激光干涉二等量塊自動(dòng)測(cè)量裝置

何冬琦，張旭東，張　勇

激光干涉二等量塊自動(dòng)測(cè)量裝置

何冬琦1，2，張旭東3，張勇1，2

（1.廣東省現(xiàn)代幾何與力學(xué)計(jì)量技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510405；2.廣東省計(jì)量科學(xué)研究院，廣東廣州510405；3.中國計(jì)量科學(xué)研究院，北京100013）

該文利用激光干涉測(cè)長原理研發(fā)二等量塊自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，該裝置采用633 nm碘飽和吸收穩(wěn)頻He-Ne激光器作為標(biāo)準(zhǔn)。硬件方面設(shè)計(jì)、開發(fā)機(jī)械本體，搭建激光光路和信號(hào)處理模塊，研發(fā)精密定位的柔性傳感器，選配相關(guān)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)；軟件方面研發(fā)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控處理程序、測(cè)量結(jié)果判定及環(huán)境參數(shù)補(bǔ)償軟件。本裝置測(cè)量范圍上限達(dá)100mm，測(cè)量量塊的擴(kuò)展不確定度為U=0.04～0.08μm（k=3），其復(fù)現(xiàn)量值指標(biāo)達(dá)到JJG 146——2011《量塊》的技術(shù)要求。

量塊；激光干涉；柔性定位；不確定度

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2015.09.016

0　引言

根據(jù)JJG 146——2011《量塊》計(jì)量檢定規(guī)程，從制造角度來看由量塊的實(shí)際長度對(duì)標(biāo)稱長度的偏差值，準(zhǔn)確度等級(jí)為K、0、1、2、3共5個(gè)等級(jí)［1］；從使用角度來看由量塊實(shí)際中心長度的測(cè)量不確定度，其等級(jí)分為1、2、3、4、5共5個(gè)等級(jí)。量塊計(jì)量檢定是保證精密制造的基礎(chǔ)。隨著我國現(xiàn)代制造精密加工能力的不斷提升，對(duì)量塊計(jì)量檢定的要求也日益提高［2］。目前，我國還未正式開展一等量塊的量傳檢定［3］。二等量塊作為現(xiàn)階段實(shí)際用于量值傳遞的最高等級(jí)長度實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)器，在地級(jí)以上的計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)和大型企業(yè)廣泛使用，其準(zhǔn)確性在長度量傳領(lǐng)域舉足輕重［4］。當(dāng)前，我國已開展的二等量塊檢定均采用研合平晶的非接觸式干涉測(cè)量法，但二等量塊向下傳遞量值時(shí)又采用接觸式測(cè)量法，存在二者形變不一致的問題。研制基于激光干涉原理的二等量塊自動(dòng)測(cè)量裝置，采用柔性接觸定位方式，自動(dòng)消除溯源和量傳過程中形變不一致的問題，實(shí)現(xiàn)高等級(jí)量塊的自動(dòng)準(zhǔn)確測(cè)量。

1　裝置的工作原理及關(guān)鍵模塊

1.1裝置的工作原理

基于激光干涉原理的二等量塊自動(dòng)測(cè)量裝置是光、機(jī)、電相結(jié)合，并融軟件于一體的高精度量塊測(cè)量儀器，激光系統(tǒng)的光路原理如圖1所示。

圖1　二等量塊自動(dòng)測(cè)量裝置激光干涉原理圖

He-Ne激光器1發(fā)出穩(wěn)頻的激光經(jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束器3后，形成一束平行光，光束經(jīng)反射鏡4入射到分光鏡10上，光束在此分為兩路：一路反射到角錐棱鏡11上，為參考光路；另一路光透過分光鏡入射到柔性定位控制傳感器9上的角錐棱鏡（傳感器9中安裝有角錐棱鏡，此棱鏡與電感磁芯、測(cè)桿、測(cè)帽剛性連接為一體，它們可同步沿軸向移動(dòng)），為測(cè)量光路。反射回的兩路光在分光鏡10上產(chǎn)生干涉，干涉信號(hào)由光電轉(zhuǎn)換器5和6接收。干涉條紋信號(hào)是一個(gè)以半波長λ/2為周期的正弦信號(hào)，光電轉(zhuǎn)換器接收的干涉條紋信號(hào)通過移相電路處理后，傳送至計(jì)算機(jī)信號(hào)處理模塊獲得移動(dòng)距離值。

