一種二維基線導軌直線度的測量方法

卞偉 郝彥彬 謝平 陳曉寧 / 河北省計量監督檢測研究院

0 引言

目前，各省計量院都在陸續建立室內大長度測量系統，該測量系統可實現對激光位移類計量器具的校準及溯源工作。二維基線導軌作為室內大長度測量系統的主要配套設備，導軌直線度測量和變形監測是了解導軌穩定性的必要手段[1]，同時，其兩方向（水平和豎直）直線度的準確性測量作為不確定度的一個重要分量將直接影響該系統的可靠性。

直線度誤差是指實際被測直線要素相對其理想直線的最大變動量[2]。直線度的測量方法主要分為非激光類測量方法和激光類測量方法[3]。非激光類測量方法主要包括：水平儀法[4]、鋼絲法和打表法等，該類方法準確度低（通常在幾十個微米），過程復雜，效率不高；激光類測量方法主要包括：激光干涉儀法[5]、光電自準直儀加反射鏡法[6]和光束基準法等，該類方法準確度高，但是受測量范圍小（需要多次拼接）、不能斷光續接和調整激光等復雜因素的影響，其測量領域存在一定的局限性。

針對二維基線導軌的直線度測量，傳統方法均存在一定的弊端，為此，本文基于激光幾何測量系統的特點及性能，介紹一種新型的二維基線導軌直線度測量方法。

1 測量原理

激光幾何測量系統由專用夾具、激光發射器、激光接收器和控制及數據處理系統組成。該測量系統的分辨力為0.000 1 mm，發射出的激光直徑為5 mm，其采用PSD 激光感應技術[7]，以激光發射器的直線性作為基準光軸，然后對固定于導軌運動平臺上的激光接收器以相同的跨距逐一單點移動。激光束照在激光接收器上的二維PSD 傳感器光敏面上形成激光點。伴隨激光點的形成，位于光敏面內部的P-N結因吸收光子產生電子-空穴對，由于電子和空穴流動方向的不同產生了光生電勢。進而基于橫向光電效應的原理，激光幾何測量系統感應并采集光敏面上光斑的空間位置信息，即感應并測量每一跨距點相對于基準光軸的偏移量（同時完成水平方向和豎直方向的偏移量測量），從而完成所有數據的采集，最后通過最小二乘法完成水平方向和豎直方向直線度的評定。測量原理如圖1 所示。

圖1 測量原理

被測基線導軌的有效全長為48 m，激光幾何測量系統的測量范圍能夠滿足一次性測量，相較于準直儀的分段拼接測量提高了測量準確度。并且能夠一次性完成水平方向和豎直方向的直線度測量，相較于激光干涉儀兩套鏡組單獨測量一方向導軌直線度提高了測量效率。

2 測量過程

首先將激光發射器通過磁力表座固定在微動臺架上，激光接收器通過螺桿和專用夾具固定在基線導軌的運動平臺上，同時將運動平臺移動至近點即第一測量點，升降和平移微動臺架完成近點激光發射器和激光接收器的調平并數據回零。然后將運動平臺移動至遠點即最后測量點，扭擺和俯仰微動臺架完成遠點激光發射器和激光接收器的調平并數據調零。遵循“近點回零、遠點調零”的原則，反復進行調整，完成整套系統的調平工作。調平后如圖2 所示。

圖2 激光測量系統調平

二維基線導軌直線度的測量采用等距跨度的測量方式。如果測量跨度太小，數據量過大，影響測量結果可信度的同時降低測量效率；如果測量跨度太大，數據量過小，不能有效反應真實的直線度形狀特征[8]。為此結合被測導軌有效長度和運動平臺的長度并基于測量點首尾相接的原則，本次測量選取額跨度為500 mm。在激光幾何測量系統中選取單點測量模式并輸入500 mm 的跨度值，然后相繼移動導軌的運動平臺，完成共97 個測量點共194 個數據的采集。

3 測量結果

兩方向單點測量數據如表1 所示，同時以“0”為參考，通過最小二乘法擬合計算的二維基線導軌水平方向直線度為0.291 5 mm，垂直方向直線度為0.302 9 mm，如表2 所示。通過結果圖表視圖（圖3）和結果三維視圖（圖4）能夠很直觀地看出基線導軌兩方向直線度的形狀變化趨勢，為后續基線導軌的在線實時調整提供重要的數據支持。

表1 單點測量數據

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續表1

表2 直線度結果

圖3 結果圖表視圖

圖4 結果三維視圖

4 結語

激光測量系統的技術參數滿足二維基線導軌直線度的一次性測量，二維基線導軌直線度的技術要求為：全長范圍內兩方向直線度≤500 μm，測量結果為：垂直方向0.291 5 mm，水平方向0.302 9 mm。同時本套激光幾何測量系統的示值誤差不超過校準結果的不確定度，因此該方法滿足二維基線導軌直線度的測量要求，同時兩方向直線度一起測量也提高了測量效率。測量結果詳細明了，為實時調整導軌提供數據支撐，并且對二維基線導軌直線度的穩定性試驗及有關不確定度的評定工作提供了一定的技術支持。