激光干涉仪数字测角的新方法及其应用

　　1　引　　言

　　在科研和生产过程中,经常遇到要对物体的转动角度进行精密测量的情况。传统上,物体转动角度的测量方法主要有:利用光栅莫尔条纹现象的光栅角度 传感器、码盘测角;利用电磁原理工作电磁传感器如电容式角度和角位移传感器、感应同步器、磁栅式传感器测角等,这些测量方法各有特点,有些方法目前仍在被 广泛地使用。但是,在有些情况下,大角度或角位移进行高精度测量对一些传统的测量方法和技术不能很好地满足要求,因而,设计一种能够解决上述问题的测量仪 器就显得非常必要。众所周知,干涉技术在精密测量中已获得了非常广泛的应用,特别是激光出现及激光技术的发展,使这项技术在精密测量中的应用突破了以往由 于缺乏亮度高、单色性好的光源的局限性,大大地促进了干涉仪在测量中的应用,从而使利用光波干涉技术进行测量逐渐成为科研与生产中精密测量的主要手段之 一。目前,人们利用各种干涉仪可以进行长度、角度、粗糙度等物理量的测量,在这些物理量的测量中,利用干涉技术测长是干涉技术在几何量测量中的最早和最重 要的应用。本文提出了一种基于激光干涉测长技术的测角系统,并对系统的构成、工作原理及精度进行相应的分析。

　　2　系统介绍

　　利用激光干涉技术测量角度的系统很多,其中大多数的应用是基于迈克耳孙干涉仪技术的干涉测角系统。一般地,此类系统主要由激光器、稳频器、激光电源、干涉仪、光电探测器及信号处理电路和显示打印系统组成,图1是此类系统的组成原理框图。

　　3　系统工作原理

　　本系统物体转动角度的主要测量装置基于迈克耳孙干涉测长仪。与其它类似系统不同的是本系统将被测物体转动的角位移通过一个转台转换成迈克耳孙测长仪能够方便、精确测量的线位移。图(2)为测量系统的原理图。

　　图中激光器发射的相干光经分束器分束后分别传播到可动角锥棱镜(三面直角棱镜)和固定的角锥棱镜,经反射后到达光电探测器。可动角锥棱镜是迈克 耳孙干涉仪的动反射镜,它安装在滑车上并由直线导轨控制以保证其作直线运动。物体转动的角度通过与转台轮紧密结合的钢带传动系统转换为可动角锥棱镜的线位 移,由此导致干涉系统两路光程差的变化而产生干涉条纹的移动。光电探测器将接收条纹的移动并通过后级电路将转换为电脉冲,通过可逆计数系统对脉冲计数以达 到计量角度的目的。

　　系统通过可逆计数器对角度脉冲进行计数,目的在于使测量能够克服外界震动及干涉仪的机械传动不平稳等因素的影响。因为,由于上述因素的影响,使 测量角锥棱镜在正向移动过程中,可能产生随机的反向运动。尽管这种运动有时非常小,但足以影响干涉仪的测量精度。可逆计数器的方向判别电路可把计数脉冲分 成加、减脉冲两种情况。这样就可做到可动角锥棱镜正向移动时引起加脉冲,反向移动时引起减脉冲,使测量结果能够准确反映测量镜的实际移动距离。对于本系统 而言就是能够准确反映转台转动的角位移。