CN101907443B - 一种能量天平可动互感线圈的位移测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种能量天平可动互感线圈的位移测量装置，包括一个双频激光头，在双频激光头的激光束输出方向上配置有第一分束器，在第一分束器的反射光束方向配置有光束转折器，在第一分束器的透射光束方向配置有第二分束器，第二分束器的透射、反射光束方向上配置有偏振分光棱镜，偏振分光棱镜的透射、反射光束方向配置角锥棱镜，偏振分光棱镜的反射、透射光束的汇合方向配置有光接收器，通过两个不同能量透射比的分束器和光束转折器将双频激光头输出的激光光束分成三束光能量相等的透射、反射转向平移和反射光束，且为分别垂直于光束的传播方向的正交偏振光，三路外差干涉测量光路的位移获得可动互感线圈质心的位移，本发明具有可多通道复用、信号噪声小的特点。
Description
技术领域
本发明属于激光精密测量技术领域，特别涉及一种能量天平可动互感线圈的位移测量装置。
背景技术
能量天平装置的线圈系统包括固定互感线圈，可动互感线圈。固定互感线圈安装在稳定隔振平台上，产生均匀径向磁场。可动互感线圈为环形，由三个支撑杆连接后通过挂钩挂在天平横梁的一端，其内外径分别为200mm和280mm，可动互感线圈通电后，在均匀径向磁场的作用下产生与天平横梁另一端标准砝码相平衡的电磁力。
可动互感线圈在竖直方向的20mm行程范围内上下移动，要求实现线圈质心在几个不同位置的精密定位到零点几纳米。可动互感线圈为圆环，固定互感线圈占据了可动互感线圈的质心位置，因此，无法直接对可移动互感线圈的质心位置进行位移测量及精密定位；同时，环形可动互感线圈在竖直方向上下运动时可能会有轻微的侧向晃动，为了给可动互感线圈的侧向晃动对系统性能的影响提供反馈信息，要求位移测量系统同时能实现可动互感线圈平面的姿态测量。
双频激光外差干涉仪的输出信号为交流信号，具有信号噪声小、抗环境干扰、可溯源、允许光源多通道复用和分辨率高、测量范围大的特点，通过与不同的附件组合，可分别实现位移、角度、平面度、直线度和垂直度等不同几何参量的测量，但无法同时实现能量天平装置中可动互感线圈质心的位移测量、精密定位以及线圈平面的姿态测量。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种能量天平可动互感线圈的位移测量装置，能够同时实现能量天平可动互感线圈质心的位移测量、精密定位以及线圈平面的姿态测量，具有可多通道复用、信号噪声小的特点。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种能量天平可动互感线圈的位移测量装置，包括一个纵向塞曼双频激光头1，在纵向塞曼双频激光头1的激光束输出方向上配置有第一分束器2，在第一分束器2的反射光束方向配置有光束转折器4，在第一分束器2的透射光束方向配置有第二分束器3。
所述的第二分束器3的透射光束方向上配置有第一偏振分光棱镜5，在光束转折器4的反射光束方向上配置有第二偏振分光棱镜6，在第二分束器3的反射光束方向上配置有第三偏振分光棱镜7，第一偏振分光棱镜5、第二偏振分光棱镜6分别放置在隔振平台的水平基座上，第三偏振分光棱镜7固定于第二分束器3的竖直上方。
所述的第一偏振分光棱镜5、第二偏振分光棱镜6的透射光束方向分别配置有第一参考角锥棱镜8、第二参考角锥棱镜9，第三偏振分光棱镜7的反射光束方向配置有第三参考角锥棱镜10，第一参考角锥棱镜8、第二参考角锥棱镜9、第三参考角锥棱镜10分别固定在第一偏振分光棱镜5、第二偏振分光棱镜6、第三偏振分光棱镜7上。
