CN1170117C - 改善激光干涉仪的测量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的是要提供使用激光干涉仪(1，2)进行测量时，特别在距离测量时的一种改善测量精度的方法。按照本发明的方法由以下组成，通过测量沿着相同路径行进的声波(5)的速度，确定沿着激光干涉仪发射的激光光束(3)的整个激光光束路径的空气温度，和使用得到的值计算对测量值，特别是距离测量值的依赖于空气温度的校正值。
Description
本发明的目的是要提供使用激光干涉仪进行测量时，特别在距离测量时的一种改善测量精度的方法。
当要求精确的测量精度时，例如在机器制造业中，激光干涉仪被用于距离测量，因为它们比其它方法更精确。然而，激光干涉仪的精度取决于多种因素，比如，激光光束波长与介质折射率的关系。因为使用激光干涉仪进行的距离测量基于光的波长，为了获得足够精确的结果，必须知道介质的折射率，实际上，这些测量中的介质是空气，它的折射率与气压、温度、湿度和气体(如二氧化碳)浓度有关。由于测量区域中各点之间温差引起的气团快速和恒定的运动以及空气动力学效应，空气温度变化很大。因为空气温度的变化，沿着激光干涉仪激光光束路径的积分瞬时温度就不能用激光干涉仪使用的目前已知的温度计精确地测量。
在可以买到的激光干涉仪设备中，空气的折射率靠测量空气中的上述量来确定，然后计算它们对波长的影响。为此目的，目前可用的设备装有传感器以测量空气的温度、气压，有时也测量湿度。典型地，有一至三个用于测量空气温度的温度计。
激光干涉仪中目前使用的空气温度计基于传感器温度变得与周围空气温度相同这样的现象。这些温度计仅允许测量邻近激光光束路径单个各点的温度。这些温度计不能测量沿着整个激光光束路径每点的温度，如实际要求的那样。另外的缺点是，由于目前已知的激光干涉仪温度传感器响应时间的延时，每个测量点的测量结果总是落后于即时温度。结果是，这些设备只允许测量特定时间期间、具体测量点的积分温度值，不允许测量恒定变化的瞬时温度。应用只允许测量单个各点温度值和具有长响应时间的，并考虑把结果值作为沿着整个激光光束路径的积分瞬时温度的测量方法，导致误差，这种误差在影响激光干涉仪测量精度的误差成分中最显著。
本发明的目的是要提供解决上述问题的一种方法和设备。另外，考虑沿着整个激光光束路径空气温度的瞬时变化，本发明提供校正激光干涉仪测量结果的一种方法。
本发明的目的使用一种方法可以达到，它的与众不同方面在权利要求中被描述。
按照本发明的方法是由以下组成：通过测量声音沿着相同路径行进的速度，确定沿着激光干涉仪整个激光光束路径空气温度值和使用得到的值计算依赖于空气温度的对测量值，特别是距离测量值的校正值组成。措词“相同路径”在这里的意思是，声波和激光光波起始于同一点，或实际上相互邻近的点，并且这些波同时行进。对激光干涉仪测量结果的校正值，特别是对距离测量结果的校正值，可以从空气温度值计算。这种方法给出瞬时空气特征的精确图象，该特征影响激光干涉仪的精度。
在一种按照本发明的实施例中，利用使用激光干涉仪同时测量的长度或距离值测量声速。当按照本发明的方法被使用时，使用激光干涉仪测量的精度大大改善。所述的方法可适用于买得到的激光干涉仪，而不要改变或改进，并且按照本发明的设备也可以安装到它们中。另外，本方法和设备实现起来简单、便宜，设备生产和使用也不贵。
本发明基于这样的现象：由光波理论知道的介质(实际上是空气)折射率，它影响激光光束的波长，和由声学理论知道的空气中的声速，折射率和声速二者都依赖于相同的因素，即气压、温度、湿度和二氧化碳浓度，因此，它们用已知的方式是可相互比较的。另外的优点是声波不干扰激光干涉仪发射的激光光束，而且声波和激光光束有可能同时行进同样的路径。因此，空气特征的瞬时变化对声波和给定的激光光束有相同的影响。因为空气温度变化对空气中声速的影响比对空气折射率的影响强1000多倍，所以有可能获得非常精密的测量。
按照本发明的方法提出，对长度测量结果(该测量结果依赖于沿着激光光束路径的空气温度，是用激光干涉仪得到的)的校正值的确定基于这样的事实，即当声波与激光光束通过空气行进相同的路径时，沿路径每个点的瞬时空气温度都影响声波的速度。声波通过空气行进所花费的时间反比于沿声波路径的积分瞬时温度。除空气温度之外，空气中的声速还依赖于其它因素，它们的影响比空气温度的影响小几十或几百倍。这些影响对整个区域空气条件有相对一致的影响，不象空气温度从这一点到另一点变化显著，并随时间变化。这些因素包括空气的湿度、气压以及不同的气体(比如二氧化碳)的浓度。
本发明测量方法提供的另一个优点是：在激光光束路径的每一点响应时间是零，并且整个激光光束路径的测量仅使用声波行进该路径所花费的时间。与激光干涉仪目前使用的较缓慢的空气温度计比较，在所提出方法的原理中这是本质上的差别和压倒一切的优点。
在本发明的一种优选实施例中，声发射器和接收器位于激光干涉仪里面或在它的附近，这样激光光束和声波的路径及轴尽可能地相互靠近，并且声波相对于激光光束平行和对称地行进。用这种方法减少了测量误差。
