高精度大量程激光位移测量装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型设及一种位移测量装置，特别是一种高精度大量程激光位移测量装 置。
【背景技术】
[0002] 在精密机械设计和材料研制等分析过程中，零部件的位移、振动振幅和振动频率、 变形、材料的热膨胀系数等数据的采集成为分析的关键。而现有的位移测量系统，一般都是 精度高则量程短，量程大则精度低，波形匹配好其精度高但运算时间长响应慢，响应快则精 度低，不能满足现代化分析的需要。 【实用新型内容】
[0003] 本实用新型要解决的技术问题是:提供一种精度高、量程大且响应快的高精度大 量程激光位移测量装置。
[0004] 解决上述技术问题的技术方案是:一种高精度大量程激光位移测量装置，包括激 光发射装置、第一分光棱镜、第二分光棱镜、第=分光棱镜、第四分光棱镜、第一反射镜、第 二反射镜、第一直角反射棱镜组、第二直角反射棱镜组、第一光电接收装置、第二光电接收 装置、驱动器;其中：
[0005] 所述的激光发射装置发射出的激光光路上设置第一分光棱镜，第一分光棱镜的分 光光路包括分光光路A、分光光路B;所述的分光光路A上设置第二分光棱镜，第二分光棱镜 的分光光路包括分光光路C、分光光路D;所述的分光光路C上设有光学谐振腔，该光学谐振 腔由第一反射镜、第二反射镜构成;光学谐振腔之后设置有所述的第一光电接收装置;第二 分光棱镜的分光光路D上设置有所述的第一直角反射棱镜组、第二直角反射棱镜组，第一直 角反射棱镜组、第二直角反射棱镜组的一端与第一反射镜、第二反射镜固定连接，第一直角 反射棱镜组、第二直角反射棱镜组的另一端与驱动器连接，第一直角反射棱镜组、第二直角 反射棱镜组的反射光回射到第二分光棱镜形成分光光路F，第二分光棱镜的分光光路F上设 有所述的第=分光棱镜;所述的第一分光棱镜的分光光路B上设置第四分光棱镜，第四分光 棱镜的分光光路E上设置有直角反射镜，直角反射镜的反射光进入第=分光棱镜，第=分光 棱镜的分光光路G上设有所述的第二光电接收装置;所述的驱动器包括驱动件、粘接游动 块、补偿块、固定块，所述的游动块和固定块分别粘接在驱动件的两端，固定块与补偿块粘 接，补偿块与驱动件之间留有间隙，补偿块与游动块分别与第一直角反射棱镜组、第二直角 反射棱镜组固定连接。
[0006] 本实用新型的进一步技术方案是:所述的第一分光棱镜包括直角棱镜I和直角棱 镜n，直角棱镜I和直角棱镜n的斜面粘合在一起;所述的第二分光棱镜包括直角棱镜虹和 直角棱镜IV，直角棱镜虹和直角棱镜IV的斜面粘合在一起，且直角棱镜虹和直角棱镜IV相 对的直角面平行。
[0007] 本实用新型的再进一步技术方案是:所述的直角棱镜m在其直角面处设有光吸收 及漫反射层I，直角棱镜IV在直角面处设有光吸收及漫反射层n。
[0008] 本实用新型的进一步技术方案是:所述的第一反射镜在靠近第二反射镜一侧锻履 有反射膜;所述的第二反射镜在靠近第一反射镜一侧锻履有反射膜。
[0009] 本实用新型的再进一步技术方案是:所述的激光发射装置的光谱宽度为Ao~An;所 述的第一反射镜在光谱宽度~的光束中对光谱宽度、~Aj的波长反射率为90~99%;所 述的第二反射镜在光谱宽度如~的光束中对光谱宽度、~Aj的波长反射率为90~99%。
[0010] 本实用新型的再进一步技术方案是:所述的第一光电接收装置用于对波长、~Aj 光束的能量进行分析，并计算出第一反射镜和第二反射镜的距离;所述的第二光电接收装 置，用于对不同波长Ao~An的光束能量进行分析，并分析出光能量最强的波长。
[0011] 本实用新型的进一步技术方案是:所述的第一直角反射棱镜组包括一个利用斜面 对光产生反射的直角棱镜V，多个利用两直角面对光产生反射的标准直角棱镜VI;所述的 第二直角反射棱镜组包括一个利用直角面对光产生反射的小直角棱镜、多个利用两直角面 对光产生反射的标准直角棱镜W。