圖2　精密定位柔性傳感器結(jié)構(gòu)圖

1.2精密定位柔性傳感器

本裝置專門研發(fā)了用于精密定位的柔性傳感器［5］，激光干涉的角錐棱鏡和電感磁芯剛性連接組成激光隨動(dòng)系統(tǒng)，符合阿貝原則，可準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)測(cè)頭的位置變化。圖2是精密定位柔性傳感器結(jié)構(gòu)圖，其工作過程為：傳感器安裝在滑板上并順其軸線沿導(dǎo)軌移動(dòng)，測(cè)帽13接觸到工作臺(tái)面時(shí)，測(cè)桿9相對(duì)于傳感器外殼1移動(dòng)。由于測(cè)桿9與傳感器外殼1間的彈簧10發(fā)生變形，使測(cè)量力逐漸增大。測(cè)帽13、測(cè)桿9與電感線圈6剛性連接為一體，當(dāng)測(cè)量力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，電感磁芯7相對(duì)于電感線圈6過零，發(fā)出定位信號(hào)，由程序控制電機(jī)停轉(zhuǎn)，通過觸發(fā)器（電感信號(hào)處理電路）和計(jì)算機(jī)發(fā)出指令，驅(qū)動(dòng)激光干涉儀開始記錄條紋的脈沖信號(hào)數(shù)。然后，電機(jī)反轉(zhuǎn)，傳感器自動(dòng)提升，測(cè)頭離開工作臺(tái)，接觸測(cè)量力消失。當(dāng)提升至指定高度后，在工作臺(tái)上放入被測(cè)件，傳感器再開始向下移動(dòng)。當(dāng)測(cè)帽13接觸到被測(cè)件表面時(shí)，測(cè)桿9相對(duì)于傳感器外殼1移動(dòng)，測(cè)量力增大到設(shè)定值時(shí)，電感再次過零觸發(fā)，發(fā)出定位信號(hào)到計(jì)算機(jī)，激光干涉儀停止記數(shù)。

表1為柔性傳感器定位重復(fù)性測(cè)試的一組數(shù)據(jù)，計(jì)算3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差為3 nm。在脈沖當(dāng)量為1.25nm的激光干涉系統(tǒng)中，柔性傳感器定位重復(fù)性不超過5nm。

表1　傳感器定位重復(fù)性數(shù)據(jù)

表2　主要標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總表

1.3激光干涉信號(hào)處理

本裝置采用英國雷尼紹公司的ML10主控模塊來處理激光干涉條紋整周期計(jì)數(shù)和細(xì)分條紋數(shù)［6］，該模塊配備了接口函數(shù)char rdvGetReading（void），引入環(huán)境參數(shù)補(bǔ)償，獲得量塊中心長度的實(shí)際值［7-8］。

本裝置獲取的激光干涉條紋的整周期計(jì)數(shù)M、空氣折射率n和測(cè)量溫度偏離20℃時(shí)量塊長度的修正量C，則量塊的實(shí)際尺寸l為

2　裝置測(cè)量的不確定度分析與驗(yàn)證

引入量塊的標(biāo)稱長度L、材料熱膨脹系數(shù)α和被測(cè)量的溫度tg，則量塊溫度偏離20℃時(shí)，其長度的修正量C=Lα（20-tg）。再加上測(cè)量過程中其他所有影響量，包括激光光線與測(cè)量軸傾斜的影響量δlΩ、工作臺(tái)與測(cè)量軸傾斜的影響δlΦ、工作臺(tái)筋高造成量塊傾斜的影響δlθ、工作臺(tái)筋高造成量塊中心脫空的影響δlh、測(cè)量力造成中筋接觸變形的影響δlF1、測(cè)量力造成量塊被壓縮的影響δlF2、測(cè)量力造成工作臺(tái)和量塊變形差的影響δlF3、量塊自重使中筋接觸變形的影響δlM1、量塊自重使中筋受壓縮的影響δlM2、量塊長度變動(dòng)量的影響δlG［9-10］，則式（1）可轉(zhuǎn)換為

空氣折射率n根據(jù)測(cè)量空氣溫度、氣壓和空氣濕度，利用式（3）計(jì)算得出。

式中σ為激光真空中的波數(shù)，μm-1。

量塊中心長度l的測(cè)量不確定度主要來源于λ、n、m、tg、α、δlΩ、δlΦ、δlθ、δlh、δlF1、δlF2、δlF3、δlM1、δlM2、δlG等影響量。這些不確定度分量中以m為主的影響量按A類不確定度考慮，其他均為B類不確定度，并且相互間獨(dú)立無關(guān)［11］，則：

本裝置研制過程中，開發(fā)自動(dòng)監(jiān)控測(cè)量環(huán)境參數(shù)的單元，各參數(shù)可實(shí)時(shí)傳送至計(jì)算機(jī)完成修正處理測(cè)量結(jié)果。大氣壓力測(cè)量最大允許誤差不超過±10Pa，空氣溫度和量塊溫度測(cè)量最大允許誤差不超過±0.01℃，相對(duì)濕度測(cè)量最大允差不超過±3%RH，本裝置所處的環(huán)境溫度控制在（20±0.3）℃，被檢量塊的熱脹系數(shù)為11.5×10-6/℃，根據(jù)量塊標(biāo)稱長度L，省略計(jì)算過程，則各影響量標(biāo)準(zhǔn)不確定度值如表2所示。

