專利名稱：一種能量天平可動互感線圈的位移測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光精密測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種能量天平可動互感線圈的位移
測量裝置。
背景技術(shù)：
能量天平裝置的線圈系統(tǒng)包括固定互感線圈，可動互感線圈。固定互感線圈安裝 在穩(wěn)定隔振平臺上，產(chǎn)生均勻徑向磁場?？蓜踊ジ芯€圈為環(huán)形，由三個支撐桿連接后通過掛 鉤掛在天平橫梁的一端，其內(nèi)外徑分別為200mm和280mm，可動互感線圈通電后，在均勻徑 向磁場的作用下產(chǎn)生與天平橫梁另一端標準砝碼相平衡的電磁力?？蓜踊ジ芯€圈在豎直方向的20mm行程范圍內(nèi)上下移動，要求實現(xiàn)線圈質(zhì)心在幾 個不同位置的精密定位到零點幾納米?？蓜踊ジ芯€圈為圓環(huán)，固定互感線圈占據(jù)了可動互 感線圈的質(zhì)心位置，因此，無法直接對可移動互感線圈的質(zhì)心位置進行位移測量及精密定 位；同時，環(huán)形可動互感線圈在豎直方向上下運動時可能會有輕微的側(cè)向晃動，為了給可動 互感線圈的側(cè)向晃動對系統(tǒng)性能的影響提供反饋信息，要求位移測量系統(tǒng)同時能實現(xiàn)可動 互感線圈平面的姿態(tài)測量。雙頻激光外差干涉儀的輸出信號為交流信號，具有信號噪聲小、抗環(huán)境干擾、可溯 源、允許光源多通道復用和分辨率高、測量范圍大的特點，通過與不同的附件組合，可分別 實現(xiàn)位移、角度、平面度、直線度和垂直度等不同幾何參量的測量，但無法同時實現(xiàn)能量天 平裝置中可動互感線圈質(zhì)心的位移測量、精密定位以及線圈平面的姿態(tài)測量。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種能量天平可動互感線 圈的位移測量裝置，能夠同時實現(xiàn)能量天平可動互感線圈質(zhì)心的位移測量、精密定位以及 線圈平面的姿態(tài)測量，具有可多通道復用、信號噪聲小的特點。為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種能量天平可動互感線圈的位移測量裝置，包括一個縱向塞曼雙頻激光頭1，在 縱向塞曼雙頻激光頭1的激光束輸出方向上配置有第一分束器2，在第一分束器2的反射光 束方向配置有光束轉(zhuǎn)折器4，在第一分束器2的透射光束方向配置有第二分束器3。所述的第二分束器3的透射光束方向上配置有第一偏振分光棱鏡5，在光束轉(zhuǎn)折 器4的反射光束方向上配置有第二偏振分光棱鏡6，在第二分束器3的反射光束方向上配置 有第三偏振分光棱鏡7，第一偏振分光棱鏡5、第二偏振分光棱鏡6分別放置在隔振平臺的 水平基座上，第三偏振分光棱鏡7固定于第二分束器3的豎直上方。所述的第一偏振分光棱鏡5、第二偏振分光棱鏡6的透射光束方向分別配置有第 一參考角錐棱鏡8、第二參考角錐棱鏡9，第三偏振分光棱鏡7的反射光束方向配置有第三 參考角錐棱鏡10，第一參考角錐棱鏡8、第二參考角錐棱鏡9、第三參考角錐棱鏡10分別固 定在第一偏振分光棱鏡5、第二偏振分光棱鏡6、第三偏振分光棱鏡7上。