所述的第一偏振分光棱镜5、第二偏振分光棱镜6的反射光束方向分别配置有第一测量角锥棱镜11、第二测量角锥棱镜12，第三偏振分光棱镜7的透射光束方向配置有第三测量角锥棱镜13，第一测量角锥棱镜11、第二测量角锥棱镜12、第三测量角锥棱镜13内嵌于能量天平可移动互感线圈17骨架内。
所述的第一偏振分光棱镜5、第二偏振分光棱镜6、第三偏振分光棱镜7的反射光束和透射光束的汇合方向分别配置有第一光接收器14、第二光接收器15、第三光接收器16，第一光接收器14、第二光接收器15、第三光接收器16的光探头通过传输光纤分别和相应放大信号处理器相连。
所述的第一分束器2、第二分束器3的能量分束比分别为33％和50％。
所述的第一偏振分光棱镜5、第二偏振分光棱镜6、第三偏振分光棱镜7的中心在水平基座的投影组成等边三角形的顶点。
所述的第一测量角锥棱镜11、第二测量角锥棱镜12、第三测量角锥棱镜13的中心与第一偏振分光棱镜5、第二偏振分光棱镜6、第三偏振分光棱镜7的中心在竖直方向一一对应。
本发明的工作原理为：
通过两个不同能量透射比的第一分束器2、第二分束器3和一个光束转折器4将纵向塞曼双频激光头1输出的激光光束分成三束光能量相等的透射光束、反射转向平移光束和反射光束，该三路激光光束均为正交偏振光束，分别垂直于光束的传播方向，用作能量天平互感线圈位移测量的激光外差光源，第一偏振分光棱镜5、第一参考角锥棱镜8、第一测量角锥棱镜11构成外差干涉测量光路A；第二偏振分光棱镜6、第二参考角锥棱镜9、第二测量角锥棱镜12构成外差干涉测量光路B；第三偏振分光棱镜7、第三参考角锥棱镜10、第三测量角锥棱镜13构成外差干涉测量光路C，当配置有第一测量角锥棱镜11、第二测量角锥棱镜12、第三测量角锥棱镜13的可移动互感线圈在竖直方向移动时，由于多普勒效应，从三路测量角锥棱镜返回的光束的光频发生变化，第一光接收器14、第二光接收器15、第三光接收器16分别接收跟随可移动互感线圈位移变化的外差拍频信号，通过三路外差干涉测量光路的位移获得可动互感线圈质心的位移，实现互感线圈平面的精密定位和姿态测量。
由于本发明采用双频激光器作光源，故而噪声小、抗干扰，可溯源和允许多通道复用；由于采用分束器和光束转折器将双频激光器的激光光束能量三等分和光束转向，实现了多通道复用外差干涉空间测量；基于双频激光外差干涉结构的三路测量沿竖直方向并联布置，测量角锥棱镜中心在XOY水平平面投影呈等边三角形对称分布，用三点对称法分布实现可移动互感线圈质心的位移测量及精密定位；多通道复用技术与三点对称分布法的结合实现了可移动互感线圈平面的姿态测量。该装置在空气环境中测量时，其行程范围可达数十毫米，位移测量不确定度达10-8量级，可实际应用于能量天平中可移动互感线圈的位移测量、精密定位以及互感线圈平面的姿态测量。
附图说明
附图为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
一种能量天平可动互感线圈的位移测量装置，包括一个纵向塞曼双频激光头1，双频激光头1内置1/4波片，输出振动方向互相垂直的正交线偏振光，该双频激光头1内同时输出参考光信号，在纵向塞曼双频激光头1的激光束输出方向上配置有30％第一分束器2，将激光头1输出的激光束分成反射光束和透射光束，功率比为1∶2；通过第一分束器2的透射光束沿激光头输出的光束方向，在第一分束器2的透射光束方向配置有50％第二分束器3，第二分束器3将透射光束分成透射光束和反射光束，功率比为1∶1；透射光束沿着激光头输出的光束方向，反射光束在竖直平面垂直于激光头输出的光束方向；在第一分束器2的反射光束方向上配置有将光束方向转折90°的光束转折器4，通过第一分束器2的反射光束经光束转折器4后输出反射转折平移光束，反射转向平移光束与激光头输出的光束方向一致但有平移距离。