[0012] 本实用新型的再进一步技术方案是:所述的小直角棱镜的直角面面积是标准直角 棱镜VD直角面面积的0.3~0.8倍。
[0013] 本实用新型的再进一步技术方案是:所述的第=分光棱镜包括直角棱镜M和直角 棱镜K，直角棱镜M和直角棱镜K的斜面粘合在一起，且彼此相对的直角面平行;所述的直 角棱镜K直角面处设有光吸收及漫反射层m。
[0014] 本实用新型的再进一步技术方案是:所述的第四分光棱镜由四块同样的直角棱镜 X彼此直角面胶合组成的正方形，其中直角棱镜X斜面上设有光吸收及漫反射层IV，该第 四分光棱镜随被测直线移动物体一起移动。
[0015] 由于采用上述结构，本实用新型之高精度大量程激光位移测量装置与现有技术相 比，具有W下有益效果：
[0016] 1.可实现对位移的精密测量：
[0017] 由于本实用新型包括激光发射装置、第一分光棱镜、第二分光棱镜、第=分光棱 镜、第四分光棱镜、第一反射镜、第二反射镜、第一直角反射棱镜组、第二直角反射棱镜组、 第一光电接收装置、第二光电接收装置、驱动器。当被测件未移动时，分光棱镜组与被测件 相接触，系统开启后，驱动器开始沿光路方向高频伸缩变化，使第一反射镜和第一直角反射 棱镜组相对于第二反射镜和第一直角反射棱镜组之间的距离产生变化。激光发射装置发射 出的光束由第一分光棱镜分开后，分为测量光束a和扫描光束b，测量光束a和扫描光束b经 过一系列传播最后分别变为光束g和光束j，当光束g和光束j最后到达第二光电接收装置的 光程相当时，使第二光电接收装置显示为光束g和光束j产生干设光能量最强值，即激光发 射装置发出的所有光谱Ao~An的光能量都为最强，此时记录第一光电接收装置给出的第一 反射镜、第二反射镜的距离；当第四分光棱镜随被测物体沿扫描光束b传播方向移动距离X 时，驱动器持续高频伸缩，总有一刻能使得激光发射装置发出的激光经第一分光棱镜分开 后的两束光线最后到达第二光电接收装置的光程相等，使第二光电接收装置显示为光束g 和光束j产生干设光能量最强值，记录此时第一光电接收装置给出的第一反射镜、第二反射 镜的距离，通过腔长变化即可计算出被测物位移。因此，本实用新型从初始未产生位移开始 工作，直至被测件直线位移停止，测量出被测件位移，从而可实现对位移的精密测量，还可 W测量振动的振幅和频率、位移过程中的速率变化。
[001引 2.精度高：
[0019] 本实用新型利用分离光波振幅方法对一束光均匀分成两束，当两支光束在达到干 设条件时，且经过的光程相等时，干设能量会达到极值，利用此原理，当一束光(测量光束a) 的光程(从光源发出至接收器接收）随着被测件相对较慢的速度变化时，另一束光（扫描光 束b)的光程较快的交替变化(频率不变），总有一刻使测量光束a和扫描光束b的光程相等。
[0020] 本实用新型中，测量光束a的光程是:光束从激光发射装置发出经过第一分光棱镜 后，分为测量光束a开始经第二分光棱镜、第一直角反射棱镜组、第二直角反射棱镜组、第= 分光棱镜等，最后至第二光电接收装置所经过的光程。
[0021 ]扫描光束b的光程是:光束从激光发射装置发出经过第一分光棱镜后，分为扫描光 束b开始经第四分光棱镜组、直角反射镜、第=分光棱镜，最后至第二光电接收装置所经过 的光程。
[0022] 当被测件在位置Ol时，测量光束a的光程为hi，扫描光束b的光程在hi ± Ahi变化， 当测量光束和扫描光束光程都为h时，两束光产生干设能量最强，被第二光电接收装置检测 并分析，记录扫描光束的光程，记录驱动扫描光束部件的位置。
[0023] 当被测件在位置02时，测量光束光程变为hi+Ahi，扫描光束光程继续反复变化，当 扫描光束的光程与测量光束的光程再次相等时，两束光产生干设能量再次达到最强，被接 收器接收并再次记录扫描光束的光程，通过前后两次记录扫描光束光程差值即可得出被测 件的位移变化。若是利用宽光谱a〇~An),则各个波长能量皆为干设最大值时为两束光的光 程为相等。因此，本实用新型的波长越短a〇越小），光谱越宽(Ao~An范围越大），则测量精度 越局。
