應(yīng)用解讀：皮米精度激光干涉儀如何實(shí)現(xiàn)高精度實(shí)時(shí)位移反饋？

    “坐標(biāo)”這個(gè)概念源于解析幾何，其基本思想是構(gòu)建坐標(biāo)系，將點(diǎn)與實(shí)數(shù)起來(lái)，進(jìn)而可以將平面上的曲線用代數(shù)方程表示。坐標(biāo)的概念應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中解決了大量實(shí)際問(wèn)題，例如，坐標(biāo)測(cè)量機(jī)可采集被測(cè)工件表面上的被測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)值，并投射到空間坐標(biāo)系中，構(gòu)建工件的空間模型等諸多案例。

    坐標(biāo)測(cè)量機(jī)還被用于產(chǎn)品質(zhì)量控制，測(cè)量磨損，制造精度，產(chǎn)品形貌，對(duì)稱性，角度等工業(yè)產(chǎn)品參數(shù)，因此需要非常高的移動(dòng)精度，才能確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。德國(guó)attocube公司推出的IDS3010皮米精度位移測(cè)量激光干涉儀就是輔助坐標(biāo)測(cè)量機(jī)提高測(cè)量精度的有力手段。

圖1   皮米精度位移測(cè)量激光干涉儀IDS3010

IDS3010皮米精度位移測(cè)量激光干涉儀是如何幫助坐標(biāo)測(cè)量機(jī)實(shí)現(xiàn)高精度的呢？

圖2 IDS3010激光干涉儀集成到坐標(biāo)測(cè)量機(jī)探測(cè)臂上

    通常坐標(biāo)測(cè)量機(jī)要求探測(cè)臂位移精度高于1微米，現(xiàn)在坐標(biāo)測(cè)量機(jī)位移反饋大多是通過(guò)玻璃分劃尺來(lái)實(shí)現(xiàn)的。玻璃分劃尺是常用的種位置測(cè)量的方法，分劃尺在坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上位于龍門處，般情況下，采用玻璃分劃尺探測(cè)的不是探測(cè)臂本身，而是坐標(biāo)測(cè)量機(jī)龍門處的位置變化。實(shí)際上， 坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的探測(cè)臂與龍門之間有定長(zhǎng)度的距離，它們的位置變化會(huì)因存在例如振動(dòng)、位置差等而有所不同，因此只憑借龍門處位置變化來(lái)判斷真實(shí)的位移反饋是不準(zhǔn)確的，影響到實(shí)際樣品的測(cè)量精度。

圖3 IDS3010激光干涉儀集成到坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上。

坐標(biāo)測(cè)量機(jī)通過(guò)干涉儀探頭的配合，可反饋探測(cè)臂的位移。

    德國(guó)attocube公司的IDS3010皮米精度位移測(cè)量激光干涉儀通過(guò)非接觸式方法測(cè)量，可以直接測(cè)量探測(cè)臂的運(yùn)動(dòng)，避免龍門處探測(cè)誤差，實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。如圖3，激光探頭位于坐標(biāo)測(cè)量機(jī)側(cè)邊，M12/C7.6激光探頭出射的激光可以被探測(cè)臂上的反射鏡（直徑3mm）反射回激光探頭，IDS3010干涉儀通過(guò)分析干涉信號(hào)從而進(jìn)行位置測(cè)量。探測(cè)臂能夠移動(dòng)0.8米距離，移動(dòng)精度達(dá)到10微米。干涉儀能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量該探測(cè)臂的位移以及振動(dòng)等信息。

圖4 IDS3010實(shí)時(shí)位置測(cè)量軟件WAVE測(cè)量數(shù)據(jù)。
擴(kuò)展圖為中間區(qū)域的數(shù)據(jù)放大。

    IDS3010配置的軟件WAVE可以實(shí)時(shí)觀測(cè)與保存測(cè)量數(shù)據(jù)。如圖4，坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)被測(cè)量并記錄。圖中所示，前15秒與zui終10秒間的數(shù)據(jù)是0.8m距離的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。中間時(shí)間的數(shù)據(jù)看似沒有變化，但通過(guò)WAVE軟件的放大功能，我們發(fā)現(xiàn)中間時(shí)間的探測(cè)臂其實(shí)進(jìn)行了10微米的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，通過(guò)WAVE軟件我們也可以觀測(cè)到步進(jìn)運(yùn)動(dòng)的詳細(xì)變化過(guò)程。每個(gè)步進(jìn)大約2秒，在運(yùn)動(dòng)初始的時(shí)候位移有超過(guò)，在大約0.4秒的短時(shí)間內(nèi)位移被調(diào)整為10微米的步進(jìn)長(zhǎng)度。而在步進(jìn)的末尾，也有小幅的位置噪音，該噪音般是由于振動(dòng)引入。這對(duì)于探測(cè)樣品位移以及振動(dòng)信息具有重大意義。

IDS3010技術(shù)點(diǎn)：

    IDS3010皮米精度位移測(cè)量激光干涉儀具有體積小、適合集成到工業(yè)應(yīng)用與同步輻射應(yīng)用中的點(diǎn)，同時(shí)，測(cè)量精度高，分辨率高達(dá)1 pm，是適合工業(yè)集成與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫對(duì)接的理想產(chǎn)品。除與坐標(biāo)測(cè)量機(jī)結(jié)合使用外，在工業(yè)中的其他應(yīng)用實(shí)例也非常廣泛，包括閉環(huán)位移反饋系統(tǒng)搭建、振動(dòng)測(cè)量、軸承誤差測(cè)量等等。

+ 測(cè)量精度高，分辨率高達(dá)1 pm

+ 測(cè)量速度快，采樣帶寬10MHz

+ 樣品zui大移動(dòng)速度 2m/s

+ 光纖式激光探頭尺寸小，靈活性高

+ 兼容超高真空，低溫，強(qiáng)輻射等環(huán)境

+ 其可靠與穩(wěn)定

+ 環(huán)境補(bǔ)償單元，不同濕度、壓力環(huán)境中校正反射率參數(shù)提高測(cè)量精度

+ 多功能實(shí)時(shí)測(cè)量界面，包含HSSL、AquadB、CANopen、Profibus、EtherCAT、Biss-C等界面