现在参照附图较详细地描述本发明，在附图中图1说明实施本发明方法的仪器的方块图，图2和图3以图解的形式说明本方法的某些
实施例。
图1图解说明激光干涉仪光学件1和2，此处第一个光学件1(在激光干涉仪侧)包括光源和干涉仪/分束器，第二个光学件2包括后反射器。固定的外壳附上光学件，声发射器/接收器4a，4b，4c，4d安装在外壳中。每个发射器/接收器能发射或接收声波。设备同时包括湿度传感器6、一个气压传感器7、一个气体分析器8以及控制和计算单元9。激光干涉仪1发射激光束3，发射器4发射声波5。
发射器/接收器4成对地安装，这样发射器/接收器发射的声波轴5对称于激光束四周；例如，声波轴可以在光束上面或下面，左面和右面。对称的成对安装简化了后面按此方法进行的计算。发射器/接收器对的数目在本发明不同的应用中可被定做。例如，图2和图3分别说明四对和六对的情况。
按照本发明的一种实施例没有要求发射器/接收器的特殊定向准直性质。然而，先进的发射器/接收器的束角范围只有几度(例如5到8度)，对噪声干扰提供较好的抑制并可用于较长的距离。这在实际测量中是很重要的，例如在工厂条件下。
使用的声频没有限定具体的数值，但是实际中用超声频率得到最好的结果，例如频率50到100kHz，由于它们的抗干扰容限。当要测量的距离(即干涉仪1和后反射器2之间的距离)变化时，每个发射器/接收器4间的距离相应地变化。控制和计算单元9从激光干涉仪1接收待测量距离上的一个精确数值。
声速同激光干涉仪测量同时被测量。声速可以用几种方法测量，可能选择的方法之一在下面描述。
声速以不变的重复周期测量，包含下面几个步骤：
控制和计算单元9经激光干涉仪上的发射器4a发射一个声波包(本发明不限定每个包中的振荡数目，例如，5到20个振荡是足够的)。这些声波5在激光光束3上方行进。在已知的延时之后，激光干涉仪对面一侧(后反射器一侧)的接收机4b探测到达的声波，声行进所花费的时间被控制和计算单元9记录。控制和计算单元经发射器4b发射回来声波包给接收器4a。这些声波5沿在激光光束3上方的轴传播。在已知的延时之后，接收器4a探测到达的声波，声行进所花费的时间被控制和计算单元记录。当计算声速时，两个方向的时间测量对于完全消除风的影响是先决条件。上述描述的测量之后，类似的测量使用相对于激光光束3对称放置的对面发射器/接收器进行。换句话说，当现在声波沿在激光光束3下方的轴传播时，声从发射器4c到接收器4d，然后从发射器4d回到接收器4c行进所花费的时间被测量。激光光束对面一侧立即进行的对称测量确保了：所测得的声沿着激光光束路径3行进花费的时间最大程度地符合真实的行进时间，并且消除了激光光束横向的空气温度差。
使用上述描述的方法，用对面的发射器/接收器对测量声波的时间之后，再用其它的发射器/接收器对进行类似的测量。如果使用四个发射器/接收器对，那么下一步使用激光光束左和右的发射器/接收器对测量。方块图图解绘出四个发射器/接收器，或两对，但是在本发明的不同实施例中，发射器/接收器的数目可以定做。
当两个方向的声行进时间被用所有的发射器/接收器对进行测量后，操作过程被重复。
在进行测量时，下列信息实时地馈入控制和计算单元。
-激光干涉仪1报告的距离
-气压传感器7报告的气压
-湿度传感器6报告的相对空气湿度
-当特别的精确测量需要空气中有关气体浓度的信息时，气体分析器8测量二氧化碳的浓度，如果需要测量空气中其它气体浓度。
基于上述列出的信息，控制和计算单元9首先计算沿着激光光束路径3的声速，并对气压、相对湿度、气体浓度、风和温度梯度的影响进行必要的调整，然后通过校正设备的系统误差和做所要求的统计处理，计算对激光干涉仪作出的原始距离估算的调整。
图2和图3绘出声波发射器/接收器4如何在激光光束四周对称放置的一些例子。在外壳10的中心，有一个孔11，激光干涉仪的光学件放置在这里。孔11是这样：激光干涉仪光学件的正常工作不被打乱。
本发明不局限于上面描述的优选实施例，它仅仅是用举例的方法，并且不离开在所附权利要求中定义的本发明的范围，各种改变和改进都是可能的。
Claims (2)
1.一种改善激光干涉仪(1，2)测量精度和改善距离测量精度的方法，其特征在于，在激光干涉仪测量距离的同时，当声波(5)行进的路径与激光光束(3)行进的路径相同时，声速被测量，当确定了各种因素，即：空气温度、气压、相对湿度和气体浓度，对激光干涉仪的激光光束的整个路径的影响时，在计算中使用激光干涉仪实时指示的距离值，所述各种因素一起影响声速和空气的折射率，考虑气压、相对湿度、气体浓度、温度梯度和风的影响，进行校正，并用所得到的空气温度值计算一个对距离测量值的校正值，该校正值依赖于上面所描述的因素。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，声发射器/接收器(4a，4b，4c，4d)位于激光干涉仪(1，2)里面或它的附近，使得激光光束(3)和声波(5)的行进路径和轴尽可能地相互靠近，并且声波沿平行并且对称于激光光束的轴传播。
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