[0024] 此外，本实用新型对光偏振不敏感，接收光波段波长最短，精度比较稳定，从而进 一步提高了测量精度。
[00巧]3.量程大：
[0026] 本实用新型是利用光学谐振腔(法布里巧罗腔)对波长选择性透过的特性，通过对 透射光波长的分析，可W得到腔长。当腔长变化时，透射波长随之产生变化，接收器检测并 分析透射波长可得出腔长变化量。
[0027] 谐振腔内可接收光谱范围、~Aj)越窄，波长越长(Al越大），其最小腔长h'越长，腔 长可变化范围AK Ah含5 h'）越大，从而测量范围越大，另外增加第一直角反射棱镜组和 第二直角反射棱镜组中的标准直角棱镜数量可W增加测量范围。因此，本实用新型的测量 范围可根据要求制定，其测量范围L为:0~10 (2N+1化'，式中N为第一直角反射棱镜组和第 二直角反射棱镜组中各自标准直角棱镜的个数，测量精度8:0. l*A〇,其量程大，跨越量级 大，可从nm级跨越至m级。
[002引 4.响应快：
[0029] 本实用新型采用折叠光路方法使其结构紧凑，不通过对光波谱型分析而只需分析 能量最大的波长值，因此避免软件匹配波形时出现的误差，同时减少运算量，可大大提高系 统的响应时间。
[0030] 下面，结合附图和实施例对本实用新型之高精度大量程激光位移测量装置的技术 特征作进一步的说明。
【附图说明】
[0031] 图1:本实用新型之高精度大量程激光位移测量装置的结构原理图，
[0032] 图2:第一分光棱镜的结构示意图，
[0033] 图3:第二分光棱镜的结构示意图，
[0034] 图4:第一反射镜的结构示意图，
[0035] 图5:第二反射镜的结构示意图，
[0036] 图6:第一直角反射棱镜组的结构示意图，
[0037] 图7:第二直角反射棱镜组的结构示意图，
[0038] 图8:第S分光棱镜的结构示意图，
[0039] 图9:第四分光棱镜的结构示意图，
[0040] 图10:驱动器的结构示意图，
[0041 ]图11:初始测量的能量一波长图，
[0042] 图12:初始测量的损耗一波长图，
[0043] 图13:被测件产生位移的能量一波长图，
[0044] 图14:被测件产生位移的损耗一波长图，
[0045] 图15:谐振腔透射光能量一波长图，
[0046] 图16:腔长增加1皿透射光波长前后对比局部图，
[0047] 图17:腔长增加 Ium透射光波长前峰值捕捉数据图，
[004引图18:腔长增加1皿透射光波长后峰值捕捉数据图，
[0049] 图19:谐振腔腔长为6 h' =46.8皿时透射光能量一波长分布图。
[0050] 在上述附图中，各标记说明如下：
[0051] 1-激光发射装置，
[0052] 2-第一分光棱镜，201-直角棱镜1,202-直角棱镜n，
[0化3] 3-第二分光棱镜，301-直角棱镜虹，302-直角棱镜IV，
[0054] 303-光吸收及漫反射层n ,304-光吸收及漫反射层I，
[0055] 4-第一反射镜，5-第二反射镜，6-第一光电接收装置，
[0化6] 7-第一直角反射棱镜组，701-直角棱镜V ,702-直角棱镜VI，
[0057] 8-第二直角反射棱镜组，801-直角棱镜VD ,802-小直角棱镜，
[005引9-第S分光棱镜，901-直角棱镜M ,902-直角棱镜K，903-光吸收及漫反射层虹， [0化9] 10-第四分光棱镜，1001-直角棱镜X ,1002-光吸收及漫反射层IV，
[0060] 11-直角反射镜，12-第二光电接收装置，
[0061 ] 13-驱动器，1301-驱动件，1302-粘接游动块，1303-补偿块，1304-固定块。
【具体实施方式】 [006^ 实施例一.
