雙頻激光干涉儀在引伸計標定器示值誤差校準中的運用

方明

(南京晨光集團有限責任公司計量中心，江蘇南京 210006）

0 引言

引伸計標定器是用于對標定的引伸計給出標準位移量的儀器。它由剛性支架、兩個同軸的心軸或者裝卡引伸計的夾具、能夠準確地測量沿心軸軸向位移變化的測微裝置組成。標定器一般使用具有螺旋副結構的測微頭，并用安裝在標定器支架上的測微儀表配合量塊進行測量。

依據JJF1096－2002《引伸計標定器校準規范》，在校準標定器示值誤差時使用的標準和其他設備的要求如下:2等、3等、4等或5等量塊；分度值 (或分辨力）不超過0.1μm的測微儀、比較儀；專用瑪瑙工作臺或三珠工作臺［1］。

采用的方法既有直接法又有配對法。整個校準工作麻煩且費時；最后的數據處理過程由于涉及每塊都有偏差的量塊，還需修正，因此計算過程同樣繁瑣又復雜。僅儀器的示值誤差校準這一項工作，就需半天時間，再加上其他項目的校準以及數據處理及計算、出證書等等工作，整臺儀器的校準一個人需花費一天時間。這在現代的計量校準工作中，其效率是很低的。

1 雙頻激光干涉儀校準儀器時激光光路的設計

雙頻激光干涉儀具有測量準確度高、穩定性好以及校準過程連續性好的優點，通常被選作測量標準用于校準一些高精度測長類儀器，被校儀器的范圍一般在200～2000 mm之間。

雖然引伸計標定器的測量范圍只有25 mm，但經過多次試驗，激光干涉儀也同樣可校準其示值誤差。

試驗中以激光光路的調整最便捷、測量誤差較小為條件，設計方案如圖1所示。

圖1 方案實物圖

圖1中反射鏡外殼的材料采用鐵制，再加上強力磁鐵，能牢固地吸附在引伸計可動心軸的平測量面上。干涉鏡則同時起到了激光的干涉及直角反射的作用。

由于測量范圍較短，只有25 mm，整個激光光路的準直調整過程相對于校準其他通用儀器時的調整時間要稍長一些。

2 校準方案可行性分析

JJF1096－2002《引伸計標定器校準規范》規定，最高級別 (0.2級）的最大允許絕對誤差δ引為±0.2μm(校準范圍不超過1/3 mm時），最大允許相對誤差δrel引為 ±0.06% (校準范圍超過 1/3 mm 時）。在JJG739－2005《激光干涉儀計量規程》中，雙頻激光干涉儀在標準條件下，位移測量的最大允許示值誤差為±(0.03+0.5L）μm；在使用空氣參數補償單元的位移測量最大允許示值誤差為±(0.03+1.5L）μm。以上L為測量長度，單位m［2］。

根據以上激光儀器最大允許示值誤差公式，通常情況下，經過檢定合格的激光干涉儀，在使用空氣參數補償單元 (激光儀器附帶的溫度、氣壓、濕度傳感器）的條件下，有以下結論:校準范圍不超過1/3 mm時，雙頻激光干涉儀產生的絕對誤差δ激為±0.0305μm；校準范圍超過1/3 mm時，以引伸計標定器最大被校范圍25mm為例，雙頻激光干涉儀產生的誤差為±0.0675μm，換算成相對誤差 δrel激為 0.00027%。則:δ激/δ引=0. 0153；δrel激/δrel引=0.0045。國軍標規定，至少按 1/4的比例選擇測量標準，在條件允許時最好按1/10的比例選擇測量標準。因此，選用雙頻激光干涉儀作為測量標準，滿足測量標準的誤差小于被測設備允許誤差的1/4～1/10這一技術要求。同樣依據JJF1096－2002規范要求，校準儀器0～0.1 mm測量范圍時，需使用1.0，1.01，1.02，…，1.09 mm間隔為0.01 mm的量塊，共計10塊。一般引伸計標定器的校準范圍為0～25 mm，需要分別校準的5段范圍是:0～0.1 mm，0～0.5mm，0～1.0mm，1～5mm和5～25 mm；對應于校準用量塊的標稱長度間隔分別為:0.01，0.05，0.1，0.5 mm和5 mm。因此，依據規范做完整套示值誤差的校準工作需選用近30塊量塊，有的量塊還需研合，組合成標稱長度，過程繁瑣且操作難度大。

選用雙頻激光干涉儀作為主標準，只要一次調整好光路后，即可連續進行測量，同時測量軟件自動記錄測量數據，提高了數據處理速度。而非接觸式的測量方式降低了由于更換量塊引入的測量不確定度分量。激光干涉儀可在任意范圍內任意間隔測量的特性，大大提高了上述5段被校范圍的校準工作效率。

3 校準結果的數據處理

使用激光干涉儀校準標定器示值誤差的過程同樣嚴格依據校準規范規定的采點要求采集校準數據 (同方向，各校準點重復測量3次）。校準過程使用激光干涉儀自帶的測量軟件對整個校準過程的數據采集并記錄，校準結束后也可作為該次校準的部分原始記錄。以下以校準引伸計標定器0～0.1 mm范圍為例，加以具體說明。具體校準結果如圖2所示。

由于測量范圍小于1/3 mm，因此依據規范需計算的是示值的絕對誤差Δ=ΔA(大于1/3 mm時，需計算相對誤差）。ΔA為在某校準點時，激光的讀數值與初始值的偏差，μm。取同方向上各校準點重復測量3次中的最大差值作為該點的測量結果。計算結果見表1。

圖2 校準結果曲線

表1 實驗數據處理

由表1中數據得:Δmax=0.40μm，Δmin=－0.24μm，符合0.5級引伸計標定器示值誤差要求 (規范要求:0.5級儀器的示值誤差最大允許值±0.5μm）。同樣的方法可得其他4段校準范圍的校準結果。

以上整個校準過程包括激光光路的調整不超過1 h，工作效率得到極大地提高。需說明的是，使用激光干涉儀，其校準結果的測量不確定度評定是有別于規范附錄A中示值誤差的測量不確定度評定方法，由于篇幅有限，這里暫不展開敘述。

4 結束語

引伸計標定器國家校準規范的制定是在2002年，規范中以量塊為主標準，這是因為量塊作為傳統測量標準無論從購置、維護以及標準送檢方面都非常成熟、便捷和經濟，但是使用量塊作為主標準，校準的效率卻很低。

近幾年來，隨著一些高精尖測量設備的普及，采用更準確穩定高效的測量設備和測量方法可以大幅度地提高工作效率及質量，同樣也順應了現代計量校準工作的要求。雙頻激光干涉儀被用作校準引伸計標定器的主標準也是基于這方面的考慮。

［1］國家質量監督檢驗檢疫總局.JJF 1096－2002引伸計標定器校準規范［S］.北京:中國計量出版社，2002.

［2］國家質量監督檢驗檢疫總局.JJG 739－2005激光干涉儀檢定規程［S］.北京:中國計量出版社，2005.