專利名稱:斜行光干涉儀伸縮計(jì)量方法及裝置的制作方法
本發(fā)明屬于長度計(jì)量技術(shù)領(lǐng)域：
。
用激光干涉法測量微小伸縮或位移，是長度計(jì)量的最精密的方法。在長度計(jì)量中最多使用的是邁克爾遜干涉儀。這種干涉儀一般以大尺度(米級量程)計(jì)量為目的，分辨能力約1/8波長(約80nm)。清華大學(xué)朱鶴年和張培林在《埃分辨率的激光系統(tǒng)及其在材料電致形變測量中的應(yīng)用》(《中國激光》1983年第10卷第8.9期)一文中提出了小變量高靈敏度計(jì)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可達(dá)埃的測量分辯率。但是這種計(jì)量系統(tǒng)電路較復(fù)雜，而且需用昂貴的穩(wěn)頻激光器。
也可用法布里·白洛干涉儀進(jìn)行長度計(jì)量。歐洲專利EP-101-726-A提供的裝置，能測量微小位移，但因壓電陶瓷動(dòng)程很小，僅靠干涉儀間距不變就不能進(jìn)行大量程計(jì)量，同時(shí)測量中受干涉儀間隙中的物理變化的影響。而李志超等人把法布里·白洛干涉儀用于磁致伸縮計(jì)量，由于把光程差減小到0.1mm水平，減小了物理變化對測量的影響，并獲得3nm的分辨力(《金屬材料研究》1984年10月第40頁)。它的缺點(diǎn)是當(dāng)長度變化量值比半波長大時(shí)，從示波屏上圖形的移動(dòng)來讀出數(shù)據(jù)是困難的，當(dāng)變化進(jìn)行較快時(shí)變?yōu)椴豢赡堋?br>本發(fā)明的目的在于提供一種斜行光干涉儀伸縮計(jì)量方法及裝置，它能擴(kuò)大量程，方便讀數(shù)。
本發(fā)明的任務(wù)是以如下方式完成的法布里·白洛干涉儀的一個(gè)鏡片，通過中心測桿與待測物接觸，隨待測物一起運(yùn)動(dòng)，另一鏡片粘在壓電陶瓷的自由端，壓電陶瓷在掃描電壓的作用下，帶動(dòng)鏡片作掃描運(yùn)動(dòng)。采用二支或二支以上光束，至少有一支光通過法布里·白洛干涉儀時(shí)的行進(jìn)方向與伸縮位移方向或干涉儀法線方向有夾角。該夾角的形成，可以是光束正入射，干涉儀斜放;可以是干涉儀正放，光束斜入射;以及干涉儀斜放，光束取任意方向。法布里·白洛干涉儀的光程差公式是△＝2d·COSθ＝kλ式中△為透射光束之間的光程差，d為鏡間距離，θ為光束與鏡面法線的交角，λ為光波長，k為干涉級數(shù)。當(dāng)k為整數(shù)時(shí)干涉光強(qiáng)為極大。在斜行光束上，干涉光極大值的間隔，對應(yīng)的位移量不是δd＝λ/2，而是大于λ/2的值λ/2COSθ。因而在示波圖上，正入射光束和斜行光束的峰間距不同，它們的排列正如游標(biāo)卡尺一樣，正入射光好象主尺，斜行光好象游標(biāo)，根據(jù)它們與掃描電壓波形的相位關(guān)系，可以得到待測物的伸縮或位移變化量。
當(dāng)待測量為△d時(shí)，在正入射光束(干涉儀正放)上對應(yīng)干涉級數(shù)變化為△K0，在斜行光束上對應(yīng)干涉級數(shù)變化為△K1，分別用右上角標(biāo)i和d表示它們的整數(shù)和小數(shù)部分△K0＝△KlO+△Kdo△K1＝△Ki1+△Kd1在｜△Ki0-△Ki1｜＜1的范圍，對于一定的△Ki0有△Ki0＝(△Kd0COSθ-△Kd1)/(1-COSθ)式中分子的COSθ經(jīng)常可當(dāng)成1而忽略，通過此式可以僅由△Kd0和△Kd1算出△Ki0的數(shù)值，從而得到待測量值。在實(shí)際操作中，先測出干涉光極大值所對應(yīng)的各壓電陶瓷上的電壓值，由壓電陶瓷的伸長量與電壓的函數(shù)關(guān)系決定其伸長量，再按上式算出△K0。如果｜△Ki0-△Ki1｜超過了1，可以用普通長度計(jì)量方法判斷△K0的區(qū)間，以決定其所超整數(shù)。當(dāng)干涉儀斜放，入射光束的行進(jìn)方與干涉儀的法線方向一致時(shí)，干涉儀間距d的變化比引起變化的伸縮位移值小一個(gè)因子COSθ，在讀數(shù)和計(jì)算△Ki0的數(shù)學(xué)關(guān)系上，與上述斜入射光的方法完全一樣。當(dāng)二支光束，一支入射角為0，另一支入射角為適當(dāng)?shù)摩?，同時(shí)進(jìn)入一個(gè)干涉儀時(shí)，二支方向夾角不為0的光束，在示波圖上的峰間距不同，根據(jù)它們與掃描電壓波形間的相位關(guān)系，可以得到待測物的伸縮或位移變化量。
