二等量块检定装置*

/ 1.广东省计量科学研究院；2.广东省现代几何与力学计量技术重点实验室

0 引言

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[1]。目前我国还未正式开展一等量块的量传检定[2]。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[3][4]。二等量块的使用越来越广泛，华南地区越来越多的企业提出了提供二等量块检测的要求，不少校准实验室的长度最高工作标准也配备了二等量块，需要向其提供符合不确定度要求的长度量值的校准服务。

本项目由广东省计量科学研究院与中国计量科学研究院联合完成。广东省计量科学研究院联合中国计量科学研究院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的形变不一致的问题，实现高等级量块的自动准确测量。

1 二等量块自动测量装置

1.1 测量原理

采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。项目在硬件方面主要研发了装置的机械主体、精密柔性定位测头系统、干涉光路系统、光电信号处理系统、测头驱动系统、环境参数监测系统；软件方面开发了自动测量控制程序，主要包括：数据自动采集处理模块、环境参数监测模块、测头自动定位模块和测量结果判定模块。

He-Ne激光器发出稳频的激光经准直扩束器后，形成一束平行光，光束经反射镜入射到分光镜上。光束在此分为两路：一路反射到角锥棱镜上，为参考光路，传感器中安装有角锥棱镜，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；另一路光透过分光镜入射到柔性定位控制传感器上的角锥棱镜，为测量光路。反射回的两路光在分光镜上产生干涉，干涉信号由光电转换器接收。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[5]。见图1基于激光干涉原理的二等量块自动测量装置激光干涉原理。

1.2 装置的设计

1）总体结构

本测量装置由激光干涉系统、移动控制系统、环境参数测量系统、柔性定位系统和机械主体组成，外观如图2所示。

图1 基于激光干涉原理的二等量块自动测量装置激光干涉原理图

图2 激光干涉二等量块自动测量装置外观图

2）激光干涉系统。

该系统采用激光干涉仪XL10，该仪器具有小巧轻便并提供了软件开发的接口函数，方便获取测量的距离值。此激光干涉仪配合自己研制的高准确度环境参数测量系统，满足了测长的高准确度要求。

3）移动控制系统

该系统采用精密滚珠丝杠配精密滚动导轨副的方式实现直线运动，采用步进电机和高细分的驱动器实现系统的驱动，采用PCI插槽的步进电机控制卡实现运动的计算机控制。在设计系统时，为防止电机发热对测量装置温度的影响，将电机放置在整个装置的外面，通过同步带实现电机与丝杠连接。运动系统（运动测头）的定位采用柔性定位控制系统来实现，故移动控制系统采用开环方式控制。为消除因滑块上下移动致电机载荷不等的问题，设计了平衡机构。

4）环境参数测量系统

该系统由大气压力测量传感、湿度传感器及温度传感器组成，所有传感器均采用RS232串口实现与计算机的通信，实现系统的自动采集。其中温度传感器包括两路：一路实现测量光路附近的空气温度测量，一路实现量块温度的测量。两路温度传感器在20 ℃附近的测量不确定度在0.01 ℃以内。

5）柔性定位系统

该系统是由光机电相结合的定位控制系统，主要由电感定位部分、柔性测头部分和信号处理电路三部分组成。柔性定位系统输出一个定位脉冲信号，可由计算机采集获得。

6）机械主体部分

主要由大理石基体、工作台、量块推动机构及光学镜调节机构组成。大理石基体由基座和立柱两部分组成，基座为整个装置的基础，测量装置的所有部件均放置在此基座上面，基座采用三点支撑，可以调节装置的水平。大理石立柱主要用于支撑直线运动部分，安装调试保证运动的直线度要求。工作台为精密研磨的五筋工作台，中间筋略高于两侧筋，以保证量块与中间筋的可靠接触。工作台整体可以实现两维的微调，保证测头与工作台中间筋的正确接触。左右两个量块推动机构，可以将被测量块平稳地推入和拉出，实现量块的测量。光学镜调节机构包括参考镜和测量镜的调整机构，可以将测量光路与导轨调整至平行，保证测长的准确度。

7）测量软件

该装置配套的软件操作简单，界面直观，采用VC++ 6.0作为开发工具，综合应用了ActiveX、OCX和动态链接库技术，完成了对系统中激光干涉仪数据信号的采集控制、接触式测量头自动定位的控制、环境条件参数的自动采集和补偿控制等，实现了二等标准量块的绝对自动测量。软件功能组成如图3所示[6]。