所述的第二分束器3的透射光束方向上配置有第一偏振分光棱镜5，在光束转折器4的反射光束方向上配置有第二偏振分光棱镜6，在第二分束器3的反射光束方向上配置有第三偏振分光棱镜7，第一偏振分光棱镜5、第二偏振分光棱镜6分别固定放置在隔振平台的水平基座上，第三偏振分光棱镜7固定于第二分束器3的竖直上方。
所述的第一偏振分光棱镜5、第二偏振分光棱镜6的透射光束方向分别配置有第一参考角锥棱镜8、第二参考角锥棱镜9，第三偏振分光棱镜7的反射光束方向配置有第三参考角锥棱镜10，第一参考角锥棱镜8、第二参考角锥棱镜9、第三参考角锥棱镜10分别固定在第一偏振分光棱镜5、第二偏振分光棱镜6、第三偏振分光棱镜7上。
所述的第一偏振分光棱镜5、第二偏振分光棱镜6的反射光束方向分别配置有第一测量角锥棱镜11、第二测量角锥棱镜12，第三偏振分光棱镜7的透射光束方向配置有第三测量角锥棱镜13，第一测量角锥棱镜11、第二测量角锥棱镜12、第三测量角锥棱镜13内嵌于能量天平可移动互感线圈17骨架内。
所述的第一偏振分光棱镜5、第二偏振分光棱镜6、第三偏振分光棱镜7的反射光束和透射光束的汇合方向分别配置有第一光接收器14、第二光接收器15、第三光接收器16，第一光接收器14、第二光接收器15、第三光接收器16的光探头通过传输光纤分别和相应放大信号处理器相连。
所述的第一分束器2、第二分束器3的能量分束比分别为33％和50％。
所述的第一偏振分光棱镜5、第二偏振分光棱镜6、第三偏振分光棱镜7的中心在水平基座的投影组成等边三角形的顶点。
所述的第一测量角锥棱镜11、第二测量角锥棱镜12、第三测量角锥棱镜13的中心与第一偏振分光棱镜5、第二偏振分光棱镜6、第三偏振分光棱镜7的中心在竖直方向一一对应。
本发明的工作原理为：
能量天平装置的坐标原点O设在可移动线圈质心的初始位置，X轴表示激光头的光束出射方向，Y轴表示为在可移动线圈平面内垂直于激光头的出射方向，Z轴表示为垂直于可移动线圈平面的竖直运动方向，通过第一分束器2、第二分束器3和一个光束转折器4将双频激光头1输出的激光光束分成三束功率相等的透射光束、反射转向平移光束和反射光束，该三路激光光束均为正交偏振光束，分别垂直于光束的传播方向，用作能量天平互感线圈位移测量的激光外差光源，第一偏振分光棱镜5、第一参考角锥棱镜8、第一测量角锥棱镜11构成外差干涉测量光路A；第二偏振分光棱镜6、第二参考角锥棱镜9、第二测量角锥棱镜12构成外差干涉测量光路B；第三偏振分光棱镜7、第三参考角锥棱镜10、第三测量角锥棱镜13构成外差干涉测量光路C。
外差干涉测量光路A：正交偏振透射光束入射到第一偏振分光棱镜5后透射和反射，透射光束在XOZ平面水平偏振，入射到第一参考角锥棱镜8后返回，反射光束垂直于XOZ平面，入射到第一测量角锥棱镜11后返回，经第一参考角锥棱镜8返回的透射光束和经第一测量角锥棱镜11返回的反射光束在第一偏振分光棱镜5处汇合后，由第一光接收器14的光探头接收。
外差干涉测量光路B：正交偏振反射转向平移光束入射到第二偏振分光棱镜6后透射和反射，透射光束在XOZ平面水平偏振，入射到第二参考角锥棱镜9后返回，反射光束垂直于XOZ平面，入射到第二测量角锥棱镜12后返回，经第二参考角锥棱镜9返回的透射光束和经第二测量角锥棱镜12返回的反射光束在偏振分光棱镜6处汇合后，由光接收器15的光探头接收。
外差干涉测量光路C：正交偏振反射光束入射到第三偏振分光棱镜7后透射和反射，透射光束在XOZ平面水平偏振，入射到第三测量角锥棱镜13后返回，反射光束垂直于XOZ平面，入射到第三参考角锥棱镜10后返回，经第三参考角锥棱镜10返回的反射光束和经第三测量角锥棱镜13返回的透射光束在偏振分光棱镜7处汇合后，由光接收器16的光探头接收。