所述的第一偏振分光棱鏡5、第二偏振分光棱鏡6的反射光束方向分別配置有第 一測量角錐棱鏡11、第二測量角錐棱鏡12，第三偏振分光棱鏡7的透射光束方向配置有第 三測量角錐棱鏡13，第一測量角錐棱鏡11、第二測量角錐棱鏡12、第三測量角錐棱鏡13內(nèi) 嵌于能量天平可移動互感線圈17骨架內(nèi)。所述的第一偏振分光棱鏡5、第二偏振分光棱鏡6、第三偏振分光棱鏡7的反射光 束和透射光束的匯合方向分別配置有第一光接收器14、第二光接收器15、第三光接收器 16，第一光接收器14、第二光接收器15、第三光接收器16的光探頭通過傳輸光纖分別和相 應(yīng)放大信號處理器相連。所述的第一分束器2、第二分束器3的能量分束比分別為33%和50%。所述的第一偏振分光棱鏡5、第二偏振分光棱鏡6、第三偏振分光棱鏡7的中心在 水平基座的投影組成等邊三角形的頂點。所述的第一測量角錐棱鏡11、第二測量角錐棱鏡12、第三測量角錐棱鏡13的中心 與第一偏振分光棱鏡5、第二偏振分光棱鏡6、第三偏振分光棱鏡7的中心在豎直方向一一 對應(yīng)。本發(fā)明的工作原理為通過兩個不同能量透射比的第一分束器2、第二分束器3和一個光束轉(zhuǎn)折器4將縱 向塞曼雙頻激光頭1輸出的激光光束分成三束光能量相等的透射光束、反射轉(zhuǎn)向平移光束 和反射光束，該三路激光光束均為正交偏振光束，分別垂直于光束的傳播方向，用作能量天 平互感線圈位移測量的激光外差光源，第一偏振分光棱鏡5、第一參考角錐棱鏡8、第一測 量角錐棱鏡11構(gòu)成外差干涉測量光路A ；第二偏振分光棱鏡6、第二參考角錐棱鏡9、第二 測量角錐棱鏡12構(gòu)成外差干涉測量光路B ；第三偏振分光棱鏡7、第三參考角錐棱鏡10、第 三測量角錐棱鏡13構(gòu)成外差干涉測量光路C，當配置有第一測量角錐棱鏡11、第二測量角 錐棱鏡12、第三測量角錐棱鏡13的可移動互感線圈在豎直方向移動時，由于多普勒效應(yīng)， 從三路測量角錐棱鏡返回的光束的光頻發(fā)生變化，第一光接收器14、第二光接收器15、第 三光接收器16分別接收跟隨可移動互感線圈位移變化的外差拍頻信號，通過三路外差干 涉測量光路的位移獲得可動互感線圈質(zhì)心的位移，實現(xiàn)互感線圈平面的精密定位和姿態(tài)測 量。由于本發(fā)明采用雙頻激光器作光源，故而噪聲小、抗干擾，可溯源和允許多通道復 用；由于采用分束器和光束轉(zhuǎn)折器將雙頻激光器的激光光束能量三等分和光束轉(zhuǎn)向，實現(xiàn) 了多通道復用外差干涉空間測量；基于雙頻激光外差干涉結(jié)構(gòu)的三路測量沿豎直方向并聯(lián) 布置，測量角錐棱鏡中心在XOY水平平面投影呈等邊三角形對稱分布，用三點對稱法分布 實現(xiàn)可移動互感線圈質(zhì)心的位移測量及精密定位；多通道復用技術(shù)與三點對稱分布法的結(jié) 合實現(xiàn)了可移動互感線圈平面的姿態(tài)測量。該裝置在空氣環(huán)境中測量時，其行程范圍可達 數(shù)十毫米，位移測量不確定度達10_8量級，可實際應(yīng)用于能量天平中可移動互感線圈的位 移測量、精密定位以及互感線圈平面的姿態(tài)測量。