图3 软件功能结构图

1.3 主要技术指标：

测量范围：0～100 mm

最大允许误差MPE：±(0.05 μm+0.5×10-6L)式中：L——被测量块的标称长度

1.4 环境参数p、t、f 测量系统及量块实际长度修正

量块长度用光波干涉仪以光谱辐射线波长作为标准直接测量时，量块温度、量块附近空气的温度、气压和湿度测量各系统的各自测量不确定度对量块长度测量影响的总和，应不超过被测量块长度测量不确定度的50%。

本装置设计过程中开发了自动监控测量环境参数的单元，各参数能实时传送到计算机完成测量结果的修正处理。大气压测量最大允许误差不超过±10 Pa，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许误差不超过±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℃-1。

根据JJG 146-2011《量块》检定规程[7]的要求，量块长度测量结果必须是标准温度条件20 ℃时的值，但在实际测量中通常不能做到刚好在标准状态下。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和细分条纹数[8]，该模块配备了接口函数 char rdvGetReading (void)，再引入了环境参数的补偿后，获得量块中心长度的实际值[9]。

当采用干涉条纹直接计数法测量二等量块时，被测量块在测量条件下的长度是：

式中：l—— 测得的量块长度；

N—— 干涉条纹整数部分；

m—— 干涉条纹小数部分；

λ—— 激光的真空波长；

n—— 空气折射率；

c1—— 测量温度偏离20 ℃时量块长度的修正量

式中：α——被测量块的线膨胀系数；

tg——被测量块测量时的温度，℃

对于空气折射率n，是通过测量空气的温度、气压和空气湿度，并用公式计算得到：

式中：σ—— 真空中的波数，m-1

2 试验与分析

2.1 测量模型及测量不确定度

用接触式量块激光干涉仪测量量块长度的表达式为

加上其他影响量后式（6）变为

式中：l—— 测得的量块长度；

N—— 干涉条纹整数部分；

m—— 干涉条纹小数部分；

λ—— 激光的真空波长；

n—— 空气折射率；

L—— 被测量块的标称长度；

α—— 被测量块的线膨胀系数；

tg—— 被测量块测量时的温度，℃；

δlΩ—— 激光光线与测量轴倾斜的影响；

δlφ—— 工作台与测量轴倾斜的影响；

δlθ—— 工作台筋高造成量块倾斜的影响；

δlh—— 工作台筋高造成量块中心脱空的影响；

δlF1—— 测量力造成中筋接触变形的影响；

δlF2—— 测量力造成量块被压缩的影响；

δlF3—— 测量力造成工作台和量块变形差的影响；

δlM1—— 量块自重使中筋接触变形的影响；

δlM2—— 量块自重使中筋受压缩的影响；

δlG—— 量块长度变动量的影响

从上述各影响量对量块长度产生的影响，对量块长度进行测量不确定度分析，结果如表1所示。

表1 不同量块长度扩展不确定度

2.2 重复性实验

选取一块标称长度为10 mm的二等量块在接触式激光量块干涉仪上进行10次重复测量，计算得出试验标准偏差s(yi)：

单次测量实验标准偏差s= 0.008 μm ，该重复性不大于测量不确定度评定中所采用的重复性数据为0.01 μm，重复性符合要求。

2.3 装置稳定性实验

选择标称尺寸为10 mm的二等量块在本装置上测量，每隔一年测量一次，平均测10个观测值，取其算术平均值作为该组的测量结果。共观测5次，其结果由式（9）计算出sm= 0.06 μm，经比较，装置稳定性小于计量标准扩展不确定度，sm小于Uc，稳定性符合要求。

2.4 量块比对实验

根据JJF 1033-2008《计量标准考核规范》中C.5.2的验证方法，采用传递比较法，分别选取4块二等量块作为被测对象用本装置测量，测量结果与中国计量科学研究院的结果进行比较，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。比对实验结果如表2所示。

结论：测量结果之差满足

该二等量块检定装置测量不确定度得到验证。

3 结语

（1）经中国计量科学研究院检定，本装置测量范围上限不超过100 mm，重复性小于0.02 μm，示值误差不超过 0.05 μm+0.5×10-6L。

（2）对装置测量过程中各影响量的标准不确定度分量进行评估, 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所规定的最大允许测量不确定度的要求，与中国计量科学研究院的测量结果比较，表明符合JJF 1033-2008计量标准考核规范规定的传递比较法验证准则。

（3）本装置作为华南地区的最高等级计量标准，已经获国家质量技术监督检验检疫总局授权，在广东省计量科学研究院投入使用，对外开展长度尺寸为0.5～100 mm的二等量块相关的检定、校准工作，取得良好的经济效益和社会效益。