[0063] -种高精度大量程激光位移测量装置，包括激光发射装置1、第一分光棱镜2、第二 分光棱镜3、第=分光棱镜9、第四分光棱镜10、第一反射镜4、第二反射镜5、第一直角反射棱 镜组7、第二直角反射棱镜组8、第一光电接收装置6、第二光电接收装置12、驱动器13;
[0064] 所述的激光发射装置I发射出的激光光路上设置第一分光棱镜2,第一分光棱镜2 的分光光路包括分光光路A、分光光路B;所述的分光光路A上设置第二分光棱镜3，第二分光 棱镜3的分光光路包括分光光路C、分光光路D;所述的分光光路C上设有光学谐振腔，该光学 谐振腔由第一反射镜4、第二反射镜5构成;光学谐振腔之后设置有所述的第一光电接收装 置6;第二分光棱镜3的分光光路D上设置有所述的第一直角反射棱镜组7、第二直角反射棱 镜组8,第一直角反射棱镜组7、第二直角反射棱镜组8的一端与第一反射镜4、第二反射镜5 固定连接，第一直角反射棱镜组7、第二直角反射棱镜组8的另一端与驱动器13连接，第一直 角反射棱镜组7、第二直角反射棱镜组8的反射光回射到第二分光棱镜3形成分光光路F，第 二分光棱镜3的分光光路F上设有所述的第=分光棱镜9;所述的第一分光棱镜2的分光光路 B上设置第四分光棱镜10,第四分光棱镜10的分光光路e上设置有直角反射镜11，直角反射 镜11的反射光进入第=分光棱镜9,第=分光棱镜9的分光光路G上设有所述的第二光电接 收装置12。
[0065] 所述的激光发射装置1可W发出一定光能量的宽光谱激光，其光谱宽度为Ao~An， Ao 二O.lum，、!二2um。
[0066] 所述的第一分光棱镜2包括直角棱镜1201和直角棱镜11202,直角棱镜1201和直角 棱镜n 202的斜面粘合在一起，且保证彼此相对的直角面平行。该第一分光棱镜2对激光发 射装置1发出的宽光谱激光分成两支光束一一测量光束a和扫描光束b，且两支光束的能量 相等。
[0067] 所述的第二分光棱镜3包括直角棱镜虹301和直角棱镜IV302,直角棱镜虹301和直 角棱镜IV302的斜面粘合在一起，且直角棱镜虹301和直角棱镜IV302相对的直角面平行。该 第二分光棱镜3对测量光束a分成光束C和光束d，且光束C和光束d的能量相等。
[0068] 所述的直角棱镜虹301在其直角面处设有光吸收及漫反射层1304,光吸收及漫反 射层1304在不遮挡光束f的前提下对光束C'进行吸收和漫反射(光束C'由第一反射镜4和第 二反射镜5组成的光学谐振腔产生，在经过第二分光棱镜3分离后出现的），直角棱镜IV302 在直角面处贴有光吸收及漫反射层n 303，光吸收及漫反射层n 303在不遮挡测量光束a的 前提下对光束f'进行吸收和漫反射(光束f'由光束d经过多次反射后由第二分光棱镜3分离 后出现的）。
[0069] 所述的第一反射镜4在靠近第二反射镜5-侧锻履有反射膜;该第一反射镜4在光 谱宽度如~的光束中对光谱宽度、~Aj的波长反射率为90~99%。
[0070] 所述的第二反射镜5在靠近第一反射镜4 一侧锻履有反射膜，该第二反射镜5在光 谱宽度~的光束中对光谱宽度、~Aj的波长反射率为90~99%，所述的、~Aj为0.2~ 0.4皿。
[0071] 所述的第一光电接收装置6用于对波长、~光束的能量进行分析，并计算出第一 反射镜4和第二反射镜5的距离，对波长、~外光束不进行分析和计算；
[0072] 所述的第一直角反射棱镜组7包括一个利用斜面对光产生反射的直角棱镜V701、 N个利用两直角面对光产生反射的标准直角棱镜VI702,该第一直角反射棱镜组7与直角反 射棱镜组8同时对光束d进行多次反射，并在不同的位置把光束d反射回第二分光棱镜3。
[0073] 所述的第二直角反射棱镜组8包括一个利用直角面对光产生反射的小直角棱镜 802、N个利用两直角面对光产生反射的标准直角棱镜W801。所述的小直角棱镜802的直角 面面积是标准直角棱镜VII801直角面面积的0.5倍。该第二直角反射棱镜组8与直角反射棱 镜组7同时对光束d进行多次反射，并在不同的位置把光束d反射回第二分光棱镜3;上述的N
