基于動(dòng)態(tài)光電瞄準(zhǔn)的2m激光干涉比長儀研究

劉婷婷 趙新麗 李艷 張子辰

摘要：激光干涉比長儀是用激光波長直接檢定線紋尺的工作基準(zhǔn)類儀器，可將幾何量值直接溯源到國際推薦的激光波長。為減小測(cè)量誤差，滿足測(cè)長精度，研究了新的激光干涉比長儀裝置。該裝置主體結(jié)構(gòu)采用花崗巖石，利用空氣靜壓導(dǎo)軌技術(shù)、高精度光電顯微鏡瞄準(zhǔn)技術(shù)和空氣折射率準(zhǔn)實(shí)時(shí)修正技術(shù)等，有效提高了測(cè)量精度。

關(guān)鍵詞：激光干涉比長儀;動(dòng)態(tài)光電瞄準(zhǔn);折射率修正;軟件控制

0 引言

隨著科技的快速發(fā)展，精密測(cè)量、機(jī)械制造等各種產(chǎn)業(yè)不斷壯大，人們也更加關(guān)注產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量與生產(chǎn)效率，在生產(chǎn)中長度測(cè)量是否準(zhǔn)確至關(guān)重要[1]。而線紋尺作為長度計(jì)量量值傳遞系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)器之一，其重要作用不言而喻[2]。

激光干涉比長儀是用激光波長直接檢定線紋尺的工作基準(zhǔn)類儀器，主要用于檢定長度至1 000 mm的一、二等標(biāo)準(zhǔn)金屬線紋尺和一、二等標(biāo)準(zhǔn)玻璃線紋尺[3]，也可用于測(cè)微尺（100線/mm）、位移傳感器、激光干涉儀、低等級(jí)線紋尺和光柵尺等計(jì)量器具的測(cè)量和校準(zhǔn)，進(jìn)而使得幾何量值可以溯源到國際推薦的激光波長[4]。

為了減小測(cè)量誤差，確保儀器的測(cè)長精度，該激光干涉比長儀在設(shè)計(jì)時(shí)遵循了阿貝原則。比長儀的床身、導(dǎo)軌以及工作臺(tái)均采用花崗巖材料制造，利用空氣靜壓導(dǎo)軌技術(shù)使其滿足高精度的導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)以及工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)特性。測(cè)量過程中利用動(dòng)態(tài)光電顯微鏡瞄準(zhǔn)技術(shù)，簡(jiǎn)化了顯微鏡結(jié)構(gòu)且提高了測(cè)量效率;通過Edlen公式對(duì)空氣折射率進(jìn)行準(zhǔn)實(shí)時(shí)修正，以滿足高精度的測(cè)量要求。激光干涉比長儀融軟硬件于一體，涉及光學(xué)、機(jī)械、電學(xué)以及計(jì)算機(jī)等多個(gè)領(lǐng)域，是高精度、自動(dòng)化、多功能、智能化的大型測(cè)試儀器。

1 裝置組成

激光干涉比長儀機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，本裝置采用精密大理石傳動(dòng)控制系統(tǒng)作為儀器基礎(chǔ)，包括儀器的基座、直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌以及運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)，部分支撐部件配以鑄鐵結(jié)構(gòu)（干涉儀及光電顯微鏡的支撐部件）。光電顯微鏡利用光電元器件實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，通過對(duì)線紋尺刻線平均黑度中心（對(duì)應(yīng)刻線的中心線）進(jìn)行判斷從而實(shí)現(xiàn)對(duì)刻線的瞄準(zhǔn)。本裝置設(shè)計(jì)了新的2倍程單頻偏振激光干涉儀作為測(cè)量標(biāo)尺實(shí)現(xiàn)測(cè)量要求，激光干涉儀的測(cè)量范圍為2.5 m，測(cè)量分辨率1 nm，測(cè)量準(zhǔn)確度優(yōu)于10 nm。

