基于激光干涉儀同步測量的動態校準裝置

任 瑜, 胡曉磊, 郭志敏, 傅云霞, 張 豐

(上海市計量測試技術研究院，上海 201203)

1 引 言

大尺寸計量是航空航天、船舶、能源等大型高端裝備制造的重要基礎支撐[1～4]。近年來,實時協同的智能制造新模式催生了時變幾何量的測量新需求,這不僅要求大尺寸測量系統具備高動態測量能力,還要求計量校準方法可滿足時變參量的瞬時動態測試需求[5～7]。

目前,標準圓軌跡發生器是最主要的動態校準裝置,JJF 1242《激光跟蹤三維坐標測量系統校準規范》中通過測量標準圓軌跡并擬合圓周直徑,測試激光跟蹤儀的動態示值誤差等參數[8～11]。美國北卡羅來納大學、德國卡爾斯魯厄理工學院也設計了類似的旋轉機構[12]。由于軌跡擬合中忽略時間信息,基于標準軌跡的動態校準無法直接體現激光跟蹤儀測量時變位移等的瞬時精度。瞬時動態測試的關鍵是被測儀器與標準器在同時刻采集數據,即二者的時間軸統一。為此,文獻[13]研制了呈三角波變速運動的圓軌跡產生器并用于激光跟蹤儀的瞬時定位準確度測試,該裝置利用已知規律的速度對準測量值與標準值的時間軸,但時間對準精度受采樣頻率等限制。文獻[14]通過同步鎖存激光干涉儀與光柵系統的數據實現單軸系統的動態校準。中國計量科學研究院基于同步觸發原理,統一光柵采集和激光跟蹤儀測量的測量起點/終點及測量點數,實現激光跟蹤儀的動態精度測試[15]。

綜上,利用外部脈沖同步觸發被校準儀器與標準器,是瞬時定位等時變參量的動態校準的理想路徑。因此,本文研制一種基于激光干涉儀同步測量的動態校準裝置。在介紹該裝置的系統組成的基礎上,重點評定了其瞬時長度示值的測量不確定度。通過動態校準裝置與激光干涉儀及激光跟蹤儀的同步觸發測量實驗,證明了動態校準裝置的不確定度評定的合理性及動態校準裝置在激光跟蹤儀瞬時動態精度測試中的可行性。

2 動態校準裝置的系統組成

動態校準裝置由直線運動導軌、激光干涉儀(含環境傳感器)、同步觸發器和動態校準軟件共同組成,如圖1所示。

圖1 動態校準系統Fig.1 Dynamic calibrator

2.1 直線運動導軌

直線運動導軌的結構如圖2所示。直線運動導軌以大理石為基底,其上安裝金屬直線導軌,全量程6 m的直線度優于0.02 mm。直線運動導軌采用直線電機驅動,配合光柵尺形成閉環控制,可產生0～4 m/s范圍內任意速度的直線運動。在動態校準中,直線運動導軌僅用作運動發生器。

2.2 激光干涉儀

由光的干涉原理知,激光干涉儀具有極佳的動態性能。并且隨著技術的發展,商用激光干涉儀多具備外部脈沖觸發測量模式,降低了同步獲取激光干涉儀測量數據與激光跟蹤儀測量數據的難度。因此,動態校準裝置中選用Agilent 5530激光干涉儀作為長度標準器,其控制器的外部觸發輸入口如圖3所示,使用時需接入外部觸發信號、+5 V電源及GND;并且該激光干涉儀的底層向用戶開放,支持二次開發。此外,Agilent 5530激光干涉儀自帶環境傳感器,將其置于直線運動導軌的中部,用于動態校準裝置的環境補償。

