双频激光干涉仪的工作原理及应用场景

双频激光干涉仪是一种新型激光干涉仪，其基本原理与单频激光干涉仪不同，它是利用光的干涉原理和多普勒效应产生频差的原理来进行位置检测的，如图5-23所示。

激光管放在轴向磁场内，发出的激光为方向相反的右旋圆偏振光和左旋圆偏振光，其振幅相同，但频率不同，分别用f₁和f₂。经分光镜M₁，一部分反射光经偏振器射入光电元件D₁作为基准频率f_基（f_基=f₂-f₁），另一部分通过分光镜M₁的折射光到达分光镜M₂的a处。频率为f₂的光束完全反射经滤光器变为线偏振光f₂，投射到固定棱镜M₃后反射到分光镜M₂的b处；频率为f₁的光束完全反射经滤光器变为线偏振光f₁，投射到固定棱镜M₄后反射到分光镜M₂的b处，两者产生相干光束。若M₄移动，则反射光的频率发生变化而产生多普勒效应，其频差为多普勒频差Δf。

图5-23 双频激光干涉仪原理图

频率为f'=f₁±Δf的反射光与频率为f₂的反射光在b处汇合后，经检偏器射入光电元件D₂，得到测量频率f_测=f₂-（f₁±Δf）的光电流。这路光电流与经光电元件D₁后得到频率为f_基的光电流，同时经放大器放大进入计算机，经减法器和计数器，即可算出差值±Δf、可动棱镜M₄的移动速度v和移动距离L

式中，N是由计算机记录下来的脉冲数，将脉冲数乘以半波长，就得到所测位移长度。

双频激光干涉仪与单频激光干涉仪相比，有下列优点：

①接受信号为交流信号，前置放大器为交流放大器，而不用直流放大，没有零点漂移等问题。

②采用多普勒效应，计数器用来计算频率差的变化，不受激光强度和磁场变化的影响，在光强度衰减90%时，仍得到满意的信号。这对于远距离测量是十分重要的，在近距离测量时又能简化调整工作。

③测量精度不受空气湍流的影响，无需预热时间。(www.xing528.com)

用激光干涉仪作为机床的测量系统，可以提高机床的精度和效率，早期仅用于高精度的磨床、镗床、和坐标测量机上，后来也用于加工中心的定位系统中。但由于激光干涉仪的抗振性、抗干扰性和环境适应性差，而且价格较贵，因此目前在机械加工现场使用不多，主要用于机床的校准和调试。

图5-24所示为RENISHAW ML10激光干涉仪系统，其组成包括：三脚架ML10激光器、PCM10控制接口卡、光学镜组、EC10环境补偿器、分析软件等。激光器的波长为0.633μm，采用PCM10接口卡与计算机进行数据传输。系统的EC10环境补偿器用于测量温度、气压、相对湿度这三个关键的环境参数，并把数据传送到PCM10接口控制单元，以补偿波长的综合变化。

如图5-25所示为测量某加工中心主轴定位精度时的布局。通常是将激光头安装在放在车间的地面上的三脚架上；干涉镜安装在机床的固定部件上的磁性支架上，通常为主轴或轴座；测量反射镜放置在移动的机床工作台上；干涉镜放置在激光器与反射镜之间的光路上。从激光头发出的光在干涉镜处分为两束相干光束，一束光从附加在干涉镜上的反射镜反射回激光头，而另一束要透过干涉镜至反射镜处，再反射回激光头的探测孔，由激光头内检波器监控这两束光的干涉情况。核查软件主显示器左侧的信号表，检测返回信号的强度。

图5-24 激光干涉仪系统

图5-25 测量某加工中心主轴定位精度时的布局图

图5-26为测量某型号数控车床定位精度时的测量示意图。

图5-26 数控车床定位精度测量示意图