Attocube激光干涉多轴测量原理 基于IDS3010
基于IDS干涉仪的变速箱带载测试系统运动误差测量分析
电机工程行业的各类器件需要做大量机械特性测试，比如减速器/齿轮箱需要测试长期平滑性、同步、空回、扭力刚性、摩擦学特性，以及弹性恢复力[1][2]。专业测试实验室会配备各种评测系统，在近工况条件下对齿轮进行各种测试分析。除了需要对量产产品不断进行质量检查，还需要测试新开发的原型产品，以研究和确保产品特性符合要求。
WITTENSTEIN alpha是WITTENSTEIN SE集团的战略业务部门，专门负责高精度应用中的机械与机电伺服驱动系统的开发与生产。该部门的测试部配备了专门的齿轮评测系统，系统使用attocube光纤化干涉仪IDS3010来测量垂直方向直线运动，分辨率达到皮秒级，实时输出带宽达到10MHz。
装置介绍
该测试系统包含一个400kg负载做垂直运动，负载由WITTENSTEIN alpha的一套伺服电机-变速箱-齿轮齿条系统驱动。系统内置了一套传统玻璃光栅尺作为主反馈传感器。由于玻璃光栅尺的精度不足，安装自由度受限，且难以检测高频振动，最初制作的装置无法采集项目所需的所有数据。为了更深入地研究变速箱的特性，测试工程师需要一个更精密的测试系统，而且需要能方便地集成到测试装置中。
最终，为了获得更高精度的位移数据，IDS3010被选中并成功实现集成。IDS传感头尺寸紧凑，采用模块化设计，并且采用光纤传输，使得整个装置能够快速安装和调整。只用了不到两个小时的时间，IDS干涉仪就完成了安装和调整，并能在整个0.747米工作范围内测量位移。图1显示了该套系统的基本构成，回射器（角锥）作为标靶安装在400kg负载的底面，M12/C7.6准直探头安装在固定端。IDS3010这里输出Sin/Cos模拟信号，带宽设为1MHz。
图1 变速箱带载测试系统
图2 变速箱带载位移测量曲线 (a) IDS3010测得的位置曲线 (b)将a曲线的局部放大160000倍得到的曲线，侧面验证了干涉仪测量的高精度 (c) 根据a的位移曲线得到的运动速度曲线 (d) 玻璃光栅尺同步得到的测量曲线(e) IDS3010激光干涉仪与玻璃光栅尺读数相减得到的偏差曲线
测试结果
图2显示了系统全行程循环多次的位移测试结果，图2(a)的全程测量曲线接近正弦；图2(b)是曲线底部的局部放大。受益于IDS3010的高带宽，我们得以看到高分辨率的运动细节，能够从中探知变速箱内部的同步及变速误差信息。
通过高带宽纳米尺度的位移信息，我们能够进行频率和运动分析。理论上通过IDS3010，我们可以揭示每一个齿轮的咬合过程。此外，如果将干涉仪测量结果与玻璃光栅尺的读数做比对，我们会发现两个信号之间的差带有明显的周期性，这个周期的误差不是噪音或者其他测量不确定性导致的，而是玻璃光栅尺由于工作轴偏离测量轴所带来的阿贝误差造成的。这也是玻璃光栅尺精度劣于IDS3010激光干涉仪的主要原因所在。除此之外，IDS3010相比于玻璃光栅尺，还具有探头尺寸更小、被测件重量更轻的附加优点。
结论
本文展示了如何通过IDS3010激光干涉仪提高测试系统的精度与分辨率。基于激光干涉的光学测量原理，以及微型化的探头，能实现直接目标测量，从而消除阿贝误差，避免测量装置其他部分带来的影响。通过IDS产品，测试和研发工程师能够获知传统玻璃光栅无法发现的机械和摩擦现象。而且，IDS3010的设计紧凑、易于安装、快速调整等优点，可以方便地在同一个测试实验室的多个测试装置之间共用。IDS3010的测试距离长达5米，可三轴同时工作，完全可以扩展到更大的测试装置中使用。
IDS3010 multi-axis laser interferometer
皮米激光测距干涉仪
该设备凭借超高测量精度脱颖而出，实现了 10 ppb 的真空波长精度与波长稳定性。其核心采用了 DFB激光器 结合 高精度参考气室 的独特技术方案，不仅保证了测量的准确性，更赋予了设备长达 10年 的使用寿命和极低的维护需求。
在设计上，它采用紧凑且模块化的架构，支持灵活的三轴测量，传感器探头直径更是小至 Ø 1.2 mm，能够轻松应对各种受限空间。此外，该设备具备极强的环境适应性，可在真空、超低温及强磁场等极端条件下稳定工作。
凭借其卓越性能，该产品被广泛应用于半导体测量与控制、精密光学测量、航空航天以及同步辐射大科学装置等前沿科技领域。