圖3 外部觸發輸入口Fig.3 Input port of external trigger

2.3 同步觸發器

同步觸發器可產生多路同步脈沖,是實現激光干涉儀與激光跟蹤儀同步測量的關鍵,同時也是動態校準中時間信息準確穩定的關鍵。因此,同步觸發器采用如圖4所示結構。選用GNSS馴服時鐘作為時鐘源,其結構如圖4所示,即在10 MHz恒溫晶振的基礎上,采用GNSS信號授時,以相位差調節電壓的方式對恒溫晶振產生的1 pps(packet per second)信號進行馴服,使其同步于銫原子鐘,保證動態校準中的時間信息的準確度及穩定性。經校準,同步觸發器的相對頻率偏差優于10-11。然后,選用脈沖分配器實現一路標準脈沖均分四路,并配合等長線纜分別輸送至激光干涉儀和激光跟蹤儀,以減少多路脈沖間的時延。經校準,同步觸發器的兩路脈沖間時延優于5 ns。最后,采用串口通信方式,與動態校準軟件交換控制信息及測量數據,并采用220 V轉5 V外接電源進行供電。

圖4 同步觸發器整體框圖Fig.4 Synchronous trigger overall block diagram

圖5 GNSS馴服時鐘局部框圖Fig.5 Partial block diagram of the GNSS tame clock

2.4 動態校準軟件

動態校準軟件使用Visual C++,調用激光干涉儀的E1735A.dll和激光跟蹤儀的SA SDK進行開發,采用多線程操作,可集成控制直線運動導軌、激光干涉儀、同步觸發器及激光跟蹤儀等。其流程圖如圖6所示,該軟件可完成設備連接、參數設置、測量執行及數據處理等過程,簡化了動態校準操作過程。

圖6 動態校準流程圖Fig.6 Dynamic calibration flowchart

3 動態校準裝置的不確定度評定

瞬時動態準確度測試中,動態校準裝置用于產生與激光跟蹤儀(被測儀器)同時刻測量的瞬時長度參考值。因此,其瞬時長度值的測量不確定度須從長度測量和時間同步2方面評定。

3.1 長度測量引入的標準不確定度

1) 激光干涉儀最大允許誤差引入的標準不確定度

Agilent 5530激光干涉儀的最大允許誤差為±0.3×10-6L,則引入不確定度分量:

(1)

式中:L為測量長度。

2) 直線運動導軌直線度引入的標準不確定度

激光干涉儀的移動反射鏡和激光跟蹤儀的球面反射靶標固定在直線運動導軌的移動工作臺上。由于二者不重合,受導軌直線度的影響,存在阿貝誤差。以單方向阿貝誤差為例,分析如圖7所示。

圖7 阿貝誤差Fig.7 Abbe error

單方向阿貝誤差計算模型為:

≈-Asinα

(2)

式中:h為遠點處移動工作臺相對于光路的偏移,最大值為直線度誤差hmax=0.02 mm;A為移動反射鏡與球面反射靶標間距離,即阿貝臂長度;α為遠點處移動工作臺相對于光路的偏擺角,順時針為正,當移動工作臺沿導軌方向寬300 mm,其最大值為sinαmax=0.02/300。直線運動導軌在水平和垂直方向的參數如表1所示。

表1 直線度引入誤差Tab.1 Straightness error

則兩方向直線度共引入不確定度分量:

(3)

式中:ΔL2H=0 μm為水平方向直線度引入誤差;ΔL2V=1.33 μm為垂直方向直線度引入誤差。

3) 環境因素的影響引入的標準不確定度

溫濕度、氣壓、風速及導軌振動等環境因素均影響動態校準裝置的瞬時長度值。為綜合評定環境影響,采用如下方式:移動工作臺依次靜止于導軌的兩端及中間3個位置;每個位置處,激光干涉儀置零,監測1 min內激光干涉儀示值變化量;經實測,激光干涉儀示值變化量優于0.6 μm/min。以速度100 mm/s為例,單次測量用時約1 min,則環境因素的影響引入不確定度分量:

(4)

3.2 時間不同步引入的標準不確定度

1) 2路觸發信號間時延引入的標準不確定度

同步觸發器共輸出4路同步觸發信號,#1供激光干涉儀使用,#2～#4預留給被測儀器。經校準,#1與#2～#4間的時延t如表2所示。

表2 4路同步觸發信號間時延Tab.2 Delay between 4 synchronous trigger signals

受Agilent 5530激光干涉儀限制,動態校準裝置的最大速度1 m/s,則2路信號間時延產生的最大長度誤差為4.8 nm,其引入的標準不確定度為:

(5)

2) 激光干涉儀測量時延引入的標準不確定度

Agilent 5530激光干涉儀的說明書未標明測量時延(從收到觸發信號至完成測量的時間),但其最大觸發頻率為100 kHz。而最大觸發頻率1 kHz的同類競品的測量時延為±0.5 μs。故推測Agilent 5530激光干涉儀的測量時延約±0.5 μs,則以最大速度1 m/s計算,由其產生的最大長度誤差為±0.5 μm,其引入的標準不確定度為:

(6)

3) 激光干涉儀與計算機通信時延引入的標準不確定度

Agilent 5530激光干涉儀的控制器中具備硬件緩存區,當外部觸發脈沖到達,測量值及相關信息被鎖存,當動態校準軟件調用讀取函數時,測量值被傳輸至計算機。如圖6所示,動態校準軟件中,瞬時長度示值誤差在測量結束后統一計算,并且按照同步脈沖信號的時間對齊測量值,與測量值到達計算機的時間無關。因此,激光干涉儀至計算機的通信時延對瞬時長度示值誤差無影響,在測量不確定度評定中無須考慮。

動態校準裝置的測量不確定度分量匯總如表3所示。

表3 測量不確定度分量匯總Tab.3 Summary of Measurement uncertainty components

綜上,動態校準裝置的瞬時長度的標準不確定度為:

(7)

則擴展不確定度為:

U=Q[1.8 μm, 3×10-7L](k=2)

(8)

4 實驗驗證

為驗證動態校準裝置的不確定度評定的合理性及動態校準裝置在激光跟蹤儀瞬時動態準確度測試中的可行性,設計如圖8所示實驗。

圖8 實驗布局Fig.8 Experiment layout

動態校準裝置(激光干涉儀1)與1臺Agilent 5530激光干涉儀(激光干涉儀2)及1臺Leica AT960激光跟蹤儀同步觸發測量。2臺激光干涉儀分別放置在直線運動導軌兩端,激光跟蹤儀放置在導軌的中垂線處且距離導軌約4 m。2移動反射鏡間阿貝臂AV=20 mm,球面反射鏡與移動反射鏡間阿貝臂AH=40 mm。實驗中,2臺激光干涉儀共用1組環境傳感器,激光跟蹤儀自帶環境傳感器,且它們均在實測狀態下實施測量。

4.1 同型號激光干涉儀比對實驗

采用動態校準裝置與同型號激光干涉儀的比對實驗,以驗證動態校準裝置的不確定度評定的合理性。實驗中,選取導軌中4 m區間段,并以動態校準裝置的長度示值與激光干涉儀的長度示值的差值作為長度示值誤差。首先是100 mm等間隔靜態測量。其次是100 mm/s動態測量,同步觸發器的脈沖頻率100 Hz,重復測量3次。最后是1 m/s,動態測量,同步觸發器的脈沖頻率100 Hz。測量結果如圖9、圖10所示。

圖9 不同速度下長度示值誤差Fig.9 Errors at different speeds

圖10 速度100 mm/s時3次測量長度示值誤差Fig.10 Errors of 3 measurements at 100 mm/s

1) 由圖9可知,不同速度下長度示值誤差隨長度的變化趨勢一致,反映了導軌直線度的影響。

2) 圖9、圖10中長度0處的長度示值誤差不為零,反映了從激光干涉儀置零到觸發信號啟動的時間段內環境因素導致的兩臺激光干涉儀的示值漂移。

3) 圖9中多數長度處,靜態測量的長度示值誤差大于動態測量的長度示值誤差,進一步比較相同長度處靜態測量與100 mm/s速度的長度示值誤差,如圖11所示。40個采樣長度中,除2處(長度1 000 mm 及1 100 mm)外,靜態測量在其余38處的長度示值誤差均大于100 mm/s速度下的長度示值誤差。這一現象反映了因靜態測量的總時長大于動態測量的總時長,環境因素影響更明顯。

圖11 靜態測量與速度100 mm/s時長度示值誤差Fig.11 Errors at static and 100 mm/s

4) 圖9與圖10比較,相同長度處,100 mm/s速度下與1 m/s速度下的長度示值誤差的差值最大值為0.5 μm,而100 mm/s速度下的3次測量的長度示值誤差的差值最大值為0.6 μm,反映了在激光干涉儀的速度范圍內瞬時長度示值誤差與速度的相關性不顯著,間接說明激光干涉儀的測量時延的影響可忽略。

5) 圖9與圖10中,長度示值誤差均在測量不確定度(k=2)范圍內,證明動態校準裝置的不確定度評定合理。

4.2 激光跟蹤儀瞬時長度測試實驗

采用動態校準裝置作為標準器,測試激光跟蹤儀的靜態點到點長度示值誤差及不同速度下瞬時點到點長度示值誤差,以動態校準裝置用于瞬時動態測試的可行性。實驗中,選取導軌中4 m區間段,并以激光跟蹤儀的點到點長度示值與動態校準裝置的長度示值的差值作為點到點長度示值誤差。

因球面反射鏡與移動反射鏡間阿貝臂AH=40 mm,動態校準裝置的瞬時長度示值測量不確定度為Q[3.2 μm, 3×10-7L](k=2);因激光跟蹤儀距離導軌約4 m,其MPE=±(15 μm+6×10-6L)≈±40 μm;故測量能力Cm>12。分別進行100 mm等間隔靜態測量、100 mm/s及1 m/s動態測量,同步觸發器的脈沖頻率100 Hz。測量結果如圖12所示,分析如下:

圖12 不同速度下激光跟蹤儀長度示值誤差Fig.12 Errors of laser tracker at different speeds

1) 靜態測量下,長度示值誤差在[-10 μm, 21 μm]內變化,均在最大允許誤差范圍內;

2) 100 mm/s速度下,瞬時長度示值誤差在[-59 μm,51 μm]內變化;4 050個采樣點內23個點超出最大允許誤差范圍,占比小于0.6%;

3) 1 m/s速度下,瞬時長度示值誤差在[-22 μm,48 μm]內變化;384個采樣點內1個點的瞬時長度示值誤差超出最大允許誤差范圍,占比小于0.3%。

因此激光跟蹤儀的靜態測量準確度優于瞬時動態測量準確度。分析其原因:一方面是靜態測量中每個數據為50次采樣的平均值,而動態測量中每個數據僅為單次采樣值;另一方面是激光跟蹤儀的硬件響應速度限制其動態性能。此外,100 mm/s與1 m/s的測量結果比較反映了在1 m/s速度范圍內激光跟蹤儀的瞬時長度示值誤差與速度的相關性不顯著。因此推斷:在1 m/s速度范圍內,數據獲取方式是造成激光跟蹤儀的動靜態測量精度差異的主要因素。

5 結 論

本文采用同步觸發測量原理,研制一種激光跟蹤儀動態校準裝置。首先,介紹了該裝置的組成。其選用激光干涉儀作為長度標準器,設計基于GNSS馴服時鐘的同步觸發器觸發激光干涉儀與激光跟蹤儀同步測量并確保時間準確穩定,配合直線運動導軌作為運動發生器,并集成開發動態校準軟件實現控制一體化。其次,從激光干涉儀的最大允許誤差、直線運動導軌的直線度、環境因素、觸發信號間時延及激光干涉儀測量時延等的多方面綜合評定動態校準裝置的長度示值的測量不確定度為Q[1.8 μm, 3×10-7L](k=2)。最后,通過同步觸發動態校準裝置與同型號激光干涉儀進行比對實驗,驗證了不確定度評定的合理性。并且,通過激光跟蹤儀瞬時長度測試實驗說明了動態校準裝置瞬時動態精度測試中的可行性。

當前,受Agilent 5530激光干涉儀限制,動態校準裝置的最大速度1 m/s,后續將通過更換其他品牌型號的激光干涉儀將動態校準裝置的最大速度提升至4 m/s,拓展激光跟蹤儀瞬時長度測試的范圍。