激光干涉二等量块自动测量装置

何冬琦，张旭东，张　勇

激光干涉二等量块自动测量装置

何冬琦1，2，张旭东3，张勇1，2

（1.广东省现代几何与力学计量技术重点实验室，广东广州510405；2.广东省计量科学研究院，广东广州510405；3.中国计量科学研究院，北京100013）

该文利用激光干涉测长原理研发二等量块自动测量系统，该装置采用633 nm碘饱和吸收稳频He-Ne激光器作为标准。硬件方面设计、开发机械本体，搭建激光光路和信号处理模块，研发精密定位的柔性传感器，选配相关电机驱动和环境参数监控系统；软件方面研发数据采集和监控处理程序、测量结果判定及环境参数补偿软件。本装置测量范围上限达100mm，测量量块的扩展不确定度为U=0.04～0.08μm（k=3），其复现量值指标达到JJG 146——2011《量块》的技术要求。

量块；激光干涉；柔性定位；不确定度

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2015.09.016

0　引言

根据JJG 146——2011《量块》计量检定规程，从制造角度来看由量块的实际长度对标称长度的偏差值，准确度等级为K、0、1、2、3共5个等级［1］；从使用角度来看由量块实际中心长度的测量不确定度，其等级分为1、2、3、4、5共5个等级。量块计量检定是保证精密制造的基础。随着我国现代制造精密加工能力的不断提升，对量块计量检定的要求也日益提高［2］。目前，我国还未正式开展一等量块的量传检定［3］。二等量块作为现阶段实际用于量值传递的最高等级长度实物标准器，在地级以上的计量技术机构和大型企业广泛使用，其准确性在长度量传领域举足轻重［4］。当前，我国已开展的二等量块检定均采用研合平晶的非接触式干涉测量法，但二等量块向下传递量值时又采用接触式测量法，存在二者形变不一致的问题。研制基于激光干涉原理的二等量块自动测量装置，采用柔性接触定位方式，自动消除溯源和量传过程中形变不一致的问题，实现高等级量块的自动准确测量。

1　装置的工作原理及关键模块

1.1装置的工作原理

基于激光干涉原理的二等量块自动测量装置是光、机、电相结合，并融软件于一体的高精度量块测量仪器，激光系统的光路原理如图1所示。

图1　二等量块自动测量装置激光干涉原理图

He-Ne激光器1发出稳频的激光经准直扩束器3后，形成一束平行光，光束经反射镜4入射到分光镜10上，光束在此分为两路：一路反射到角锥棱镜11上，为参考光路；另一路光透过分光镜入射到柔性定位控制传感器9上的角锥棱镜（传感器9中安装有角锥棱镜，此棱镜与电感磁芯、测杆、测帽刚性连接为一体，它们可同步沿轴向移动），为测量光路。反射回的两路光在分光镜10上产生干涉，干涉信号由光电转换器5和6接收。干涉条纹信号是一个以半波长λ/2为周期的正弦信号，光电转换器接收的干涉条纹信号通过移相电路处理后，传送至计算机信号处理模块获得移动距离值。

图2　精密定位柔性传感器结构图

1.2精密定位柔性传感器

本装置专门研发了用于精密定位的柔性传感器［5］，激光干涉的角锥棱镜和电感磁芯刚性连接组成激光随动系统，符合阿贝原则，可准确监测测头的位置变化。图2是精密定位柔性传感器结构图，其工作过程为：传感器安装在滑板上并顺其轴线沿导轨移动，测帽13接触到工作台面时，测杆9相对于传感器外壳1移动。由于测杆9与传感器外壳1间的弹簧10发生变形，使测量力逐渐增大。测帽13、测杆9与电感线圈6刚性连接为一体，当测量力达到设定值时，电感磁芯7相对于电感线圈6过零，发出定位信号，由程序控制电机停转，通过触发器（电感信号处理电路）和计算机发出指令，驱动激光干涉仪开始记录条纹的脉冲信号数。然后，电机反转，传感器自动提升，测头离开工作台，接触测量力消失。当提升至指定高度后，在工作台上放入被测件，传感器再开始向下移动。当测帽13接触到被测件表面时，测杆9相对于传感器外壳1移动，测量力增大到设定值时，电感再次过零触发，发出定位信号到计算机，激光干涉仪停止记数。