本發(fā)明能使快速測量中，量程達(dá)50λ以上，分辨力可達(dá)2
。不受測量對象變化的時(shí)間影響，能夠分時(shí)讀數(shù)。本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，成本低?？捎糜谖⑿∩炜s或位移的快速精密測量。如材料的電致、磁致伸縮測量，高分子單晶體縮合測量等。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
附圖是本發(fā)明的一種實(shí)施例的示意圖。
參見附圖，平行彈簧導(dǎo)軌[3]，提供了一個(gè)微小平移導(dǎo)軌。它使連在它上面的中心測桿[15]及其觸頭[2]的移動(dòng)保持精密平行。中心測桿[15]的觸頭[2]與待測物接觸，下端連著法布里·白洛干涉儀[6，7，8]的三個(gè)鏡片。當(dāng)待測物伸縮時(shí)，中心測桿[15]帶動(dòng)三個(gè)鏡片運(yùn)動(dòng)。法布里·白洛干涉儀[6，7，8]的另外三個(gè)鏡片分別粘在三個(gè)壓電陶瓷管[5]上。干涉儀的間距約0.1-0.3mm。干涉儀[8]是斜放的，其法線與伸縮位移方向有夾角;另外兩個(gè)是正放的，其法線與伸縮位移方向夾角為0。壓電陶瓷管[5]的內(nèi)壁接地，外壁接示波器[10]的掃描輸出(這里用示波器代替電壓發(fā)生器)。光電管[9]的輸出接示波器[10]和放大器[11]。反射鏡(或分束鏡)[14]把一支從普通非穩(wěn)頻氦氖激光器[4]發(fā)射出的激光送入各干涉儀，其中有二個(gè)反射鏡的放置可使光束進(jìn)入干涉儀[6，8]時(shí)與伸縮位移方向有夾角。干涉儀[6]的光電信號(hào)由示波器顯示，干涉儀[7，8]的光電信號(hào)經(jīng)放大器[11]放大后作為讀數(shù)指令輸入到數(shù)字電壓表[12]，電壓表記下光電脈沖到達(dá)時(shí)刻的壓電陶瓷電壓。這些電壓數(shù)值經(jīng)過接口[13]送到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)處理，記錄或顯示測量結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種用法布里·白洛干涉儀測量微小位移或伸縮的方法，其特征在于采用二支或二支以上具有相同波長的光束，至少有一支光束進(jìn)入法布里·白洛干涉儀時(shí)的行進(jìn)方向與伸縮位移方向或干涉儀的法線方向有夾角，利用不同行進(jìn)方向光束的依序相接的干涉光極大值對應(yīng)于不同的伸縮位移量值的關(guān)系，求出待測量的大小。
2.一種實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求
1所述方法的裝置，它由機(jī)械系統(tǒng)、光電系統(tǒng)、測量顯示系統(tǒng)組成，其中(1).機(jī)械系統(tǒng)有平行彈簧導(dǎo)軌[3]，中心測桿[15]，(2).光電系統(tǒng)包括普通非穩(wěn)頻激光器[4]，壓電陶瓷管[5]，法布里·白洛干涉儀[6和(或)7，8]，光電管[9]，反射鏡和分束鏡[14]，使壓電陶瓷做掃描運(yùn)動(dòng)的電壓發(fā)生器，(3).測量顯示系統(tǒng)包含光電信號(hào)放大器[11]、數(shù)字電壓表[12]、接口[13]、和(或)示波器[10]，其特征在于法布里·白洛干涉儀[6和(或)7，8]、反射鏡和分束鏡[14]的放置，使得法布里·白洛干涉儀的法線和光束之中，至少有一個(gè)與伸縮位移方向有夾角。
專利摘要
一種斜行光干涉儀伸縮計(jì)量方法及裝置。屬于長度計(jì)量技術(shù)領(lǐng)域：
。
文檔編號(hào)G01B9/02GK86104916SQ86104916
公開日1988年2月17日 申請日期1986年8月8日
發(fā)明者李志超, 黃文浩 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan