接触式干涉仪的调整和修理

2012-04-26沈瑶琼上海市计量测试技术研究院

上海计量测试 2012年4期

沈瑶琼/上海市计量测试技术研究院

0 引言

接触式干涉仪是以光波干涉原理为基础[1]，采用微差比较法测量长度的高准确度仪器。主要用于检定尺寸小于150mm的2等和2等以下的量块，也可对其他高准确度零件进行测量或作高准确度定位[2]。在一般计量部门，接触式干涉仪较多地使用于检定和校准3、4等量块。

图1 接触式干涉仪工作原理

接触式干涉仪的工作原理（见图1）是由白光光源1发出的光通过聚光镜2会聚，经干涉滤光片3射到分光镜4上。分光镜4将光束分为两路，一路经分光镜4反射至参考镜7并返回分光镜4。另一路透过分光镜4，经补偿镜5射向与测头相连的可动平面反射镜6，然后反射返回。由摆动反射镜7和可动反射镜6反射回来的光又重新汇合产生干涉条纹。干涉条纹经透镜8成像于分划板9上，通过目镜10在视场中可看到分划板9上的分度分划线，还可看到因测杆位置上下微量变化而移动的零级干涉条纹。用此零级干涉条纹做指标线，其相对于分划板分度线的移动量表征了测杆位置的变化量。由此接触式干涉仪的光波干涉系统把人眼无法察觉、随被测尺寸变化而微量上下位移的测杆移动量放大到人眼很容易分辨的、干涉条纹相对于分划板上分度间隔的位移量。

1 使用中的问题及调整

1.1 工作台升降不灵的修理

问题：由于这种仪器经过一段时间的使用，或由于维护不当，主轴会产生跳动或过紧的情况，主要原因是主轴表面有划痕或毛刺以及浸入微小颗粒、脏物等引起的。

消除的方法：把接触式干涉仪左侧的弹簧压板扳开，从底座上取下主轴，用航空汽油清洗，必要时用灯光照明仔细地检查，务必要清洗干净。如有局部划痕或毛刺应该用平玛瑙油石轻微地磨削，最后再用汽油清洗，然后用洁净的鹿皮或绸布擦干，稍微上些仪表油或锭子油（不宜过多），擦洗完毕定温30～60min后，再按顺序装好，方可达到要求。

1.2 支臂松动的调整

问题：接触式干涉仪的支臂在使用过程中，往往会遇到上下移动松紧不一致的问题。支臂松紧不一致会给测量带来不必要的麻烦。产生支臂松紧不一致的原因：①由于长时间使用后，立柱和支臂燕尾受到一定程度的磨损，较严重的部分是中下部，因为该部分平时使用比较频繁，上部一般磨损较少，因磨损量不同造成支臂上下移动时，产生松紧不一致。②支臂镶条的磨损。

消除的方法：由第一种原因产生的松动可以刮削立柱燕尾，需用的工具：①劈刀，②生铁研磨具（角度应符合立柱燕尾槽），③细平油石。需用的辅料有氧化铁与机油混合物。经过铲削后的立柱燕尾，要求显点均匀，支臂移动时应达到检定规程要求。由第二种原因产生的松动，当支臂上下移动间隙微小时，可依靠支臂调整螺钉消除。当间隙过大时，必须更换新的镶条。

支臂的松动是不能忽视的，当支臂因使用者疏忽而沿导轨滑下来时，会把测帽碰碎，或使镜管测杆装置受到冲击，造成损坏。

1.3 分划板移动直线性的调整和修理

（1）分划板沿导轨移动，由于磨损而产生间隙。可以借助于固定导轨的螺钉来调整。

（2）如果油泥过多，可取下分划板座，将燕尾导轨清洗干净，再进行调整。检查分划板质量的好坏可调整螺钉，使分划板移动20格左右时，用眼睛从目镜处观察。分划板座在导轨上移动时，不允许有松紧不一致或扭歪及倾斜现象。分划板座燕尾及导轨部件在压砂平板上压光，其表面粗糙度要求达到10级。平行性达到要求的特点是安装后，在移动分划板座时无松、紧现象。分划板装入其座内时，应保持分度线与燕尾平行。同时要注意使板座移动的两支弹簧长度相等，拉力一致。如果分划板座装入导轨内有间隙存在时，需把压板螺钉松开，靠螺钉与螺孔本身的间隙调整。如果调节范围不够，可以将螺孔的一边锉去一点，再进行调整。

