基于動態光電瞄準的2m激光干涉比長儀研究

劉婷婷 趙新麗 李艷 張子辰

摘要：激光干涉比長儀是用激光波長直接檢定線紋尺的工作基準類儀器，可將幾何量值直接溯源到國際推薦的激光波長。為減小測量誤差，滿足測長精度，研究了新的激光干涉比長儀裝置。該裝置主體結構采用花崗巖石，利用空氣靜壓導軌技術、高精度光電顯微鏡瞄準技術和空氣折射率準實時修正技術等，有效提高了測量精度。

關鍵詞：激光干涉比長儀;動態光電瞄準;折射率修正;軟件控制

0 引言

隨著科技的快速發展，精密測量、機械制造等各種產業不斷壯大，人們也更加關注產品的生產質量與生產效率，在生產中長度測量是否準確至關重要[1]。而線紋尺作為長度計量量值傳遞系統中應用最為廣泛的實物標準器之一，其重要作用不言而喻[2]。

激光干涉比長儀是用激光波長直接檢定線紋尺的工作基準類儀器，主要用于檢定長度至1 000 mm的一、二等標準金屬線紋尺和一、二等標準玻璃線紋尺[3]，也可用于測微尺（100線/mm）、位移傳感器、激光干涉儀、低等級線紋尺和光柵尺等計量器具的測量和校準，進而使得幾何量值可以溯源到國際推薦的激光波長[4]。

為了減小測量誤差，確保儀器的測長精度，該激光干涉比長儀在設計時遵循了阿貝原則。比長儀的床身、導軌以及工作臺均采用花崗巖材料制造，利用空氣靜壓導軌技術使其滿足高精度的導軌運動以及工作臺的運動特性。測量過程中利用動態光電顯微鏡瞄準技術，簡化了顯微鏡結構且提高了測量效率;通過Edlen公式對空氣折射率進行準實時修正，以滿足高精度的測量要求。激光干涉比長儀融軟硬件于一體，涉及光學、機械、電學以及計算機等多個領域，是高精度、自動化、多功能、智能化的大型測試儀器。

1 裝置組成

激光干涉比長儀機械結構如圖1所示，本裝置采用精密大理石傳動控制系統作為儀器基礎，包括儀器的基座、直線運動導軌以及運動工作臺，部分支撐部件配以鑄鐵結構（干涉儀及光電顯微鏡的支撐部件）。光電顯微鏡利用光電元器件實現光電轉換，通過對線紋尺刻線平均黑度中心（對應刻線的中心線）進行判斷從而實現對刻線的瞄準。本裝置設計了新的2倍程單頻偏振激光干涉儀作為測量標尺實現測量要求，激光干涉儀的測量范圍為2.5 m，測量分辨率1 nm，測量準確度優于10 nm。

圖2是激光干涉比長儀的系統框圖。從功能來劃分，激光干涉比長儀系統由激光干涉測長系統、驅動系統、光電顯微鏡瞄準系統、信號處理系統、環境參數修正補償系統以及軟件控制系統等模塊組成。測量時，線紋尺被安裝在一維高精密氣浮臺上并隨著氣浮臺勻速運動。動態光電顯微鏡可實現被測線紋尺在勻速運動的狀態下被瞄準測量，光電顯微鏡在線紋尺刻線中心處產生脈沖觸發信號，該信號使得激光干涉比長儀觸發采樣讀數。在測量過程中，利用溫度、濕度和壓力傳感器對環境參數進行實時監控，并在軟件中對空氣中的激光波長及材料溫度膨脹系數對測量結果的影響進行修正。圖3是激光干涉比長儀實物圖。

2 關鍵技術

2.1 ? ?動態光電瞄準

利用激光干涉比長儀對線紋尺進行檢定時，瞄準系統通常采用光電顯微鏡。光電顯微鏡是通過判定刻線的平均黑度中心來對線紋尺刻線進行瞄準的[5]，其中的光電元件可以實現光電轉換。根據測量時被測對象運動狀態的不同，光電顯微鏡通?？梢苑譃殪o態光電顯微鏡和動態光電顯微鏡。靜態光電顯微鏡是在被測對象處于靜止狀態下對其進行瞄準的，而動態光電顯微鏡瞄準時被測對象處于勻速運動的狀態。與靜態光電顯微鏡相比，動態光電顯微鏡結構更加簡單，且測量效率較高。隨著測量要求的不斷提高，動態光電顯微鏡的用途越來越廣泛，并逐漸代替了靜態光電顯微鏡。

該激光干涉比長儀采用雙管差動式動態光電顯微鏡對線紋尺刻線進行瞄準，它主要由成像系統、照明系統及觀察系統三部分組成。為滿足瞄準精度的要求，成像系統設計成物方遠心光路，照明系統采用遠心照明方式，以減小調焦誤差引起的測量誤差。同時，適當加大顯微物鏡的倍數和數值孔徑，可以減小焦深，也有利于對線精度的提高。

2.2 ? ?軟件控制系統

激光干涉比長儀軟件控制系統界面如圖4所示，此界面與Windows軟件兼容，提供了菜單命令欄、快捷工具欄等，操作直觀、方便。測量軟件主要分為信息輸入、線紋尺測量、數據管理和環境監控4個部分。