[0074] 所述的第=分光棱镜9包括直角棱镜VDI901和直角棱镜K902,直角棱镜VDI901和直 角棱镜K902的斜面粘合在一起，且彼此相对的直角面平行;所述的直角棱镜K902直角面 处贴有光吸收及漫反射层虹903。第=分光棱镜9对进入其内的光束f和光束e'分成两支重 叠在一起的光束g和光束j，且光束g和光束j的能量相等;光吸收及漫反射层虹903对光束e' 进行吸收和漫反射(光束e'由光束e经直角反射镜11直角面反射后进入第=分光棱镜9分离 后出现的）；
[0075] 所述的第四分光棱镜10由四块同样的直角棱镜X 1001彼此直角面胶合组成的正 方形，其中直角棱镜XlOOl斜面上设有光吸收及漫反射层IV1002,分别吸收扫描光束b经过 分光棱镜组10内部的交界面产生的透射和反射光束，该第四分光棱镜10随被测直线移动物 体一致移动。
[0076] 所述的直角反射镜11，在斜面处对光束可W进行全反射。
[0077] 所述的第二光电接收装置12,用于对不同波长Ao~An的光束能量进行分析，并分析 出光能量最强的波长。
[0078] 所述的驱动器13包括驱动件1301、粘接游动块1302、补偿块1303、固定块1304,所 述的游动块1302和固定块1304分别粘接在驱动件1301的两端，固定块1304与补偿块1303粘 接，补偿块1303与驱动件1301之间留有间隙，补偿块1303与游动块1302分别与第一直角反 射棱镜组7、第二直角反射棱镜组8固定连接。
[0079] 本驱动器13在通电时可伸长，放电时可回到原始长度，收缩时不可使第一反射镜4 与第二反射镜5接触或碰撞，不可使第一直角反射棱镜组7和第二直角反射棱镜组8接触或 碰撞，驱动器13的左端固定，当驱动件1301高频伸缩时，浮动块1302带动第二反射镜5和第 二直角反射棱镜组8持续高频的沿光束C传播方向左右运动，驱动件1301的伸缩量Ah不超 过最小腔长h'的5倍，即Ah含化'，第一反射镜4和第二反射镜5之间的距离与第一直角反射 棱镜组7和第二直角反射棱镜组8之间的距离相等，称为腔长h，h必须大于最小腔长h'。且第 一反射镜4与第一直角反射棱镜组7为固定组不移动，第二反射镜5与第二直角反射棱镜组8 为同步移动组沿光束C方向左右移动。
[0080] 最小腔长h'：为保证第一电接收装置6对激光发射装置1发射的宽光谱光束不同波 长(Ao~An)范围内，扫描时可W测得至少2个波长光强为最大值，通过运2个波长的长度和之 间谱线距离反算出此时的腔长，因此只有在第一反射镜4和第二反射镜5之间的距离h大于 最小腔长h '时可进行测量，
>
[0081 ]光学谐振腔腔长h，为保证测量光学谐振腔腔长，且保证第一光电接收装置6对光 束的扫描识别，腔长h范围为h' <h<1.5 h'。
[0082]本实用新型是利用光学谐振腔(法布里巧罗腔)对波长选择性透过的特性，通过对 透射光波长的分析，可W得到腔长。当腔长变化时，透射波长随之产生变化，接收器检测并 分析透射波长可得出腔长变化量。
[008；3]谐振腔内可接收光谱范围（、~Aj)越窄，波长越长(Al越大），其最小腔长h'越长， 腔长可变化范围AK Ah含5 h'）越大，从而测量范围越大，另外增加第一直角反射棱镜组7 和第二直角反射棱镜组8中的标准直角棱镜数量可W增加测量范围（但过多会影响测量精 度，即谐振腔位移精度与标准直角棱镜数量的乘积大于0.1倍最小波长A〇)。测量范围L为:0 ~10 (2N+1化'，式中N为第一直角反射棱镜组和第二直角反射棱镜组中各自标准直角棱镜 的个数，测量精度S: 0. l*A〇，量程大，跨越量级大，可从nm级跨越至m级。其原理如下：
[0084] 假设光源采用紫外波段(IOOnm~400nm，A〇 =IOOnm, An=400nm)的光谱范围，被测件 相对较慢的速度产生直线位时移进行测量，因此有光能量函数式：
[0085]
[0086]
---干设光的能量相对值，归一化。（测量光束a和扫描光束b两束光 叠加干设后能达到的最强光能量为最大值，最弱光能量为0)
[0087] n-介质折射率，真空或气体中值约为1;
[008引 h-扫描光束A与测量光束B之间的光程差，um;
[0089] Ah广被测物位移产生的光差，um;
[0090] A-波长,um;