（3）使分划板直线移动达到要求，必须保证三个条件：

a.燕尾直线性好，表面粗糙度到达10级。b.分划板座燕尾要平行。c.分划板座移动无间隙。

经过装配、调整和修理后，把分划板座取下擦洗干净，稍微加入润滑油，按次序装配好。

1.4 摆动反射镜的作用和调整

有摆动反射镜反射的光束构成干涉仪的两支相干光束中的一支。通过两个十字槽调整螺钉，应使反射镜能无间隙地自由摆动。如果摆动失效，原因是反射镜壳体的螺旋盘簧的弹力不均匀，或者有卡住现象，或是夹持反射镜壳体外框架上的两顶针头螺钉拧得过紧。消除此项问题时需要把反射镜取下来（注意不要把反射镜表面的铝镀层碰掉）。取下反射镜壳体，同时将螺旋盘簧取出，再将盘簧的螺旋中心拨偏一个角度，使其位置在两个十字槽螺钉之间的45°方向之后再将盘簧压紧。若在装上反射镜壳体和框架之后仍旧发现干涉带不稳定，可能是框架上或壳体上的两个60°螺钉孔内表面粗糙度不符合要求，也可能是两顶针头螺钉互不同心。

当调整干涉带宽窄或方位的变化不正常时，应调整在反射镜框上互成90°的四个顶尖螺钉，使反射镜摆动轴心处在分划板视场中心。要求：当拧动水平方向十字槽螺钉时，应该在目镜中看到干涉带在视场中心均匀地展开，不应有超过45°的倾斜。当拧动垂直方向十字槽螺钉时，干涉带应绕视场中心发生倾斜变化。

干涉带的宽窄和方位的变化是否稳定，主要取决于以下几个因素：一是反射镜壳体和框上的60°螺钉孔的表面粗糙度和两顶尖螺钉孔的同心度。二是螺钉的松紧程度。三是反射镜摆动轴心与显微镜光轴的同心度。如上述条件达到要求，即可消除此问题。

摆动反射镜装置的结构和拆卸。为了进一步了解反射镜结构装置，将摆镜系统的调整介绍如下：当发现反射镜表面有污点或调整失灵，必须拆卸修理时，从反射镜壳体松开四个螺钉，取下压环和反射镜，松开调整螺钉，拧出摆动反射镜螺钉，即可取出反射镜壳体及框架。再分解框架，松开螺钉取下反射镜壳体。此外，从反射镜壳上拧出螺钉方可取出螺旋盘簧，到此全部拆卸完成。经过拆卸、清洗和调整之后，再按原位置安装调整。

1.5 测杆径向间隙的修理

产生间隙的原因很多，要从外到内进行检查：

（1）工作台松动

玛瑙头的重合与玛瑙头上下位置的调整。工作台的螺钉要紧固。两个玛瑙头的位置要重合。玛瑙工作台上的玛瑙头高出筋条不能过高，一般控制在0.0012～0.0015mm为宜。

（2）工作台与量块的研合

如果工作台上有小毛刺，可以用玛瑙石或白玉油石磨削。如果毛刺大，应该进行压光。测量时，用干净的擦布擦干净。

（3）测杆与工作台的垂直性

如果测杆与工作台的垂直性超过0.004mm，则要对测杆进行校正。在精密V形铁上，转动测杆，在测杆头部和尾部处打千分表，检查四个方向，每180°进行一次。调整方法是用专用扳手，扳动测杆下套，向相反的方向扳动，要求平行性0.01mm。

（4）弹簧片的更换

先将测帽取下，再用专用调整扳手拧下调整帽、紧固环，松开四个小螺钉（如果镜管下面有小驻螺的，还要把驻螺拧掉），并作方向和深度的记号（如果是苏制的可以不做记号）。然后用扳手将测杆取出，用干净纸包好反射镜。将弹簧片组取下，取出压圈、弹簧片，换新弹簧片。装好后用样板校好。压圈和小压圈要求平行，厚度一致。每个组成部件的连接不可有微小的松动。按相反的顺序装好校正平行。弹簧片的材料和硬度对测杆的间隙有直接的影响。如果是国产的干涉仪，可以将测杆稍微转动一个角度，再进行调整、检查间隙的情况（转动的目的是调间隙最小的位置）。

1.6 示值超差[3，4]的修理和消除

（1）由于量块本身有毛刺，使测量误差加大。消除办法：可以用玛瑙石或白玉油石去掉毛刺或修理。

（2）使用玛瑙工作台时，玛瑙头的位置不能太高，约为0.0012～0.0015mm最合适。

（3）如果仪器本身用的是单色滤光片，其实际透过波长与标定波长不符合，为了测量正确，可重新测量波长或更换新的滤光片。

（4）对苏制干涉仪使用0.2 μm格值[5]时，需要辨清干涉带的变级情况（即零级条纹移至分划板边缘时颜色改变）。为了防止干涉带变级，当干涉带条移动时，将目镜随着干涉带移动方向也摆动一个角度，目的是使干涉带与目镜主光轴接近，使得干涉示值带容易认清。

