CN86104916A - 斜行光干涉仪伸缩计量方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种斜行光干涉仪伸缩计量方法及装置。属于长度计量技术领域。

本发明方法采用二支或二支以上光束，利用不同行进方向光束的干涉光极大值间距对应于不同伸缩位移量值的关系，求出待测量值。

本发明装置采用普通非稳频激光器和简单法布里·白洛干涉仪，通过干涉仪、分束镜和反射镜的放置，以及测出干涉光极大值对应的压电陶瓷电压值，实现上述方法。

本发明可使量程达50λ以上，具备埃量级的分辨力。

Description

本发明属于长度计量技术领域。

用激光干涉法测量微小伸缩或位移，是长度计量的最精密的方法。在长度计量中最多使用的是迈克尔逊干涉仪。这种干涉仪一般以大尺度（米级量程）计量为目的，分辨能力约1/8波长（约80nm）。清华大学朱鹤年和张培林在《埃分辨率的激光系统及其在材料电致形变测量中的应用》（《中国激光》1983年第10卷第8.9期）一文中提出了小变量高灵敏度计量系统，该系统可达埃的测量分辩率。但是这种计量系统电路较复杂，而且需用昂贵的稳频激光器。

也可用法布里·白洛干涉仪进行长度计量。欧洲专利EP-101-726-A提供的装置，能测量微小位移，但因压电陶瓷动程很小，仅靠干涉仪间距不变就不能进行大量程计量，同时测量中受干涉仪间隙中的物理变化的影响。而李志超等人把法布里·白洛干涉仪用于磁致伸缩计量，由于把光程差减小到0.1mm水平，减小了物理变化对测量的影响，并获得3nm的分辨力（《金属材料研究》1984年10月第40页）。它的缺点是：当长度变化量值比半波长大时，从示波屏上图形的移动来读出数据是困难的，当变化进行较快时变为不可能。

本发明的目的在于提供一种斜行光干涉仪伸缩计量方法及装置，它能扩大量程，方便读数。

本发明的任务是以如下方式完成的：法布里·白洛干涉仪的一个镜片，通过中心测杆与待测物接触，随待测物一起运动，另一镜片粘在压电陶瓷的自由端，压电陶瓷在扫描电压的作用下，带动镜片作扫描运动。采用二支或二支以上光束，至少有一支光通过法布里·白洛干涉仪时的行进方向与伸缩位移方向或干涉仪法线方向有夹角。该夹角的形成，可以是光束正入射，干涉仪斜放;可以是干涉仪正放，光束斜入射;以及干涉仪斜放，光束取任意方向。法布里·白洛干涉仪的光程差公式是：

△＝2d·COSθ＝kλ

式中△为透射光束之间的光程差，d为镜间距离，θ为光束与镜面法线的交角，λ为光波长，k为干涉级数。当k为整数时干涉光强为极大。在斜行光束上，干涉光极大值的间隔，对应的位移量不是δd＝λ/2，而是大于λ/2的值：λ/2COSθ。因而在示波图上，正入射光束和斜行光束的峰间距不同，它们的排列正如游标卡尺一样，正入射光好象主尺，斜行光好象游标，根据它们与扫描电压波形的相位关系，可以得到待测物的伸缩或位移变化量。