圖2是激光干涉比長儀的系統(tǒng)框圖。從功能來劃分，激光干涉比長儀系統(tǒng)由激光干涉測(cè)長系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、光電顯微鏡瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)、環(huán)境參數(shù)修正補(bǔ)償系統(tǒng)以及軟件控制系統(tǒng)等模塊組成。測(cè)量時(shí)，線紋尺被安裝在一維高精密氣浮臺(tái)上并隨著氣浮臺(tái)勻速運(yùn)動(dòng)。動(dòng)態(tài)光電顯微鏡可實(shí)現(xiàn)被測(cè)線紋尺在勻速運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下被瞄準(zhǔn)測(cè)量，光電顯微鏡在線紋尺刻線中心處產(chǎn)生脈沖觸發(fā)信號(hào)，該信號(hào)使得激光干涉比長儀觸發(fā)采樣讀數(shù)。在測(cè)量過程中，利用溫度、濕度和壓力傳感器對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并在軟件中對(duì)空氣中的激光波長及材料溫度膨脹系數(shù)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響進(jìn)行修正。圖3是激光干涉比長儀實(shí)物圖。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 ? ?動(dòng)態(tài)光電瞄準(zhǔn)

利用激光干涉比長儀對(duì)線紋尺進(jìn)行檢定時(shí)，瞄準(zhǔn)系統(tǒng)通常采用光電顯微鏡。光電顯微鏡是通過判定刻線的平均黑度中心來對(duì)線紋尺刻線進(jìn)行瞄準(zhǔn)的[5]，其中的光電元件可以實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。根據(jù)測(cè)量時(shí)被測(cè)對(duì)象運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的不同，光電顯微鏡通常可以分為靜態(tài)光電顯微鏡和動(dòng)態(tài)光電顯微鏡。靜態(tài)光電顯微鏡是在被測(cè)對(duì)象處于靜止?fàn)顟B(tài)下對(duì)其進(jìn)行瞄準(zhǔn)的，而動(dòng)態(tài)光電顯微鏡瞄準(zhǔn)時(shí)被測(cè)對(duì)象處于勻速運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。與靜態(tài)光電顯微鏡相比，動(dòng)態(tài)光電顯微鏡結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，且測(cè)量效率較高。隨著測(cè)量要求的不斷提高，動(dòng)態(tài)光電顯微鏡的用途越來越廣泛，并逐漸代替了靜態(tài)光電顯微鏡。

該激光干涉比長儀采用雙管差動(dòng)式動(dòng)態(tài)光電顯微鏡對(duì)線紋尺刻線進(jìn)行瞄準(zhǔn)，它主要由成像系統(tǒng)、照明系統(tǒng)及觀察系統(tǒng)三部分組成。為滿足瞄準(zhǔn)精度的要求，成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)成物方遠(yuǎn)心光路，照明系統(tǒng)采用遠(yuǎn)心照明方式，以減小調(diào)焦誤差引起的測(cè)量誤差。同時(shí)，適當(dāng)加大顯微物鏡的倍數(shù)和數(shù)值孔徑，可以減小焦深，也有利于對(duì)線精度的提高。

2.2 ? ?軟件控制系統(tǒng)

激光干涉比長儀軟件控制系統(tǒng)界面如圖4所示，此界面與Windows軟件兼容，提供了菜單命令欄、快捷工具欄等，操作直觀、方便。測(cè)量軟件主要分為信息輸入、線紋尺測(cè)量、數(shù)據(jù)管理和環(huán)境監(jiān)控4個(gè)部分。

在“信息輸入”界面中，選擇并填寫被測(cè)線紋尺的客戶信息、樣品詳細(xì)信息及校驗(yàn)信息等，這些信息以及之后相應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)會(huì)被存儲(chǔ)進(jìn)設(shè)計(jì)好的MySQL數(shù)據(jù)表。

在“線紋尺測(cè)量”界面中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)線紋尺的測(cè)量功能。控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)激光干涉比長儀的自動(dòng)觸發(fā)及外部觸發(fā)計(jì)數(shù)功能，完成測(cè)量調(diào)試功能。配合傳動(dòng)系統(tǒng)，軟件控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)測(cè)量速度分別為0.5 mm/s、1.0 mm/s、1.5 mm/s、2.0 mm/s四檔的切換以及正向運(yùn)動(dòng)、反向運(yùn)動(dòng)、相對(duì)運(yùn)動(dòng)、絕對(duì)運(yùn)動(dòng)和急停等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的選擇。同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)與溫度、濕度及壓力傳感器的通信，對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，進(jìn)而對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。在線紋尺測(cè)量的過程中，可以顯示工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，發(fā)生故障時(shí)報(bào)告錯(cuò)誤。

在線紋尺測(cè)量完成之后，進(jìn)入“數(shù)據(jù)管理”界面進(jìn)行測(cè)量基本信息和測(cè)量數(shù)據(jù)的顯示以及偏差曲線的繪制，偏差曲線包含本次偏差曲線、歷次偏差曲線和兩次差值曲線。最后，根據(jù)這些信息，可以生成測(cè)量報(bào)告。