附圖為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。一種能量天平可動互感線圈的位移測量裝置，包括一個縱向塞曼雙頻激光頭1，雙 頻激光頭1內(nèi)置1/4波片，輸出振動方向互相垂直的正交線偏振光，該雙頻激光頭1內(nèi)同時 輸出參考光信號，在縱向塞曼雙頻激光頭1的激光束輸出方向上配置有30%第一分束器2， 將激光頭1輸出的激光束分成反射光束和透射光束，功率比為1 2;通過第一分束器2的 透射光束沿激光頭輸出的光束方向，在第一分束器2的透射光束方向配置有50%第二分束 器3，第二分束器3將透射光束分成透射光束和反射光束，功率比為1 1;透射光束沿著激 光頭輸出的光束方向，反射光束在豎直平面垂直于激光頭輸出的光束方向；在第一分束器 2的反射光束方向上配置有將光束方向轉(zhuǎn)折90°的光束轉(zhuǎn)折器4，通過第一分束器2的反射 光束經(jīng)光束轉(zhuǎn)折器4后輸出反射轉(zhuǎn)折平移光束，反射轉(zhuǎn)向平移光束與激光頭輸出的光束方 向一致但有平移距離。所述的第二分束器3的透射光束方向上配置有第一偏振分光棱鏡5，在光束轉(zhuǎn)折 器4的反射光束方向上配置有第二偏振分光棱鏡6，在第二分束器3的反射光束方向上配置 有第三偏振分光棱鏡7，第一偏振分光棱鏡5、第二偏振分光棱鏡6分別固定放置在隔振平 臺的水平基座上，第三偏振分光棱鏡7固定于第二分束器3的豎直上方。所述的第一偏振分光棱鏡5、第二偏振分光棱鏡6的透射光束方向分別配置有第 一參考角錐棱鏡8、第二參考角錐棱鏡9，第三偏振分光棱鏡7的反射光束方向配置有第三 參考角錐棱鏡10，第一參考角錐棱鏡8、第二參考角錐棱鏡9、第三參考角錐棱鏡10分別固 定在第一偏振分光棱鏡5、第二偏振分光棱鏡6、第三偏振分光棱鏡7上。所述的第一偏振分光棱鏡5、第二偏振分光棱鏡6的反射光束方向分別配置有第 一測量角錐棱鏡11、第二測量角錐棱鏡12，第三偏振分光棱鏡7的透射光束方向配置有第 三測量角錐棱鏡13，第一測量角錐棱鏡11、第二測量角錐棱鏡12、第三測量角錐棱鏡13內(nèi) 嵌于能量天平可移動互感線圈17骨架內(nèi)。所述的第一偏振分光棱鏡5、第二偏振分光棱鏡6、第三偏振分光棱鏡7的反射光 束和透射光束的匯合方向分別配置有第一光接收器14、第二光接收器15、第三光接收器 16，第一光接收器14、第二光接收器15、第三光接收器16的光探頭通過傳輸光纖分別和相 應(yīng)放大信號處理器相連。所述的第一分束器2、第二分束器3的能量分束比分別為33%和50%。所述的第一偏振分光棱鏡5、第二偏振分光棱鏡6、第三偏振分光棱鏡7的中心在 水平基座的投影組成等邊三角形的頂點。所述的第一測量角錐棱鏡11、第二測量角錐棱鏡12、第三測量角錐棱鏡13的中心 與第一偏振分光棱鏡5、第二偏振分光棱鏡6、第三偏振分光棱鏡7的中心在豎直方向一一 對應(yīng)。本發(fā)明的工作原理為能量天平裝置的坐標原點0設(shè)在可移動線圈質(zhì)心的初始位置，X軸表示激光頭的 光束出射方向，Y軸表示為在可移動線圈平面內(nèi)垂直于激光頭的出射方向，Z軸表示為垂直 于可移動線圈平面的豎直運動方向，通過第一分束器2、第二分束器3和一個光束轉(zhuǎn)折器4 將雙頻激光頭1輸出的激光光束分成三束功率相等的透射光束、反射轉(zhuǎn)向平移光束和反射光束，該三路激光光束均為正交偏振光束，分別垂直于光束的傳播方向，用作能量天平互感 線圈位移測量的激光外差光源，第一偏振分光棱鏡5、第一參考角錐棱鏡8、第一測量角錐 棱鏡11構(gòu)成外差干涉測量光路A ；第二偏振分光棱鏡6、第二參考角錐棱鏡9、第二測量角 錐棱鏡12構(gòu)成外差干涉測量光路B ；第三偏振分光棱鏡7、第三參考角錐棱鏡10、第三測量 角錐棱鏡13構(gòu)成外差干涉測量光路C。