CN107560555A - 激光干涉游标卡尺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种激光干涉游标卡尺,是一种利用相干光源的干涉来测量长度的测量工具,可测长度、内外径以及深度,其测量精度小于1微米。其组成部分包括:干涉模块、卡尺模块、光电计数及显示模块。干涉模块采用类似迈克尔逊干涉仪的光路,将激光器发出的光分为参考光和测量光,在光电计数器的探头形成干涉条纹;卡尺中游标尺在本体上的移动引起测量光光程变化,导致干涉条纹变化;用光电计数器计量条纹变化数,即可得到测量的长度数据。
Description
技术领域
本发明属于测量技术领域,具体上是属于激光测距技术领域。
背景技术
目前的长度精确测量工具,常见的有游标卡尺和螺旋测微器。游标卡尺可测内外径、长度及深度,测量方便,但读数较为麻烦,市面上最精密的游标卡尺也只能精确到0.02mm;螺旋测微器可精确到0.01mm,但量程太短,且只能测外径和长度。市面上缺少一种使用及读数方便且测量精度小于1微米的长度测量工具。
目前国内激光测距装置相关专利文献如下:
公开号为CN104976957A的专利公布了一种激光卡尺,其原理也是用激光干涉测量,但其装置只能测长度和外径,且没有说明如何获得干涉条纹变化数量信息;
公开号为CN205484802U的专利公布了一种激光测距游标卡尺,其原理是利用飞秒计时器来计时,用光速乘时间来测距。其测量精度主要取决于飞秒计时器,但常见的飞秒计时器只能达到几十到上百飞秒的计时精度,实际应用中会比其理论上的精度差上一个数量级,实际误差会在1微米以上。
发明内容
本发明提供一种利用相干光源的干涉来测量长度的测量工具,可测长度、内外径以及深度,其测量精度可小于1微米。
本发明所采用的技术方案是:
其组成部件包括干涉模块、卡尺模块、光电计数及显示模块。干涉模块参照迈克尔逊干涉仪,可分为由激光器及扩束镜组成的激光源模块、分光镜、两个平面反射镜,这其中,有一个反射镜固定在卡尺本体带测量爪的头部,其余部件均固定在游标尺上;卡尺模块包括卡尺本体和游标尺,二者头部分布有测内外径的两对测量爪,在游标尺的背面则与深度尺固定在一起;光电计数及显示模块固定在游标尺上,包括电源、显示器、可逆光电计数器及相关处理电路。
可选的,干涉模块的平面反射镜可用全反射棱镜替代。
可选的,固定在游标尺上的反射镜可以和分光镜对应位置结合,一种方案是在分光镜的对应反射镜的那一面镀银,作为反射镜。这样做的好处是元件更少,可以把干涉模块做的更小、更加稳定。
下面结合附图详述本发明的技术方案及原理,但附图示例并不限制本发明的保护范围。
图1是激光干涉游标卡尺结构示意图。图1中,平面镜1和2、分光镜3、激光器及扩束镜4组成迈克尔逊干涉模块;光电计数及显示模块5由可逆光电计数器、相关数据处理电路、显示屏及电源组成;卡尺本体6、游标尺7以及二者上面的两对测量爪、深度尺8组成卡尺模块。其中,平面镜1固定在卡尺本体6的头部;平面镜2、分光镜3、激光器及扩束镜4、光电计数及显示模块5固定在游标尺7上。分光镜可用两个直角棱镜拼合成的立方体分光镜,激光器可用常见的氦氖激光器或波长更短的氩激光器等,扩束镜可用凸透镜。
图1中虚线代表激光束。从激光器发出的激光经过凸透镜扩束,进入分光镜3中,在分光镜的分光面上发生反射和透射,形成反射光和透射光两束相干光。其中,反射光进入平面镜2,反射后重新进入分光镜,并发生透射,光线被光电计数及显示模块5中的可逆计数器接收;透射光经过平面镜1的反射,重新进入分光镜,并在分光镜的分光面发生反射,最终同样被可逆计数器接收。这样反射光和透射光就在可逆计数器上形成干涉条纹,由于激光之前经过凸透镜扩束,形成圆锥形的光束,因此干涉条纹是等倾干涉条纹。
上述反射光,由于平面镜2与分光镜3、激光器及扩束镜7均固定在游标尺上,相对位置不变,因此反射光的光程不会发生变化,作为参考光;上述透射光,由于平面镜1固定在卡尺本体6上,只要游标尺6发生移动,其光程就会发生变化,变化的光程为游标尺移动距离的2倍,因此可作为测量光测量游标尺移动距离。这样,一旦游标尺发生移动,测量光的光程就会发生变化,引起干涉条纹的变化;干涉条纹亮暗每变化一次,就说明测量光与参考光之间的光程差变化一个波长;可逆光电计数器可根据条纹移动方向来增减计数,用光电计数器测算亮暗条纹移动的次数,即可获得游标尺移动的距离数据。若激光的波长为λ,光电计数器的计数为n,则待测长度l=n*λ/2,其精确度为λ/2。如果用波长632.8nm的氦氖激光,则精度为316.4nm,约0.3微米;如果采用波长更短的激光,则测量结果会更精确。
使用本发明的卡尺进行测量时,先把游标尺推到最左端,光电计数器数据清零并打开激光器,注意测量过程中不要遮挡从激光器到平面镜1的激光,然后把游标尺卡紧测量物体,即可从显示屏上读出测量结果。
因此,本发明的有益效果是:测量精度高,小于0.5微米;适用范围广,有测量爪和深度尺,适合测长度、内外径以及深度;操作及读数简单,可直接从显示屏读取测量结果;量程可根据选用的卡尺本体长度灵活调整。
Claims (10)
1.一种激光干涉游标卡尺,其特征在于,组成部分包括:干涉模块、卡尺模块、光电计数及显示模块。
2.权利要求项1所述的干涉模块包括激光源模块、分光镜以及反射镜,其特征在于激光源模块产生的激光束经过分光镜后分为两束,这两束光经过反射镜反射后再经过分光镜,可产生干涉条纹。
3.权利要求项1所述的卡尺模块包括卡尺本体和游标尺,其特征在于卡尺本体和游标尺上有可测内外径的测量爪;游标尺可在卡尺本体上自由移动。
4.权利要求项1所述的光电计数及显示模块,其特征在于光电计数器为可逆计数器,模块内部带数据处理电路,可以把计数转换为长度在显示屏上显示出来。
5.权利要求项2所述的激光源模块和分光镜均固定在游标尺上。
6.权利要求项2所述的反射镜,共有两个:其中一个固定在卡尺本体头部(带测量爪的一端);另一个则固定在游标尺上。
7.权利要求项2所述的干涉条纹,投影在光电计数器的探头上。
8.权利要求项4所述的光电计数及显示模块,固定在游标尺上。
9.权利要求项5所述的激光源模块,包括激光器及扩束镜。
10.权利要求项6所述的固定在游标尺上的反射镜,和分光镜结合为一体。
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN113358037A (zh) * | 2021-08-10 | 2021-09-07 | 中国计量科学研究院 | 一种激光位移测量装置和方法 |
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2017
- 2017-11-01 CN CN201711069761.2A patent/CN107560555A/zh active Pending
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