激光干涉二等量塊自動測量裝置

何冬琦，張旭東，張　勇

激光干涉二等量塊自動測量裝置

何冬琦1，2，張旭東3，張勇1，2

（1.廣東省現代幾何與力學計量技術重點實驗室，廣東廣州510405；2.廣東省計量科學研究院，廣東廣州510405；3.中國計量科學研究院，北京100013）

該文利用激光干涉測長原理研發二等量塊自動測量系統，該裝置采用633 nm碘飽和吸收穩頻He-Ne激光器作為標準。硬件方面設計、開發機械本體，搭建激光光路和信號處理模塊，研發精密定位的柔性傳感器，選配相關電機驅動和環境參數監控系統；軟件方面研發數據采集和監控處理程序、測量結果判定及環境參數補償軟件。本裝置測量范圍上限達100mm，測量量塊的擴展不確定度為U=0.04～0.08μm（k=3），其復現量值指標達到JJG 146——2011《量塊》的技術要求。

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JJG 146——2011《量塊》計量檢定規程，從制造角度來看由量塊的實際長度對標稱長度的偏差值，準確度等級為K、0、1、2、3共5個等級［1］；從使用角度來看由量塊實際中心長度的測量不確定度，其等級分為1、2、3、4、5共5個等級。量塊計量檢定是保證精密制造的基礎。隨著我國現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［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機構和大型企業廣泛使用，其準確性在長度量傳領域舉足輕重［4］。當前，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量法，但二等量塊向下傳遞量值時又采用接觸式測量法，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形變不一致的問題，實現高等級量塊的自動準確測量。

1　裝置的工作原理及關鍵模塊

1.1裝置的工作原理

基于激光干涉原理的二等量塊自動測量裝置是光、機、電相結合，并融軟件于一體的高精度量塊測量儀器，激光系統的光路原理如圖1所示。

圖1　二等量塊自動測量裝置激光干涉原理圖

He-Ne激光器1發出穩頻的激光經準直擴束器3后，形成一束平行光，光束經反射鏡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、測桿、測帽剛性連接為一體，它們可同步沿軸向移動），為測量光路。反射回的兩路光在分光鏡10上產生干涉，干涉信號由光電轉換器5和6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。

圖2　精密定位柔性傳感器結構圖

1.2精密定位柔性傳感器

本裝置專門研發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系統，符合阿貝原則，可準確監測測頭的位置變化。圖2是精密定位柔性傳感器結構圖，其工作過程為：傳感器安裝在滑板上并順其軸線沿導軌移動，測帽13接觸到工作臺面時，測桿9相對于傳感器外殼1移動。由于測桿9與傳感器外殼1間的彈簧10發生變形，使測量力逐漸增大。測帽13、測桿9與電感線圈6剛性連接為一體，當測量力達到設定值時，電感磁芯7相對于電感線圈6過零，發出定位信號，由程序控制電機停轉，通過觸發器（電感信號處理電路）和計算機發出指令，驅動激光干涉儀開始記錄條紋的脈沖信號數。然后，電機反轉，傳感器自動提升，測頭離開工作臺，接觸測量力消失。當提升至指定高度后，在工作臺上放入被測件，傳感器再開始向下移動。當測帽13接觸到被測件表面時，測桿9相對于傳感器外殼1移動，測量力增大到設定值時，電感再次過零觸發，發出定位信號到計算機，激光干涉儀停止記數。

表1為柔性傳感器定位重復性測試的一組數據，計算3倍標準偏差為3 nm。在脈沖當量為1.25nm的激光干涉系統中，柔性傳感器定位重復性不超過5nm。

表1　傳感器定位重復性數據

表2　主要標準不確定度匯總表

1.3激光干涉信號處理

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數和細分條紋數［6］，該模塊配備了接口函數char rdvGetReading（void），引入環境參數補償，獲得量塊中心長度的實際值［7-8］。

本裝置獲取的激光干涉條紋的整周期計數M、空氣折射率n和測量溫度偏離20℃時量塊長度的修正量C，則量塊的實際尺寸l為

2　裝置測量的不確定度分析與驗證

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

空氣折射率n根據測量空氣溫度、氣壓和空氣濕度，利用式（3）計算得出。

式中σ為激光真空中的波數，μm-1。

量塊中心長度l的測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，并且相互間獨立無關［11］，則：

本裝置研制過程中，開發自動監控測量環境參數的單元，各參數可實時傳送至計算機完成修正處理測量結果。大氣壓力測量最大允許誤差不超過±10Pa，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差不超過±3%RH，本裝置所處的環境溫度控制在（20±0.3）℃，被檢量塊的熱脹系數為11.5×10-6/℃，根據量塊標稱長度L，省略計算過程，則各影響量標準不確定度值如表2所示。

將表2中各標準不確定度分量代入式（6），不同被檢量塊標稱長度對應的測量不確定度U99（k=3）計算匯總見表3，不超過量塊檢定規程JJG 146——2011《量塊》所規定的檢定二等量塊最大允許測量不確定度值（見表3最后一列）。

表3　被檢量塊標稱長度與擴展不確定度對應表（k=3）

對基于激光干涉原理的二等量塊自動測量裝置的測量不確定度進行驗證。本裝置檢定二等量塊的測量結果ya、Ua與中國計量科學研究院的測量結果yb、Ub進行比較，如表4所示，均滿足，符合JJF 1033——2008《計量標準考核規范》規定的傳遞比較法驗證準則，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量科學研究院測量結果的比較表（k=2）

3　結束語

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

2）裝置的核心部分激光干涉條紋整周期計數和細分單元，采用硬件電路和軟件分別對干涉條紋信號的整周期部分進行可逆計數和不足一個周期的部分進行細分計數；同時將一個周期信號細分N等份，再根據當前信號幅值精確反求相位角，并計算測頭的當前位置。當每個周期干涉條紋約對應0.3μm的測頭位移量和N=256時，可獲得1.25nm的分辨率，極大提高了測量分辨力，完全滿足檢定二等量塊的要求。

3）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程JJG 146——2011《量塊》所規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果比較表明，該測量不確定度符合JJF 1033——2008《計量標準考核規范》規定的傳遞比較法驗證準則。

4）基于激光干涉原理的二等量塊自動測量裝置測量范圍上限達100mm，測量量塊的擴展不確定度為U=0.04～0.08μm（k=3），其復現量值指標達到JJG 146——2011《量塊》的技術要求。

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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

質檢公益科研專項（201110043）

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