二等量塊檢定裝置*

/ 1.廣東省計量科學研究院；2.廣東省現(xiàn)代幾何與力學計量技術(shù)重點實驗室

0 引言

量塊計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，對量塊計量檢定的要求也日益提高[1]。目前我國還未正式開展一等量塊的量傳檢定[2]。二等量塊作為現(xiàn)階段實際用于量值傳遞的最高等級長度實物標準器，在地級以上的計量技術(shù)機構(gòu)和大型企業(yè)廣泛使用，其準確性在長度量傳領(lǐng)域舉足輕重[3][4]。二等量塊的使用越來越廣泛，華南地區(qū)越來越多的企業(yè)提出了提供二等量塊檢測的要求，不少校準實驗室的長度最高工作標準也配備了二等量塊，需要向其提供符合不確定度要求的長度量值的校準服務(wù)。

本項目由廣東省計量科學研究院與中國計量科學研究院聯(lián)合完成。廣東省計量科學研究院聯(lián)合中國計量科學研究院研制基于激光干涉原理的二等量塊自動測量裝置，采用柔性接觸定位方式，自動消除溯源和量傳過程中的形變不一致的問題，實現(xiàn)高等級量塊的自動準確測量。

1 二等量塊自動測量裝置

1.1 測量原理

采用激光干涉測長原理研發(fā)二等量塊自動測量系統(tǒng)，該裝置采用633 nm碘飽和吸收穩(wěn)頻He-Ne激光器作為標準。項目在硬件方面主要研發(fā)了裝置的機械主體、精密柔性定位測頭系統(tǒng)、干涉光路系統(tǒng)、光電信號處理系統(tǒng)、測頭驅(qū)動系統(tǒng)、環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)；軟件方面開發(fā)了自動測量控制程序，主要包括：數(shù)據(jù)自動采集處理模塊、環(huán)境參數(shù)監(jiān)測模塊、測頭自動定位模塊和測量結(jié)果判定模塊。

He-Ne激光器發(fā)出穩(wěn)頻的激光經(jīng)準直擴束器后，形成一束平行光，光束經(jīng)反射鏡入射到分光鏡上。光束在此分為兩路：一路反射到角錐棱鏡上，為參考光路，傳感器中安裝有角錐棱鏡，此棱鏡與電感磁芯、測桿、測帽剛性連接為一體，它們可同步沿軸向移動；另一路光透過分光鏡入射到柔性定位控制傳感器上的角錐棱鏡，為測量光路。反射回的兩路光在分光鏡上產(chǎn)生干涉，干涉信號由光電轉(zhuǎn)換器接收。干涉條紋信號是一個以半波長λ/2為周期的正弦信號，光電轉(zhuǎn)換器接收的干涉條紋信號通過移相電路處理后，傳送至計算機信號處理模塊獲得移動距離值[5]。見圖1基于激光干涉原理的二等量塊自動測量裝置激光干涉原理。

1.2 裝置的設(shè)計

1）總體結(jié)構(gòu)

本測量裝置由激光干涉系統(tǒng)、移動控制系統(tǒng)、環(huán)境參數(shù)測量系統(tǒng)、柔性定位系統(tǒng)和機械主體組成，外觀如圖2所示。

圖1 基于激光干涉原理的二等量塊自動測量裝置激光干涉原理圖

圖2 激光干涉二等量塊自動測量裝置外觀圖

2）激光干涉系統(tǒng)。

該系統(tǒng)采用激光干涉儀XL10，該儀器具有小巧輕便并提供了軟件開發(fā)的接口函數(shù)，方便獲取測量的距離值。此激光干涉儀配合自己研制的高準確度環(huán)境參數(shù)測量系統(tǒng)，滿足了測長的高準確度要求。

3）移動控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用精密滾珠絲杠配精密滾動導軌副的方式實現(xiàn)直線運動，采用步進電機和高細分的驅(qū)動器實現(xiàn)系統(tǒng)的驅(qū)動，采用PCI插槽的步進電機控制卡實現(xiàn)運動的計算機控制。在設(shè)計系統(tǒng)時，為防止電機發(fā)熱對測量裝置溫度的影響，將電機放置在整個裝置的外面，通過同步帶實現(xiàn)電機與絲杠連接。運動系統(tǒng)（運動測頭）的定位采用柔性定位控制系統(tǒng)來實現(xiàn)，故移動控制系統(tǒng)采用開環(huán)方式控制。為消除因滑塊上下移動致電機載荷不等的問題，設(shè)計了平衡機構(gòu)。