当配置有第一测量角锥棱镜11、第二测量角锥棱镜12、第三测量角锥棱镜13的可移动互感线圈17在竖直方向移动时，由于多普勒效应，从三路测量角锥棱镜返回的光束的光频发生变化，第一光接收器14、第二光接收器15、第三光接收器16分别接收跟随可移动互感线圈位移变化的外差拍频信号。
附图中：1为双频激光头；2为第一分束器；3为第二分束器；4为光束转折器；5、6、7为第一、第二和第三偏振分光棱镜；8、9、10为第一、第二和第三参考角锥棱镜；11、12、13为第一、第二和第三测量角锥棱镜；14、15、16为第一、第二和第三光接收器；17为可移动互感线圈；O为坐标系原点；X表示激光头的光束出射方向；Y表示为在可移动线圈平面内垂直于激光头的出射方向；Z表示为垂直于可移动线圈平面的竖直运动方向。
Claims (4)
1.一种能量天平可动互感线圈的位移测量装置，包括一个纵向塞曼双频激光头(1)，其特征在于：在纵向塞曼双频激光头(1)的激光束输出方向上配置有第一分束器(2)，在第一分束器(2)的反射光束方向配置有光束转折器(4)，在第一分束器(2)的透射光束方向配置有第二分束器(3)，
所述的第二分束器(3)的透射光束方向上配置有第一偏振分光棱镜(5)，在光束转折器(4)的反射光束方向上配置有第二偏振分光棱镜(6)，在第二分束器(3)的反射光束方向上配置有第三偏振分光棱镜(7)，第一偏振分光棱镜(5)、第二偏振分光棱镜(6)分别放置在隔振平台的水平基座上，第三偏振分光棱镜7固定于第二分束器(3)的竖直上方，
所述的第一偏振分光棱镜(5)、第二偏振分光棱镜(6)的透射光束方向分别配置有第一参考角锥棱镜(8)、第二参考角锥棱镜(9)，第三偏振分光棱镜(7)的反射光束方向配置有第三参考角锥棱镜(10)，第一参考角锥棱镜(8)、第二参考角锥棱镜(9)、第三参考角锥棱镜(10)分别固定在第一偏振分光棱镜(5)、第二偏振分光棱镜(6)、第三偏振分光棱镜(7)上，
所述的第一偏振分光棱镜(5)、第二偏振分光棱镜(6)的反射光束方向分别配置有第一测量角锥棱镜(11)、第二测量角锥棱镜(12)，第三偏振分光棱镜(7)的透射光束方向配置有第三测量角锥棱镜(13)，第一测量角锥棱镜(11)、第二测量角锥棱镜(12)、第三测量角锥棱镜(13)内嵌于能量天平可移动互感线圈(17)骨架内，
所述的第一偏振分光棱镜(5)、第二偏振分光棱镜(6)、第三偏振分光棱镜(7)的反射光束和透射光束的汇合方向分别配置有第一光接收器(14)、第二光接收器(15)、第三光接收器(16)，第一光接收器(14)、第二光接收器(15)、第三光接收器(16)的光接收探头通过传输光纤分别和相应放大信号处理器相连。
2.根据权利要求1所述的一种能量天平可动互感线圈的位移测量装置，其特征在于：所述的第一分束器(2)、第二分束器(3)的能量分束比分别为33％和50％。
3.根据权利要求1所述的一种能量天平可动互感线圈的位移测量装置，其特征在于：所述的第一偏振分光棱镜(5)、第二偏振分光棱镜(6)、第三偏振分光棱镜(7)的中心在水平基座的投影组成等边三角形的顶点。
4.根据权利要求1所述的一种能量天平可动互感线圈的位移测量装置，其特征在于：所述的第一测量角锥棱镜(11)、第二测量角锥棱镜(12)、第三测量角锥棱镜(13)的中心与第一偏振分光棱镜(5)、第二偏振分光棱镜(6)、第三偏振分光棱镜(7)的中心在竖直方向一一对应。
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