將表2中各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量代入式（6），不同被檢量塊標(biāo)稱長度對(duì)應(yīng)的測(cè)量不確定度U99（k=3）計(jì)算匯總見表3，不超過量塊檢定規(guī)程JJG 146——2011《量塊》所規(guī)定的檢定二等量塊最大允許測(cè)量不確定度值（見表3最后一列）。

表3　被檢量塊標(biāo)稱長度與擴(kuò)展不確定度對(duì)應(yīng)表（k=3）

對(duì)基于激光干涉原理的二等量塊自動(dòng)測(cè)量裝置的測(cè)量不確定度進(jìn)行驗(yàn)證。本裝置檢定二等量塊的測(cè)量結(jié)果ya、Ua與中國計(jì)量科學(xué)研究院的測(cè)量結(jié)果yb、Ub進(jìn)行比較，如表4所示，均滿足，符合JJF 1033——2008《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》規(guī)定的傳遞比較法驗(yàn)證準(zhǔn)則，本裝置可開展二等量塊的檢定［12-13］。

表4　本裝置檢定二等量塊與中國計(jì)量科學(xué)研究院測(cè)量結(jié)果的比較表（k=2）

3　結(jié)束語

1）基于激光干涉原理的二等量塊自動(dòng)測(cè)量裝置是光機(jī)電一體并融合軟件技術(shù)的高精度量塊測(cè)量儀器，其精密定位柔性傳感器在脈沖當(dāng)量為1.25nm的激光干涉系統(tǒng)中的定位重復(fù)性不超過5nm。

2）裝置的核心部分激光干涉條紋整周期計(jì)數(shù)和細(xì)分單元，采用硬件電路和軟件分別對(duì)干涉條紋信號(hào)的整周期部分進(jìn)行可逆計(jì)數(shù)和不足一個(gè)周期的部分進(jìn)行細(xì)分計(jì)數(shù)；同時(shí)將一個(gè)周期信號(hào)細(xì)分N等份，再根據(jù)當(dāng)前信號(hào)幅值精確反求相位角，并計(jì)算測(cè)頭的當(dāng)前位置。當(dāng)每個(gè)周期干涉條紋約對(duì)應(yīng)0.3μm的測(cè)頭位移量和N=256時(shí)，可獲得1.25nm的分辨率，極大提高了測(cè)量分辨力，完全滿足檢定二等量塊的要求。

3）對(duì)裝置測(cè)量過程各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量分析、計(jì)算，不同被檢量塊標(biāo)稱長度的測(cè)量不確定度U99（k=3）均不超過量塊檢定規(guī)程JJG 146——2011《量塊》所規(guī)定的最大允許測(cè)量不確定度值；與中國計(jì)量科學(xué)研究院的測(cè)量結(jié)果比較表明，該測(cè)量不確定度符合JJF 1033——2008《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》規(guī)定的傳遞比較法驗(yàn)證準(zhǔn)則。

4）基于激光干涉原理的二等量塊自動(dòng)測(cè)量裝置測(cè)量范圍上限達(dá)100mm，測(cè)量量塊的擴(kuò)展不確定度為U=0.04～0.08μm（k=3），其復(fù)現(xiàn)量值指標(biāo)達(dá)到JJG 146——2011《量塊》的技術(shù)要求。

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Automatic measurement device for order-2 gauge block based on laser interference princip le

HE Dongqi1，2，ZHANG Xudong3，ZHANG Yong1，2
（1.Guangdong Provincial Key Laboratory of Modern Geometric and Mechanical Metrology Technology，Guangzhou 510405，China；2.Guangdong Institute of Metrology，Guangzhou 510405，China；3.National Institute of Metrology，Beijing 100013，China）

An automatic measurement device for order-2 gauge block has been developed with the principle of laser interference.The device is based on an iodine-saturated frequency-stabilized 633 nmwavelength He-Ne laser.The hardware designs of this device includes：designing and processing basic mechanical structure，setting up laser light path，developing flexible accurate positioning probe，selecting the monitoring systems of motor drive and environmental parameters.The software designs includes：developing the data acquisition program and the software of measurement result determination and environment parameter compensation.The upper limit of its measurement range is 100 mm，and the expanded uncertainty of the gauge block measured is U=0.04-0.08μm（k=3）. The repetition value index meet the technical requirement of JJG 146——2011 Verification Regulation of Guage Block.

gauge block；laser interference；flexible probe；uncertainty

A

1674-5124（2015）09-0071-04

2015-04-13；

2015-05-27

質(zhì)檢公益科研專項(xiàng)（201110043）

何冬琦（1974-），女，廣東湛江市人，工程師，碩士，主要從事量塊計(jì)量檢定和研究工作。