4）環(huán)境參數(shù)測量系統(tǒng)

該系統(tǒng)由大氣壓力測量傳感、濕度傳感器及溫度傳感器組成，所有傳感器均采用RS232串口實現(xiàn)與計算機的通信，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動采集。其中溫度傳感器包括兩路：一路實現(xiàn)測量光路附近的空氣溫度測量，一路實現(xiàn)量塊溫度的測量。兩路溫度傳感器在20 ℃附近的測量不確定度在0.01 ℃以內(nèi)。

5）柔性定位系統(tǒng)

該系統(tǒng)是由光機電相結(jié)合的定位控制系統(tǒng)，主要由電感定位部分、柔性測頭部分和信號處理電路三部分組成。柔性定位系統(tǒng)輸出一個定位脈沖信號，可由計算機采集獲得。

6）機械主體部分

主要由大理石基體、工作臺、量塊推動機構(gòu)及光學鏡調(diào)節(jié)機構(gòu)組成。大理石基體由基座和立柱兩部分組成，基座為整個裝置的基礎(chǔ)，測量裝置的所有部件均放置在此基座上面，基座采用三點支撐，可以調(diào)節(jié)裝置的水平。大理石立柱主要用于支撐直線運動部分，安裝調(diào)試保證運動的直線度要求。工作臺為精密研磨的五筋工作臺，中間筋略高于兩側(cè)筋，以保證量塊與中間筋的可靠接觸。工作臺整體可以實現(xiàn)兩維的微調(diào)，保證測頭與工作臺中間筋的正確接觸。左右兩個量塊推動機構(gòu)，可以將被測量塊平穩(wěn)地推入和拉出，實現(xiàn)量塊的測量。光學鏡調(diào)節(jié)機構(gòu)包括參考鏡和測量鏡的調(diào)整機構(gòu)，可以將測量光路與導軌調(diào)整至平行，保證測長的準確度。

7）測量軟件

該裝置配套的軟件操作簡單，界面直觀，采用VC++ 6.0作為開發(fā)工具，綜合應用了ActiveX、OCX和動態(tài)鏈接庫技術(shù)，完成了對系統(tǒng)中激光干涉儀數(shù)據(jù)信號的采集控制、接觸式測量頭自動定位的控制、環(huán)境條件參數(shù)的自動采集和補償控制等，實現(xiàn)了二等標準量塊的絕對自動測量。軟件功能組成如圖3所示[6]。

圖3 軟件功能結(jié)構(gòu)圖

1.3 主要技術(shù)指標：

測量范圍：0～100 mm

最大允許誤差MPE：±(0.05 μm+0.5×10-6L)式中：L——被測量塊的標稱長度

1.4 環(huán)境參數(shù)p、t、f 測量系統(tǒng)及量塊實際長度修正

量塊長度用光波干涉儀以光譜輻射線波長作為標準直接測量時，量塊溫度、量塊附近空氣的溫度、氣壓和濕度測量各系統(tǒng)的各自測量不確定度對量塊長度測量影響的總和，應不超過被測量塊長度測量不確定度的50%。

本裝置設(shè)計過程中開發(fā)了自動監(jiān)控測量環(huán)境參數(shù)的單元，各參數(shù)能實時傳送到計算機完成測量結(jié)果的修正處理。大氣壓測量最大允許誤差不超過±10 Pa，空氣溫度和量塊溫度測量最大允許誤差不超過±0.01 ℃，相對濕度測量最大允許誤差不超過±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℃-1。

根據(jù)JJG 146-2011《量塊》檢定規(guī)程[7]的要求，量塊長度測量結(jié)果必須是標準溫度條件20 ℃時的值，但在實際測量中通常不能做到剛好在標準狀態(tài)下。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和細分條紋數(shù)[8]，該模塊配備了接口函數(shù) char rdvGetReading (void)，再引入了環(huán)境參數(shù)的補償后，獲得量塊中心長度的實際值[9]。