[0091] 当扫描光束a与测量光束b之间的光程差相等时，目化=0,能量一波长图像为图11 所示。从图11中可W看出，被测件未产生位移时，当扫描光束a与测量光束b之间的光程差相 等时，波长IOOnm~400nm之间的光能量都为干设能量的最大值。
[0092] 如果使用光功率计归零后测试，则光能量归一化后看其衰减值(损耗值）
[0093]
[0094] 干设光的能量损耗值，DB;
[00M]损耗一波长图像为图12所示。
[0096] 当被测件产生位移X使测量光束b光程产生微小光程变量Ahi=O. Olum=IOnm时 (按系统预设Ahi=O. Uo),此时当扫描光束a再W初始光程来干设时，能量一波长图像为图 13所示。从图13中可W看出，短波长处，尤其在波长0. lum(=100nm)处，干设光能量未达到最 大值，只有90%左右。
[0097] 如果使用光功率计测试，得损耗-波长图像为图14所示。
[0098] 普通功率计精度在-0 . IDB，因此可W明显发现测量光束a和扫描光束b的光程不 同，因此测量位移精度高于0. Uo。而Ao越小测量精度越高。
[0099] 当测量光束a和扫描光束b的光程相等，如图11和图12情况时，第二光电接收装置 12发出信号，此时由第一光电接收装置6记录光学谐振腔的腔长和时间。当物体移动时，使 测量光束b光程产生微小变化，而较快往复运动的驱动器13再次使测量光束a的光程等于扫 描光束b的光程，再记录此时光学谐振腔的腔长和时间，通过前后对照，可得出物体的位移 及随时间变化的情况。
[0100] 当光束C(设波长为IOOnm~400nm)进入由第一反射镜4和第二反射镜5构成的光学 谐振腔中，而光学谐振腔选择性透过较为窄的波长范围（350~400nm)。
[0101] 现今光波测量精度0.04pm，系统取测量精度1pm，即最大光能量波长产生大于Ipm 变化时第一光电接收装置6可测得并分析出。
[0102] 光学谐振腔透射光能量函数式：
[0103]
[0104] 侣化义)_谐振腔透射光能量；
[01化]h-谐振腔腔长值，皿；
[0106] Ah-谐振腔腔长变化值，um;
[0107] 1-光波波长，皿；
[0108] R一谐振腔反射率；
[0109] n-介质折射率，真空或气体中值约为1。
[0110] 由于有最小腔长h'的要求，选择透射光波的波长范围(、~Aj)后即可得出：
[0111]
[0112] 假设谐振腔选择透过波长为380nm~400nm(、=380nm，Aj=400)，贝化' =7.8um，若采 用最小腔长为谐振腔腔长(h'=h)，透射光能量一波长图像为图15所示。
[0113] 注:若腔长在h' <h< 1.5 h'，可通过相邻透射光波长(入1，入2)得出腔长值。
[0114]
[0115] 当腔长有变化值(Ah)时，透射光波长产生变化，假设腔长增加 Inm，则前后对比透 射波长漂移图像如图16所示。对其图像峰值捕捉得变化前的谱线Pl和变化后的谱线P2的峰 值波长分别为图像图17、图18所示。
[0116] 由图17、图18可得出当谐振腔长增加 Ium时，透射光中屯、波长漂移0 . OOOOSum= 0.05nm=50pm，远大于系统所取的测量精度1pm，系统足W测得。
[0117] 当Ah = S h '时，此时为系统所设定的腔长最大h= h ' + Ah=6 h ' =6 X 7 . Sum= 46.8皿，透过谐振腔的能量-波长图像为图19所示。
[0118] 此时通过相邻波峰中屯、波长之间距离誉为0.0 Ol皿=lnm=1000pm> 1pm，
[0119] 注:理论上谐振腔长仍可W继续扩大，但实际中由于谐振腔过长难W保证两平面 反射镜反射面平行，因此系统取保守值(Ah=S h'）。
[0120] 腔长变化值为Ah=S h'，因此驱动器13伸长值应等于5 h'，驱动器同步带动第二 直角反射掠镜纽8族动相对笠一官值巧射掠镜纽7有5 h'的位移变化，因此量程L为：
[0121]
[0122] 2N-标准直角棱镜VI702和标准直角棱镜VII801的总数量，
[0123] h'一谐振腔最小腔长，
[0124] 由量程公式得，当N的数量增加时，系统测量范围L等比例增加，最小腔长值h'越大 则测量范围L越大。
[0125] 本实用新型的测量原理：