外差干涉測量光路A 正交偏振透射光束入射到第一偏振分光棱鏡5后透射和反 射，透射光束在XOZ平面水平偏振，入射到第一參考角錐棱鏡8后返回，反射光束垂直于XOZ 平面，入射到第一測量角錐棱鏡11后返回，經(jīng)第一參考角錐棱鏡8返回的透射光束和經(jīng)第 一測量角錐棱鏡11返回的反射光束在第一偏振分光棱鏡5處匯合后，由第一光接收器14 的光探頭接收。外差干涉測量光路B 正交偏振反射轉(zhuǎn)向平移光束入射到第二偏振分光棱鏡6后 透射和反射，透射光束在XOZ平面水平偏振，入射到第二參考角錐棱鏡9后返回，反射光束 垂直于XOZ平面，入射到第二測量角錐棱鏡12后返回，經(jīng)第二參考角錐棱鏡9返回的透射 光束和經(jīng)第二測量角錐棱鏡12返回的反射光束在偏振分光棱鏡6處匯合后，由光接收器15 的光探頭接收。外差干涉測量光路C 正交偏振反射光束入射到第三偏振分光棱鏡7后透射和反 射，透射光束在XOZ平面水平偏振，入射到第三測量角錐棱鏡13后返回，反射光束垂直于 XOZ平面，入射到第三參考角錐棱鏡10后返回，經(jīng)第三參考角錐棱鏡10返回的反射光束和 經(jīng)第三測量角錐棱鏡13返回的透射光束在偏振分光棱鏡7處匯合后，由光接收器16的光 探頭接收。當配置有第一測量角錐棱鏡11、第二測量角錐棱鏡12、第三測量角錐棱鏡13的可 移動互感線圈17在豎直方向移動時，由于多普勒效應(yīng)，從三路測量角錐棱鏡返回的光束的 光頻發(fā)生變化，第一光接收器14、第二光接收器15、第三光接收器16分別接收跟隨可移動 互感線圈位移變化的外差拍頻信號。附圖中1為雙頻激光頭；2為第一分束器；3為第二分束器；4為光束轉(zhuǎn)折器；5、6、 7為第一、第二和第三偏振分光棱鏡；8、9、10為第一、第二和第三參考角錐棱鏡；11、12、13 為第一、第二和第三測量角錐棱鏡；14、15、16為第一、第二和第三光接收器；17為可移動互 感線圈；0為坐標系原點；X表示激光頭的光束出射方向；Y表示為在可移動線圈平面內(nèi)垂 直于激光頭的出射方向；Z表示為垂直于可移動線圈平面的豎直運動方向。
權(quán)利要求
一種能量天平可動互感線圈的位移測量裝置，包括一個縱向塞曼雙頻激光頭(1)，其特征在于在縱向塞曼雙頻激光頭(1)的激光束輸出方向上配置有第一分束器(2)，在第一分束器(2)的反射光束方向配置有光束轉(zhuǎn)折器(4)，在第一分束器(2)的透射光束方向配置有第二分束器(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種能量天平可動互感線圈的位移測量裝置，其特征在于 所述的第二分束器(3)的透射光束方向上配置有第一偏振分光棱鏡(5)，在光束轉(zhuǎn)折器(4) 的反射光束方向上配置有第二偏振分光棱鏡(6)，在第二分束器(3)的反射光束方向上配 置有第三偏振分光棱鏡(7)，第一偏振分光棱鏡(5)、第二偏振分光棱鏡(6)分別放置在隔 振平臺的水平基座上，第三偏振分光棱鏡7固定于第二分束器(3)的豎直上方。