[实用新型]微机化干涉扫描微位移测量仪

说明书

本实用新型涉及计量技术，属于用光干涉扫描的原理，测量微小位移。

现有的“斜行光干涉仪伸缩计量方法和装置”（CN86104916）采用普通非稳频激光器和三个法布里·白洛干涉仪，通过干涉仪，分束镜和反射镜的放置，利用不同方向干涉光极大值间距对应不同的伸缩位移量值的关系，求出待测量。这种装置的缺点如下：（1）装置中含有三个法布里·白洛干涉仪和三个压电陶瓷，不仅结构复杂，而且由于各干涉仪和压电陶瓷的性能不一，产生附加的测量误差。（2）没有考虑其它因素对测量精度的影响。如压电陶瓷的非线性，一般的压电陶瓷有5－10％的扫描非线性，使干涉仪扫描波形在不同位置的波峰间隔各不相同，造成干涉条纹的整数误差。对于量程为n· (λ)/2 的仪器，扫描非线性至少应优于1／n，因此必须对压电陶瓷的非线性进行补偿。又如；温度的变化引起仪器结构的变形，直接影响测量结果，零点几度的温度波动对一般结构可以引起近一个条纹（～0.3微米）的测量误差。再如，光束与干涉仪腔片的不垂直会带来余弦误差，干涉信号的质量，小信号的噪声干扰，干涉仪腔片运动的不平行性及干涉仪两腔片的不平行度都对仪器精度有直接影响。（3）不能判别微位移的方向，量程小。

本实用新型的任务是制造一种有大测量范围的、保证高精度和测量全自动化的微机化实用仪器。

本实用新型的任务是通过这样的途径解决的：本仪器采用单一的法布里·白洛干涉仪和单个压电陶瓷，使仪器小型紧凑。经过分光偏角系统的三束光以不同的角度同时射入扫描的法布里·白洛干涉仪中。其中，一束光（称中心光束A）与干涉仪垂直，可测出与位移对应的干涉条纹的小数；一束光（称光束b）与中心光束A的夹角为θ₀，光束b可测出与位移对应的干涉条纹整数，若仪器量程为n· (λ)/2 ，则可测的最多移动干涉条纹数为n＝ 1/(1-COSθ^’_O) ，θ₀变小，测量范围可扩大，但为保证仪器的高精度，要求各光束波形间隔的误差小于1／n；第三束光（称光束C）与中心光束A的夹角为θ₁，取θ₁使中心光束移动最大量程n个条纹时，c光束波形相对中心光束A波形的位移量小于1／2波峰间隔。在测量时，c光束相邻两波峰与所夹A光束波峰的间隔，必然有一个小于1／2波峰间隔，如果该小于1／2间隔的c光束波峰在A光束波峰的左面，运动方向为“正”，若在右，那么运动方向为“负”。因正、负方向均可测量，使量程扩大了一倍。

为保证中心光束A与干涉仪腔片垂直，本仪器采用了光准直系统，它由平面分光镜，分光对准板和观察窗组成，激光束经平面分光镜后，进入分光对准板，调节整个激光器及光准直系统，使分别从分光对准板和干涉仪反射后的两光束，经平面分光镜，在观察窗形成二精确重合光点。保证中心光束与干涉仪垂直，消除了余弦误差。

采用计算机数模转换器产生补偿扫描波形R（图3），经过放大器后驱动压电陶瓷使波峰间距在各不同位置都相等，并用仪器本身测得残余非线性作为系统误差从测量值中扣除，进一步提高测量精度，此外在扫描波形回归终点处设一个园角S（见图3），以减小机械振动对波形的影响。

将热源激光器置于仪器的顶端，把它与仪器主体分别隔热放置，测杆和所有运动部件为全微膨胀合金结构，提高了仪器的温度稳定性。

聚光镜放置在法布里·白洛干涉仪后面使干涉仪中多次反射的倾斜光束会聚于一点，形成良好的干涉波形。

光导纤维置于硅光二极管前端，将硅光二极管的小信号与扫描高电压分离，其后紧接放大器，大大降低了干扰。

仪器中有干涉仪腔片平行度微调机构、平行移动导轨和使中心光束A与大角度光束b相交于法布里·白洛干涉仪中心的结构，以使不平行度带来的误差减到最小。

整个仪器及测量过程，数据处理全部由IBM  PC／XT按程序自动进行，并在屏幕上和打印机上给出去除干扰和系统误差后的精确测量数据和曲线。

本实用新型的结构紧凑，操作方便，测量范围达100微米精度为0.005微米，可用于标准计量块规检定，物理量测试，地震研究和同步辐射实验。

本实用新型的具体结构由以下实施例及其附图给出。

图1为本实用新型具体结构仪器剖面图。

图2是测量程序示意图。

图3是压电陶瓷的扫描信号补偿波形图。

图4是图1中（23）、（24）的详图

图5是图1中（21）、（23）的详图