当待测量为△d时，在正入射光束（干涉仪正放）上对应干涉级数变化为△K₀，在斜行光束上对应干涉级数变化为△K₁，分别用右上角标i和d表示它们的整数和小数部分：

△K₀＝△K^l _O+△K^d _o△K₁＝△Kⁱ ₁+△K^d ₁

在｜△Kⁱ ₀-△Kⁱ ₁｜＜1的范围，对于一定的△Kⁱ ₀有：

△Kⁱ ₀＝（△K^d ₀COSθ-△K^d ₁）/（1-COSθ）

式中分子的COSθ经常可当成1而忽略，通过此式可以仅由△K^d ₀和△K^d ₁算出△Kⁱ ₀的数值，从而得到待测量值。在实际操作中，先测出干涉光极大值所对应的各压电陶瓷上的电压值，由压电陶瓷的伸长量与电压的函数关系决定其伸长量，再按上式算出△K₀。如果｜△Kⁱ ₀-△Kⁱ ₁｜超过了1，可以用普通长度计量方法判断△K₀的区间，以决定其所超整数。当干涉仪斜放，入射光束的行进方与干涉仪的法线方向一致时，干涉仪间距d的变化比引起变化的伸缩位移值小一个因子COSθ，在读数和计算△Kⁱ ₀的数学关系上，与上述斜入射光的方法完全一样。当二支光束，一支入射角为0，另一支入射角为适当的θ，同时进入一个干涉仪时，二支方向夹角不为0的光束，在示波图上的峰间距不同，根据它们与扫描电压波形间的相位关系，可以得到待测物的伸缩或位移变化量。

本发明能使快速测量中，量程达50λ以上，分辨力可达2

。不受测量对象变化的时间影响，能够分时读数。本发明装置结构简单，操作方便，成本低。可用于微小伸缩或位移的快速精密测量。如：材料的电致、磁致伸缩测量，高分子单晶体缩合测量等。

下面结合附图对本发明作进一步描述。

附图是本发明的一种实施例的示意图。

参见附图，平行弹簧导轨[3]，提供了一个微小平移导轨。它使连在它上面的中心测杆[15]及其触头[2]的移动保持精密平行。中心测杆[15]的触头[2]与待测物接触，下端连着法布里·白洛干涉仪[6，7，8]的三个镜片。当待测物伸缩时，中心测杆[15]带动三个镜片运动。法布里·白洛干涉仪[6，7，8]的另外三个镜片分别粘在三个压电陶瓷管[5]上。干涉仪的间距约0.1-0.3mm。干涉仪[8]是斜放的，其法线与伸缩位移方向有夹角;另外两个是正放的，其法线与伸缩位移方向夹角为0。压电陶瓷管[5]的内壁接地，外壁接示波器[10]的扫描输出（这里用示波器代替电压发生器）。光电管[9]的输出接示波器[10]和放大器[11]。反射镜（或分束镜）[14]把一支从普通非稳频氦氖激光器[4]发射出的激光送入各干涉仪，其中有二个反射镜的放置可使光束进入干涉仪[6，8]时与伸缩位移方向有夹角。干涉仪[6]的光电信号由示波器显示，干涉仪[7，8]的光电信号经放大器[11]放大后作为读数指令输入到数字电压表[12]，电压表记下光电脉冲到达时刻的压电陶瓷电压。这些电压数值经过接口[13]送到数据处理系统处理，记录或显示测量结果。

Claims (2)

1、一种用法布里·白洛干涉仪测量微小位移或伸缩的方法，其特征在于采用二支或二支以上具有相同波长的光束，至少有一支光束进入法布里·白洛干涉仪时的行进方向与伸缩位移方向或干涉仪的法线方向有夹角，利用不同行进方向光束的依序相接的干涉光极大值对应于不同的伸缩位移量值的关系，求出待测量的大小。

2、一种实现如权利要求1所述方法的装置，它由机械系统、光电系统、测量显示系统组成，其中：

（1）.机械系统有平行弹簧导轨[3]，中心测杆[15]，

（2）.光电系统包括普通非稳频激光器[4]，压电陶瓷管[5]，法布里·白洛干涉仪[6和（或）7，8]，光电管[9]，反射镜和分束镜[14]，使压电陶瓷做扫描运动的电压发生器，

（3）.测量显示系统包含光电信号放大器[11]、数字电压表[12]、接口[13]、和（或）示波器[10]，

其特征在于法布里·白洛干涉仪[6和（或）7，8]、反射镜和分束镜[14]的放置，使得法布里·白洛干涉仪的法线和光束之中，至少有一个与伸缩位移方向有夹角。

Images