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種能量天平可動互感線圈的位移測量裝置，其特征在于 所述的第一偏振分光棱鏡(5)、第二偏振分光棱鏡(6)的透射光束方向分別配置有第一參 考角錐棱鏡(8)、第二參考角錐棱鏡(9)，第三偏振分光棱鏡(7)的反射光束方向配置有第 三參考角錐棱鏡(10)，第一參考角錐棱鏡(8)、第二參考角錐棱鏡(9)、第三參考角錐棱鏡 (10)分別固定在第一偏振分光棱鏡(5)、第二偏振分光棱鏡(6)、第三偏振分光棱鏡(7)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種能量天平可動互感線圈的位移測量裝置，其特征在于 所述的第一偏振分光棱鏡(5)、第二偏振分光棱鏡(6)的反射光束方向分別配置有第一測 量角錐棱鏡(11)、第二測量角錐棱鏡(12)，第三偏振分光棱鏡(7)的透射光束方向配置有 第三測量角錐棱鏡(13)，第一測量角錐棱鏡(11)、第二測量角錐棱鏡(12)、第三測量角錐 棱鏡(13)內(nèi)嵌于能量天平可移動互感線圈(17)骨架內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種能量天平可動互感線圈的位移測量裝置，其特征在于 所述的第一偏振分光棱鏡(5)、第二偏振分光棱鏡(6)、第三偏振分光棱鏡(7)的反射光束 和透射光束的匯合方向分別配置有第一光接收器(14)、第二光接收器(15)、第三光接收器 (16)，第一光接收器(14)、第二光接收器(15)、第三光接收器(16)的光接收探頭通過傳輸 光纖分別和相應(yīng)放大信號處理器相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種能量天平可動互感線圈的位移測量裝置，其特征在于 所述的第一分束器(2)、第二分束器(3)的能量分束比分別為33%和50%。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種能量天平可動互感線圈的位移測量裝置，其特征在于 所述的第一偏振分光棱鏡(5)、第二偏振分光棱鏡(6)、第三偏振分光棱鏡(7)的中心在水 平基座的投影組成等邊三角形的頂點。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種能量天平可動互感線圈的位移測量裝置，其特征在于 所述的第一測量角錐棱鏡(11)、第二測量角錐棱鏡(12)、第三測量角錐棱鏡(13)的中心與 第一偏振分光棱鏡(5)、第二偏振分光棱鏡(6)、第三偏振分光棱鏡(7)的中心在豎直方向 --對應(yīng)。
全文摘要
一種能量天平可動互感線圈的位移測量裝置，包括一個雙頻激光頭，在雙頻激光頭的激光束輸出方向上配置有第一分束器，在第一分束器的反射光束方向配置有光束轉(zhuǎn)折器，在第一分束器的透射光束方向配置有第二分束器，第二分束器的透射、反射光束方向上配置有偏振分光棱鏡，偏振分光棱鏡的透射、反射光束方向配置角錐棱鏡，偏振分光棱鏡的反射、透射光束的匯合方向配置有光接收器，通過兩個不同能量透射比的分束器和光束轉(zhuǎn)折器將雙頻激光頭輸出的激光光束分成三束光能量相等的透射、反射轉(zhuǎn)向平移和反射光束，且為分別垂直于光束的傳播方向的正交偏振光，三路外差干涉測量光路的位移獲得可動互感線圈質(zhì)心的位移，本發(fā)明具有可多通道復用、信號噪聲小的特點。
文檔編號G01B11/02GK101907443SQ201010207378
公開日2010年12月8日 申請日期2010年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月23日
發(fā)明者劉振, 張麗瓊, 張繼濤, 李巖 申請人:清華大學