（5）干涉条纹分布不均匀，即干涉带的宽度不等。用单色光观察，以分划板零位为基准，干涉带一边宽一边窄。其原因是测杆反射镜的反射面与测杆不垂直，或者摆动反射镜平行性差。由于两个反射镜面间、反射镜面与分光镜面间产生夹角，两面交线与摆动反射镜摆动轴线不平行，在调干涉带宽窄时由于两边角度变化不一致，造成干涉带条纹分布不均匀。

在相差较少时，可以转动物镜来补偿；相差较大时，可以改变两反射镜的角度或更换反射镜或分光镜（换分光镜时必须换一对），反射镜与分光镜之间有一定的联带关系。另外要检查分光镜与补偿镜之间的标准金属板是否符合要求，其平行度应该达到0.1 μm，不能有锈点和毛刺。

1.7 干涉带的调整和出现的条件

对测杆没有被拆卸过的干涉仪，调整干涉带时，首先对好灯丝，调整两个带十字槽的调整螺丝使灯丝像重合[5]。其次光程差要调整相等。要看清后面的反射镜表面上的脏点，前后移动物镜（前后移动物镜是为了避免干涉带出现时看得不明显）。然后微微上下转动调整帽，使摆动反射镜和测杆反射镜的反射面到分光镜的距离相等。在调整时，最好用单色光。对已经拆卸过的干涉仪，先用准直管将两个反射镜校正垂直。在准直管中，要使两个形象重合。摆动分光镜座，使两根灯丝线重合，再紧固分光镜座。移动物镜，看清摆动反射镜表面上下移动测杆，改变光程差（在移动测杆时，保证灯丝重合）直到看清上、下反射镜表面为止。这时，一定要耐心，集中精力，仔细观察，慢慢地转动测杆。因为出现的带条往往是很窄的，移动得很快，不容易看见，而有时又很宽，移动得更快。如果是国产的干涉仪，调出干涉带后，向下退一圈左右，然后紧固四个螺钉。

1.8 分光镜的装配和修理中换新的分光镜

装配时，先将补偿镜装在长型弹簧片的镜座上，再平行地装好标准金属板，然后将分光镜固定在标准金属板上。位置要正确，不应偏上或偏下，要求平行、干净、补偿镜和分光镜的表面上不应有任何的划伤和脏物，两镜片所受压力不能过大，受力要均匀，并能用手轻微地推动。分光镜和补偿镜在加工时的准确度要一样，在装配时可以互相调换。补偿镜和分光镜加工时，要在一块玻璃材料上下料，并且要求这两块玻璃平行。如平行性不好或者材料不一致会影响黑色干涉带的颜色，干涉条纹的颜色也不对称了。

1.9 物镜的装配

物镜是由金属工件和各个透镜组成的物镜组，简称物镜。它位于镜管的一端，由滚花螺钉固定在镜管上，并可借助于该滚花螺钉，前后移动物镜组，以调节干涉带的清晰度。物镜是仪器的主要部分之一，所以物镜各组件在组合时，必须按图纸的要求进行。例如间隙圈的尺寸是否符合图纸的要求，透镜前后位置是否正确，透镜与物镜套筒配合的松紧程度是否合适等。金属工件必须经过表面氧化处理，目的在于防止工件本身锈蚀，减少对像质的不良影响以及产生漫反射光。经过表面处理的零件要用汽油清洗干净和烘干。透镜不准有划伤和气泡，胶合的透镜不能有开胶现象（胶合透镜不允许有空气泡）。在装配之前均需仔细检查。各透镜的方向不能装反，否则装在仪器上之后，会影响干涉带的清晰程度。

1.10 目镜的装配

目镜是由透镜和金属工件组成的，用螺钉固定在分划板座外壳上，并可以绕螺钉的轴线摆动。装配时，把透镜安放在壳内。目镜有两种透镜：一种是胶合透镜，另一种是单片透镜（或称场镜）。两种透镜分别装入壳内，都以压边固定。压边的工具是用表面粗糙度比较好的金属棒，直径约6～9mm，或者用专用工具。压边在车床上或用手工的办法进行，用力不能过大和过猛，以防止把透镜边缘压破或使胶合透镜开胶等。在修理过程中，如果目镜或是物镜由于内部发生霉点或水珠等情况影响了像的清晰度时就需要拆卸，对各透镜进行清洗和修理。必须注意应按照原来的部位和顺序进行装配。