當采用干涉條紋直接計數(shù)法測量二等量塊時，被測量塊在測量條件下的長度是：

式中：l—— 測得的量塊長度；

N—— 干涉條紋整數(shù)部分；

m—— 干涉條紋小數(shù)部分；

λ—— 激光的真空波長；

n—— 空氣折射率；

c1—— 測量溫度偏離20 ℃時量塊長度的修正量

式中：α——被測量塊的線膨脹系數(shù)；

tg——被測量塊測量時的溫度，℃

對于空氣折射率n，是通過測量空氣的溫度、氣壓和空氣濕度，并用公式計算得到：

式中：σ—— 真空中的波數(shù)，m-1

2 試驗與分析

2.1 測量模型及測量不確定度

用接觸式量塊激光干涉儀測量量塊長度的表達式為

加上其他影響量后式（6）變?yōu)?/p>

式中：l—— 測得的量塊長度；

N—— 干涉條紋整數(shù)部分；

m—— 干涉條紋小數(shù)部分；

λ—— 激光的真空波長；

n—— 空氣折射率；

L—— 被測量塊的標稱長度；

α—— 被測量塊的線膨脹系數(shù)；

tg—— 被測量塊測量時的溫度，℃；

δlΩ—— 激光光線與測量軸傾斜的影響；

δlφ—— 工作臺與測量軸傾斜的影響；

δlθ—— 工作臺筋高造成量塊傾斜的影響；

δlh—— 工作臺筋高造成量塊中心脫空的影響；

δlF1—— 測量力造成中筋接觸變形的影響；

δlF2—— 測量力造成量塊被壓縮的影響；

δlF3—— 測量力造成工作臺和量塊變形差的影響；

δlM1—— 量塊自重使中筋接觸變形的影響；

δlM2—— 量塊自重使中筋受壓縮的影響；

δlG—— 量塊長度變動量的影響

從上述各影響量對量塊長度產(chǎn)生的影響，對量塊長度進行測量不確定度分析，結(jié)果如表1所示。

表1 不同量塊長度擴展不確定度

2.2 重復性實驗

選取一塊標稱長度為10 mm的二等量塊在接觸式激光量塊干涉儀上進行10次重復測量，計算得出試驗標準偏差s(yi)：

單次測量實驗標準偏差s= 0.008 μm ，該重復性不大于測量不確定度評定中所采用的重復性數(shù)據(jù)為0.01 μm，重復性符合要求。

2.3 裝置穩(wěn)定性實驗

選擇標稱尺寸為10 mm的二等量塊在本裝置上測量，每隔一年測量一次，平均測10個觀測值，取其算術(shù)平均值作為該組的測量結(jié)果。共觀測5次，其結(jié)果由式（9）計算出sm= 0.06 μm，經(jīng)比較，裝置穩(wěn)定性小于計量標準擴展不確定度，sm小于Uc，穩(wěn)定性符合要求。

2.4 量塊比對實驗

根據(jù)JJF 1033-2008《計量標準考核規(guī)范》中C.5.2的驗證方法，采用傳遞比較法，分別選取4塊二等量塊作為被測對象用本裝置測量，測量結(jié)果與中國計量科學研究院的結(jié)果進行比較，對裝置測量過程各標準不確定度分量分析、計算，不同被檢量塊標稱長度的測量不確定度U99(k= 3)均不超過量塊檢定規(guī)程JJG 146-2011所規(guī)定的最大允許測量不確定度值，與中國計量科學研究院的測量結(jié)果比較，表明符合JJF 1033-2008計量標準考核規(guī)范規(guī)定的傳遞比較法驗證準則。比對實驗結(jié)果如表2所示。

結(jié)論：測量結(jié)果之差滿足

該二等量塊檢定裝置測量不確定度得到驗證。

3 結(jié)語

（1）經(jīng)中國計量科學研究院檢定，本裝置測量范圍上限不超過100 mm，重復性小于0.02 μm，示值誤差不超過 0.05 μm+0.5×10-6L。

（2）對裝置測量過程中各影響量的標準不確定度分量進行評估, 不同被檢量塊標稱長度的測量不確定度U99(k= 3)均不超過量塊檢定規(guī)程JJG 146-2011所規(guī)定的最大允許測量不確定度的要求，與中國計量科學研究院的測量結(jié)果比較，表明符合JJF 1033-2008計量標準考核規(guī)范規(guī)定的傳遞比較法驗證準則。

（3）本裝置作為華南地區(qū)的最高等級計量標準，已經(jīng)獲國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗檢疫總局授權(quán)，在廣東省計量科學研究院投入使用，對外開展長度尺寸為0.5～100 mm的二等量塊相關(guān)的檢定、校準工作，取得良好的經(jīng)濟效益和社會效益。