在“環(huán)境監(jiān)控”界面中，可以設(shè)置采樣間隔對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并提示環(huán)境參數(shù)是否符合檢定要求。

2.3 ? ?空氣折射率修正

在線紋尺測(cè)量的過程中，溫度、濕度、氣壓等環(huán)境參數(shù)的變化會(huì)改變空氣折射率，進(jìn)而影響測(cè)量結(jié)果。因此，該激光干涉比長儀在對(duì)線紋尺進(jìn)行測(cè)量的過程中，會(huì)根據(jù)采集的環(huán)境參數(shù)對(duì)空氣折射率進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。

激光干涉比長儀是通過P（壓力）T（溫度）F（濕度）計(jì)算法來對(duì)空氣折射率進(jìn)行修正的。在線紋尺測(cè)量的過程中，需要采集大氣壓力、空氣溫度、兩個(gè)材料溫度以及空氣濕度這5個(gè)環(huán)境參數(shù)。其中，兩個(gè)材料溫度傳感器分別被置于被測(cè)線紋尺的兩端，而大氣壓力、空氣溫度和空氣濕度3個(gè)傳感器則被放置于干涉光路附近，且與光路等高。為提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，且避免設(shè)備發(fā)熱對(duì)儀器周圍環(huán)境產(chǎn)生影響，這些壓力、溫度、濕度二次測(cè)量儀表置于機(jī)柜中。

大氣壓采用振動(dòng)筒式壓力傳感器測(cè)量，其輸出量為頻率值，頻率值由一單片機(jī)轉(zhuǎn)換成氣壓值。整個(gè)氣壓測(cè)量裝置的測(cè)量不確定度為20 Pa。溫度采用熱敏電阻溫度傳感器測(cè)量，溫度測(cè)量裝置的不確定度為0.002 ℃。其熱敏電阻經(jīng)過特殊處理，穩(wěn)定性滿足要求。經(jīng)我所熱學(xué)處多次檢定，精度滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。濕度采用ROTRONIC公司生產(chǎn)的HYGROCLIP型相對(duì)濕度傳感器測(cè)量，該傳感器濕度測(cè)量不確定度為2%RH。

式中：σ為真空中波長的倒數(shù);p、t、f分別為大氣壓力、空氣溫度和空氣濕度;ns和n分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)和測(cè)量狀態(tài)下的空氣折射率;L為標(biāo)稱長度;Δl為被測(cè)長度的修正量。

通過上述方法，可以有效降低在測(cè)量過程中溫度、濕度和氣壓等環(huán)境參數(shù)的波動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，減小測(cè)量誤差。

3 校準(zhǔn)方法與試驗(yàn)測(cè)試

按照檢定規(guī)程《激光干涉比長儀》（JJG 331—1994）的要求，將一等標(biāo)準(zhǔn)玻璃線紋尺安裝在尺架上。選擇光電顯微鏡上雙狹縫，使之寬度與刻線像寬度大體一致，并使兩種形波脈沖信號(hào)幅值相等且交于幅值的70%處。任取該尺一端的連續(xù)10個(gè)毫米間隔，重復(fù)測(cè)量14次，按下列公式可以計(jì)算光電顯微鏡單次瞄準(zhǔn)的重復(fù)性：

4 結(jié)語

本文主要介紹了激光干涉比長儀的組成、工作原理以及動(dòng)態(tài)光電瞄準(zhǔn)、軟件控制系統(tǒng)和空氣折射率修正等關(guān)鍵技術(shù)。該激光干涉比長儀涉及光學(xué)、機(jī)械、電學(xué)以及計(jì)算機(jī)等多個(gè)領(lǐng)域，儀器整體采用花崗巖石主體結(jié)構(gòu)及氣浮導(dǎo)軌，瞄準(zhǔn)系統(tǒng)采用高精度動(dòng)態(tài)光電顯微鏡刻線瞄準(zhǔn)技術(shù)，測(cè)量過程中準(zhǔn)實(shí)時(shí)修正空氣折射率，有效減小了測(cè)量誤差，提高了線紋尺的瞄準(zhǔn)測(cè)量精度。

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[6] 高等別線紋尺：JJG 73—2005[S].

收稿日期：2021-04-02

作者簡(jiǎn)介：劉婷婷（1994—），女，山東人，碩士研究生，助理工程師，研究方向：幾何量計(jì)量及軟件開發(fā)。