相位计的条件下已经可以得到3″的标准偏差。远远超过前苏联水平。随着测相水平的提高,潜力是很大的。例如,如果采用与考伦凯维奇相同的相位计(精度为0·003°),则可以达到0.1″的水平。
4 结 论
本测量系统由于采用了合理的结构设计,在文献[4]的基础上又将放大率提高了4倍,所以进一步提高了滚转角的测量分辨率,并利用新的系统设计了滚转角干涉测量仪,经检测,比例系数超过120。同时本测量系统还具有以下优点: (1)系统光路简单。由于光路折回,接收器和光源在同一侧,使结构更为紧凑,更容易仪器化,同时系统的适应性也更强,可以在多种条件下工作。作为角度传感器的1/2波片,可以放在远离激光源的地方,且无须启动和回转力矩。整个系统没有运动部件,避免了死程和摩擦带来的误差。(2)系统对传感器的平动误差具有自适应性,对加速度和重力不敏感。光路的简化使得引起漂移的因素大大减小,系统工作稳定,重复性好。
参考文献:
[1] Coronkevich P, Tarasov G G, Hano B A. Roll angle measurement withdual-frequency laser[J]. Automeasurement, 1974,(1): 68—71.
[2]殷纯永,谢广平,成相印,等.滚转角测量方法的研究[J].清华大学学报,1996,10:86—91.
[3] Wei Gao, Sizhou Zhang, Satoshi Kiyono. Measurement and control ofrolling of a precision moving table[A]. Proceedings of the IEEE Inter-national Conference on Intelligent Processing Systems[C]. 1997. 28-31:70—74.
[4] Hong Jiang, Chunyong Yin. Sensitivity enhanced roll angle measure-ment[J]. Optical Engineering, 2000, 39(2): 516—519.
作者简介:柳忠尧(1978-),男(满族),山东省蓬莱市人,清华大学精密仪器与机械学系精密计量与仪器国家重点实验室博士研究生,主要从事共焦显微镜双频干涉仪方面的研究。