[0126] 当光线由激光发射装置1发射由第一分光棱镜2分开后，分为测量光束a和扫描光 束b，其中测量光束a经过第二分光棱镜3后分成光束C和光束d，光束C进入由第一反射镜4和 第二反射镜5组成的光学谐振腔，光束C经过谐振多次反射后透射到第一光电接收装置6,得 出第一反射镜4和第二反射镜5之间的距离。光束d进入第一直角反射棱镜组7和第二直角反 射棱镜组8,经过多次反射后回到第二分光棱镜3后变为光束f，光束f经过第=分光棱镜9后 变为光束g。扫描光束b经过第四分光棱镜组10后变为光束e，光束e经过直角反射镜11后再 进入第=分光棱镜9变为光束j，此时光束g和光束j产生的干设图谱的波长和中屯、光能量由 第二光电接收装置12进行接收和处理，并分析和绘制光能量的变化图。
[0127] ①当被测件未移动时，第四分光棱镜组10与被测件相接处，系统未开启时，第二反 射镜5和第二直角反射棱镜组8相对于第一反射镜4和第一角反射棱镜组7之间的距离为h。 系统开启后，驱动器13开始沿光路方向高频伸缩变化，使第二反射镜5和第二直角反射棱镜 组8相对于第一反射镜4和第一直角反射棱镜组7之间的距离产生Ah的变化，即距离变为h+ Aho
[0128] 当光线由激光发射装置1发射由第一分光棱镜2分开后，分为测量光束a和扫描光 束b，测量光束a、扫描光束b经过一系列传播最后分别变为光束g和光束j经过的光程相当 时，激光发射装置1发出的所有光谱Ao~An在第二光电接收装置12显示为光束g和光束j产生 干设光能量最强值，即所有波长的光能量都为最强，此时记录第一光电接收装置6给出的第 一反射镜4和第二反射镜5的距离h"。
[0129] ②当第四分光棱镜组10随被测物体沿扫描光束b传播方向移动距离X时，驱动器13 持续高频伸缩，总能使得由激光发射装置1发出的激光经第一分光棱镜2分开后的2束光线 最后到达第二光电接收装置12的光程相等，使第二光电接收装置12显示为光束g和光束j产 生干设光能量最强值，记录此时第一光电接收装置6给出的第一射镜4和第二反射镜5的距 离h"+Ah"，此时2x=2 X (2N+1) X Ah"，N为第一直角反射棱镜组和第二直角反射棱镜组中 各自标准直角棱镜的个数。通过腔长变化Ah"计算出被测物位移X。
【主权项】
1. 一种高精度大量程激光位移测量装置，其特征在于:包括激光发射装置（1)、第一分 光棱镜(2)、第二分光棱镜(3)、第三分光棱镜(9)、第四分光棱镜(10)、第一反射镜(4)、第二 反射镜(5)、第一直角反射棱镜组(7)、第二直角反射棱镜组(8)、第一光电接收装置(6)、第 二光电接收装置(12)、驱动器(13);其中： 所述的激光发射装置（1)发射出的激光光路上设置第一分光棱镜（2)，第一分光棱镜 (2)的分光光路包括分光光路A、分光光路B;所述的分光光路A上设置第二分光棱镜(3)，第 二分光棱镜(3)的分光光路包括分光光路C、分光光路D;所述的分光光路C上设有光学谐振 腔，该光学谐振腔由第一反射镜(4)、第二反射镜(5)构成;光学谐振腔之后设置有所述的第 一光电接收装置(6);第二分光棱镜(3)的分光光路D上设置有所述的第一直角反射棱镜组 (7 )、第二直角反射棱镜组(8 )，第一直角反射棱镜组(7 )、第二直角反射棱镜组(8 )的一端与 第一反射镜(4)、第二反射镜(5)固定连接，第一直角反射棱镜组(7)、第二直角反射棱镜组 (8)的另一端与驱动器（13)连接，第一直角反射棱镜组(7)、第二直角反射棱镜组(8)的反射 光回射到第二分光棱镜(3)形成分光光路F，第二分光棱镜(3)的分光光路F上设有所述的第 三分光棱镜(9);所述的第一分光棱镜(2)的分光光路B上设置第四分光棱镜（10)，第四分光 棱镜（10)的分光光路E上设置有直角反射镜（11 )，直角反射镜（11)的反射光进入第三分光 棱镜(9)，第三分光棱镜(9)的分光光路G上设有所述的第二光电接收装置(12);所述的驱动 器（13)包括驱动件（1301)、粘接游动块（1302)、补偿块（1303)、固定块（1304)，所述的游动 块（1302)和固定块（1304)分别粘接在驱动件（1301)的两端，固定块（1304)与补偿块（1303) 粘接，补偿块（1303)与驱动件（1301)之间留有间隙，补偿块（1303)与游动块（1302)分别与 第一直角反射棱镜组(7)、第二直角反射棱镜组(8)固定连接。