在“信息輸入”界面中，選擇并填寫被測線紋尺的客戶信息、樣品詳細信息及校驗信息等，這些信息以及之后相應的測量數據會被存儲進設計好的MySQL數據表。

在“線紋尺測量”界面中，可以實現對線紋尺的測量功能?？刂葡到y可以實現激光干涉比長儀的自動觸發及外部觸發計數功能，完成測量調試功能。配合傳動系統，軟件控制系統可以實現工作臺測量速度分別為0.5 mm/s、1.0 mm/s、1.5 mm/s、2.0 mm/s四檔的切換以及正向運動、反向運動、相對運動、絕對運動和急停等運動狀態的選擇。同時，可以實現與溫度、濕度及壓力傳感器的通信，對環境參數進行實時顯示，進而對測量結果進行實時修正。在線紋尺測量的過程中，可以顯示工作臺的運動狀態，發生故障時報告錯誤。

在線紋尺測量完成之后，進入“數據管理”界面進行測量基本信息和測量數據的顯示以及偏差曲線的繪制，偏差曲線包含本次偏差曲線、歷次偏差曲線和兩次差值曲線。最后，根據這些信息，可以生成測量報告。

在“環境監控”界面中，可以設置采樣間隔對環境參數進行實時監控，并提示環境參數是否符合檢定要求。

2.3 ? ?空氣折射率修正

在線紋尺測量的過程中，溫度、濕度、氣壓等環境參數的變化會改變空氣折射率，進而影響測量結果。因此，該激光干涉比長儀在對線紋尺進行測量的過程中，會根據采集的環境參數對空氣折射率進行實時修正。

激光干涉比長儀是通過P（壓力）T（溫度）F（濕度）計算法來對空氣折射率進行修正的。在線紋尺測量的過程中，需要采集大氣壓力、空氣溫度、兩個材料溫度以及空氣濕度這5個環境參數。其中，兩個材料溫度傳感器分別被置于被測線紋尺的兩端，而大氣壓力、空氣溫度和空氣濕度3個傳感器則被放置于干涉光路附近，且與光路等高。為提高測量的準確性，且避免設備發熱對儀器周圍環境產生影響，這些壓力、溫度、濕度二次測量儀表置于機柜中。

大氣壓采用振動筒式壓力傳感器測量，其輸出量為頻率值，頻率值由一單片機轉換成氣壓值。整個氣壓測量裝置的測量不確定度為20 Pa。溫度采用熱敏電阻溫度傳感器測量，溫度測量裝置的不確定度為0.002 ℃。其熱敏電阻經過特殊處理，穩定性滿足要求。經我所熱學處多次檢定，精度滿足設計指標要求。濕度采用ROTRONIC公司生產的HYGROCLIP型相對濕度傳感器測量，該傳感器濕度測量不確定度為2%RH。

式中：σ為真空中波長的倒數;p、t、f分別為大氣壓力、空氣溫度和空氣濕度;ns和n分別為標準狀態和測量狀態下的空氣折射率;L為標稱長度;Δl為被測長度的修正量。

通過上述方法，可以有效降低在測量過程中溫度、濕度和氣壓等環境參數的波動對測量結果的影響，減小測量誤差。

3 校準方法與試驗測試

按照檢定規程《激光干涉比長儀》（JJG 331—1994）的要求，將一等標準玻璃線紋尺安裝在尺架上。選擇光電顯微鏡上雙狹縫，使之寬度與刻線像寬度大體一致，并使兩種形波脈沖信號幅值相等且交于幅值的70%處。任取該尺一端的連續10個毫米間隔，重復測量14次，按下列公式可以計算光電顯微鏡單次瞄準的重復性：

4 結語

本文主要介紹了激光干涉比長儀的組成、工作原理以及動態光電瞄準、軟件控制系統和空氣折射率修正等關鍵技術。該激光干涉比長儀涉及光學、機械、電學以及計算機等多個領域，儀器整體采用花崗巖石主體結構及氣浮導軌，瞄準系統采用高精度動態光電顯微鏡刻線瞄準技術，測量過程中準實時修正空氣折射率，有效減小了測量誤差，提高了線紋尺的瞄準測量精度。

[參考文獻]

[1] 馬卉.基于光柵測長的線紋尺的自動檢測[D].大連：大連理工大學，2019.

[2] 孫雙花，葉孝佑，鄒玲丁，等.高等別線紋尺校準裝置及校準方法研究[J].計量學報，2017，38（S1）：13-17.

[3] 激光干涉比長儀：JJG 331—1994[S].

[4] 葉孝佑，高宏堂，孫雙花，等.2 m激光干涉測長基準裝置[J].計量學報，2012，33（3）：193-197.

[5] 王皓.基于激光干涉比長儀的光柵線間距測量系統的研究[D].杭州：中國計量學院，2015.

[6] 高等別線紋尺：JJG 73—2005[S].

收稿日期：2021-04-02

作者簡介：劉婷婷（1994—），女，山東人，碩士研究生，助理工程師，研究方向：幾何量計量及軟件開發。