表1为柔性传感器定位重复性测试的一组数据，计算3倍标准偏差为3 nm。在脉冲当量为1.25nm的激光干涉系统中，柔性传感器定位重复性不超过5nm。

表1　传感器定位重复性数据

表2　主要标准不确定度汇总表

1.3激光干涉信号处理

本装置采用英国雷尼绍公司的ML10主控模块来处理激光干涉条纹整周期计数和细分条纹数［6］，该模块配备了接口函数char rdvGetReading（void），引入环境参数补偿，获得量块中心长度的实际值［7-8］。

本装置获取的激光干涉条纹的整周期计数M、空气折射率n和测量温度偏离20℃时量块长度的修正量C，则量块的实际尺寸l为

2　装置测量的不确定度分析与验证

引入量块的标称长度L、材料热膨胀系数α和被测量的温度tg，则量块温度偏离20℃时，其长度的修正量C=Lα（20-tg）。再加上测量过程中其他所有影响量，包括激光光线与测量轴倾斜的影响量δlΩ、工作台与测量轴倾斜的影响δlΦ、工作台筋高造成量块倾斜的影响δlθ、工作台筋高造成量块中心脱空的影响δlh、测量力造成中筋接触变形的影响δlF1、测量力造成量块被压缩的影响δlF2、测量力造成工作台和量块变形差的影响δlF3、量块自重使中筋接触变形的影响δlM1、量块自重使中筋受压缩的影响δlM2、量块长度变动量的影响δlG［9-10］，则式（1）可转换为

空气折射率n根据测量空气温度、气压和空气湿度，利用式（3）计算得出。

式中σ为激光真空中的波数，μm-1。

量块中心长度l的测量不确定度主要来源于λ、n、m、tg、α、δlΩ、δlΦ、δlθ、δlh、δlF1、δlF2、δlF3、δlM1、δlM2、δlG等影响量。这些不确定度分量中以m为主的影响量按A类不确定度考虑，其他均为B类不确定度，并且相互间独立无关［11］，则：

本装置研制过程中，开发自动监控测量环境参数的单元，各参数可实时传送至计算机完成修正处理测量结果。大气压力测量最大允许误差不超过±10Pa，空气温度和量块温度测量最大允许误差不超过±0.01℃，相对湿度测量最大允差不超过±3%RH，本装置所处的环境温度控制在（20±0.3）℃，被检量块的热胀系数为11.5×10-6/℃，根据量块标称长度L，省略计算过程，则各影响量标准不确定度值如表2所示。

将表2中各标准不确定度分量代入式（6），不同被检量块标称长度对应的测量不确定度U99（k=3）计算汇总见表3，不超过量块检定规程JJG 146——2011《量块》所规定的检定二等量块最大允许测量不确定度值（见表3最后一列）。

表3　被检量块标称长度与扩展不确定度对应表（k=3）

对基于激光干涉原理的二等量块自动测量装置的测量不确定度进行验证。本装置检定二等量块的测量结果ya、Ua与中国计量科学研究院的测量结果yb、Ub进行比较，如表4所示，均满足，符合JJF 1033——2008《计量标准考核规范》规定的传递比较法验证准则，本装置可开展二等量块的检定［12-13］。

表4　本装置检定二等量块与中国计量科学研究院测量结果的比较表（k=2）

3　结束语

1）基于激光干涉原理的二等量块自动测量装置是光机电一体并融合软件技术的高精度量块测量仪器，其精密定位柔性传感器在脉冲当量为1.25nm的激光干涉系统中的定位重复性不超过5nm。

2）装置的核心部分激光干涉条纹整周期计数和细分单元，采用硬件电路和软件分别对干涉条纹信号的整周期部分进行可逆计数和不足一个周期的部分进行细分计数；同时将一个周期信号细分N等份，再根据当前信号幅值精确反求相位角，并计算测头的当前位置。当每个周期干涉条纹约对应0.3μm的测头位移量和N=256时，可获得1.25nm的分辨率，极大提高了测量分辨力，完全满足检定二等量块的要求。

3）对装置测量过程各标准不确定度分量分析、计算，不同被检量块标称长度的测量不确定度U99（k=3）均不超过量块检定规程JJG 146——2011《量块》所规定的最大允许测量不确定度值；与中国计量科学研究院的测量结果比较表明，该测量不确定度符合JJF 1033——2008《计量标准考核规范》规定的传递比较法验证准则。

4）基于激光干涉原理的二等量块自动测量装置测量范围上限达100mm，测量量块的扩展不确定度为U=0.04～0.08μm（k=3），其复现量值指标达到JJG 146——2011《量块》的技术要求。

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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

质检公益科研专项（201110043）

何冬琦（1974-），女，广东湛江市人，工程师，硕士，主要从事量块计量检定和研究工作。