2. 根据权利要求1所述的高精度大量程激光位移测量装置，其特征在于:所述的第一分 光棱镜（2)包括直角棱镜1(201)和直角棱镜Π (202)，直角棱镜1(201)和直角棱镜Π (202) 的斜面粘合在一起;所述的第二分光棱镜(3)包括直角棱镜ΠΚ301)和直角棱镜IV(302)，直 角棱镜ΠΚ301)和直角棱镜IV(302)的斜面粘合在一起，且直角棱镜ΠΚ301)和直角棱镜IV (302)相对的直角面平行。3. 根据权利要求2所述的高精度大量程激光位移测量装置，其特征在于:所述的直角棱 镜ΠΚ301)在其直角面处设有光吸收及漫反射层1(304)，直角棱镜IV(302)在直角面处设有 光吸收及漫反射层Π ( 303)。4. 根据权利要求1所述的高精度大量程激光位移测量装置，其特征在于:所述的第一反 射镜(4)在靠近第二反射镜(5)-侧镀履有反射膜;所述的第二反射镜(5)在靠近第一反射 镜(4) 一侧镀履有反射膜。5. 根据权利要求4所述的高精度大量程激光位移测量装置，其特征在于:所述的激光发 射装置（1)的光谱宽度为λ〇~λη;所述的第一反射镜(4)在光谱宽度λ〇~/"的光束中对光谱 宽度λ?~λ」的波长反射率为90~99%;所述的第二反射镜(5)在光谱宽度λ〇~λ η的光束中对 光谱宽度λ?~λ」的波长反射率为90~99%。6. 根据权利要求5所述的高精度大量程激光位移测量装置，其特征在于:所述的第一光 电接收装置(6)用于对波长光束的能量进行分析，并计算出第一反射镜(4)和第二反 射镜(5)的距离;所述的第二光电接收装置，用于对不同波长λ〇~λ η的光束能量进行分析，并 分析出光能量最强的波长。7. 根据权利要求1所述的高精度大量程激光位移测量装置，其特征在于:所述的第一直 角反射棱镜组(7)包括一个利用斜面对光产生反射的直角棱镜V(701)，多个利用两直角面 对光产生反射的标准直角棱镜VI( 702);所述的第二直角反射棱镜组(8)包括一个利用直角 面对光产生反射的小直角棱镜(802)、多个利用两直角面对光产生反射的标准直角棱镜VII (801)〇8. 根据权利要求7所述的高精度大量程激光位移测量装置，其特征在于:所述的小直角 棱镜(802)的直角面面积是标准直角棱镜W(801)直角面面积的0.3~0.8倍。9. 根据权利要求1所述的高精度大量程激光位移测量装置，其特征在于:所述的第三分 光棱镜（9)包括直角棱镜ΥΠΚ901)和直角棱镜Κ(902)，直角棱镜ΥΠΚ901)和直角棱镜IX (902)的斜面粘合在一起，且彼此相对的直角面平行;所述的直角棱镜Κ(902)直角面处设 有光吸收及漫反射层ΠΚ 903)。10. 根据权利要求1至9任一权利要求所述的高精度大量程激光位移测量装置，其特征 在于:所述的第四分光棱镜（10)由四块同样的直角棱镜X(lOOl)彼此直角面胶合组成的正 方形，其中直角棱镜X( 1001)斜面上设有光吸收及漫反射层IV( 1002)，该第四分光棱镜 (10)随被测直线移动物体一起移动。
【专利摘要】一种高精度大量程激光位移测量装置，涉及一种位移测量装置，在激光发射装置的光路上设置第一分光棱镜，第一分光棱镜的分光光路A上设置第二分光棱镜，第二分光棱镜的分光光路C上设有光学谐振腔、第一光电接收装置；分光光路D上设置第一、二直角反射棱镜组，该反射棱镜组的一端与第一、二反射镜连接，另一端与驱动器连接，其反射光回到第二分光棱镜形成分光光路F，分光光路F上设有第三分光棱镜；分光光路B上设置第四分光棱镜，第四分光棱镜的分光光路E上设置直角反射镜，其反射光进入第三分光棱镜，第三分光棱镜的分光光路G上设置第二光电接收装置。本实用新型的测量精度高，量程大，可从nm级跨越至m级，还可大大提高系统的响应时间。
【IPC分类】G01P3/36, G01B11/02, G01H9/00
【公开号】CN205383991
【申请号】CN201620076875
【发明人】林澎, 孙荣敏, 杨灵敏, 于瑛, 傅胜华, 黄艳, 韦家见, 张禹, 潘俊, 卢灿
【申请人】广西科技大学鹿山学院
【公开日】2016年7月13日
【申请日】2016年1月27日