基于动态光电瞄准的2m激光干涉比长仪研究

刘婷婷 赵新丽 李艳 张子辰

摘要：激光干涉比长仪是用激光波长直接检定线纹尺的工作基准类仪器，可将几何量值直接溯源到国际推荐的激光波长。为减小测量误差，满足测长精度，研究了新的激光干涉比长仪装置。该装置主体结构采用花岗岩石，利用空气静压导轨技术、高精度光电显微镜瞄准技术和空气折射率准实时修正技术等，有效提高了测量精度。

关键词：激光干涉比长仪;动态光电瞄准;折射率修正;软件控制

0 引言

随着科技的快速发展，精密测量、机械制造等各种产业不断壮大，人们也更加关注产品的生产质量与生产效率，在生产中长度测量是否准确至关重要[1]。而线纹尺作为长度计量量值传递系统中应用最为广泛的实物标准器之一，其重要作用不言而喻[2]。

激光干涉比长仪是用激光波长直接检定线纹尺的工作基准类仪器，主要用于检定长度至1 000 mm的一、二等标准金属线纹尺和一、二等标准玻璃线纹尺[3]，也可用于测微尺（100线/mm）、位移传感器、激光干涉仪、低等级线纹尺和光栅尺等计量器具的测量和校准，进而使得几何量值可以溯源到国际推荐的激光波长[4]。

为了减小测量误差，确保仪器的测长精度，该激光干涉比长仪在设计时遵循了阿贝原则。比长仪的床身、导轨以及工作台均采用花岗岩材料制造，利用空气静压导轨技术使其满足高精度的导轨运动以及工作台的运动特性。测量过程中利用动态光电显微镜瞄准技术，简化了显微镜结构且提高了测量效率;通过Edlen公式对空气折射率进行准实时修正，以满足高精度的测量要求。激光干涉比长仪融软硬件于一体，涉及光学、机械、电学以及计算机等多个领域，是高精度、自动化、多功能、智能化的大型测试仪器。

1 装置组成

激光干涉比长仪机械结构如图1所示，本装置采用精密大理石传动控制系统作为仪器基础，包括仪器的基座、直线运动导轨以及运动工作台，部分支撑部件配以铸铁结构（干涉仪及光电显微镜的支撑部件）。光电显微镜利用光电元器件实现光电转换，通过对线纹尺刻线平均黑度中心（对应刻线的中心线）进行判断从而实现对刻线的瞄准。本装置设计了新的2倍程单频偏振激光干涉仪作为测量标尺实现测量要求，激光干涉仪的测量范围为2.5 m，测量分辨率1 nm，测量准确度优于10 nm。

图2是激光干涉比长仪的系统框图。从功能来划分，激光干涉比长仪系统由激光干涉测长系统、驱动系统、光电显微镜瞄准系统、信号处理系统、环境参数修正补偿系统以及软件控制系统等模块组成。测量时，线纹尺被安装在一维高精密气浮台上并随着气浮台匀速运动。动态光电显微镜可实现被测线纹尺在匀速运动的状态下被瞄準测量，光电显微镜在线纹尺刻线中心处产生脉冲触发信号，该信号使得激光干涉比长仪触发采样读数。在测量过程中，利用温度、湿度和压力传感器对环境参数进行实时监控，并在软件中对空气中的激光波长及材料温度膨胀系数对测量结果的影响进行修正。图3是激光干涉比长仪实物图。

2 关键技术

2.1    动态光电瞄准

利用激光干涉比长仪对线纹尺进行检定时，瞄准系统通常采用光电显微镜。光电显微镜是通过判定刻线的平均黑度中心来对线纹尺刻线进行瞄准的[5]，其中的光电元件可以实现光电转换。根据测量时被测对象运动状态的不同，光电显微镜通常可以分为静态光电显微镜和动态光电显微镜。静态光电显微镜是在被测对象处于静止状态下对其进行瞄准的，而动态光电显微镜瞄准时被测对象处于匀速运动的状态。与静态光电显微镜相比，动态光电显微镜结构更加简单，且测量效率较高。随着测量要求的不断提高，动态光电显微镜的用途越来越广泛，并逐渐代替了静态光电显微镜。

该激光干涉比长仪采用双管差动式动态光电显微镜对线纹尺刻线进行瞄准，它主要由成像系统、照明系统及观察系统三部分组成。为满足瞄准精度的要求，成像系统设计成物方远心光路，照明系统采用远心照明方式，以减小调焦误差引起的测量误差。同时，适当加大显微物镜的倍数和数值孔径，可以减小焦深，也有利于对线精度的提高。

2.2    软件控制系统

激光干涉比长仪软件控制系统界面如图4所示，此界面与Windows软件兼容，提供了菜单命令栏、快捷工具栏等，操作直观、方便。测量软件主要分为信息输入、线纹尺测量、数据管理和环境监控4个部分。

在“信息输入”界面中，选择并填写被测线纹尺的客户信息、样品详细信息及校验信息等，这些信息以及之后相应的测量数据会被存储进设计好的MySQL数据表。

在“线纹尺测量”界面中，可以实现对线纹尺的测量功能。控制系统可以实现激光干涉比长仪的自动触发及外部触发计数功能，完成测量调试功能。配合传动系统，软件控制系统可以实现工作台测量速度分别为0.5 mm/s、1.0 mm/s、1.5 mm/s、2.0 mm/s四档的切换以及正向运动、反向运动、相对运动、绝对运动和急停等运动状态的选择。同时，可以实现与温度、湿度及压力传感器的通信，对环境参数进行实时显示，进而对测量结果进行实时修正。在线纹尺测量的过程中，可以显示工作台的运动状态，发生故障时报告错误。

在线纹尺测量完成之后，进入“数据管理”界面进行测量基本信息和测量数据的显示以及偏差曲线的绘制，偏差曲线包含本次偏差曲线、历次偏差曲线和两次差值曲线。最后，根据这些信息，可以生成测量报告。

在“环境监控”界面中，可以设置采样间隔对环境参数进行实时监控，并提示环境参数是否符合检定要求。

2.3    空气折射率修正

在线纹尺测量的过程中，温度、湿度、气压等环境参数的变化会改变空气折射率，进而影响测量结果。因此，该激光干涉比长仪在对线纹尺进行测量的过程中，会根据采集的环境参数对空气折射率进行实时修正。

激光干涉比长仪是通过P（压力）T（温度）F（湿度）计算法来对空气折射率进行修正的。在线纹尺测量的过程中，需要采集大气压力、空气温度、两个材料温度以及空气湿度这5个环境参数。其中，两个材料温度传感器分别被置于被测线纹尺的两端，而大气压力、空气温度和空气湿度3个传感器则被放置于干涉光路附近，且与光路等高。为提高测量的准确性，且避免设备发热对仪器周围环境产生影响，这些压力、温度、湿度二次测量仪表置于机柜中。

大氣压采用振动筒式压力传感器测量，其输出量为频率值，频率值由一单片机转换成气压值。整个气压测量装置的测量不确定度为20 Pa。温度采用热敏电阻温度传感器测量，温度测量装置的不确定度为0.002 ℃。其热敏电阻经过特殊处理，稳定性满足要求。经我所热学处多次检定，精度满足设计指标要求。湿度采用ROTRONIC公司生产的HYGROCLIP型相对湿度传感器测量，该传感器湿度测量不确定度为2%RH。

式中：σ为真空中波长的倒数;p、t、f分别为大气压力、空气温度和空气湿度;ns和n分别为标准状态和测量状态下的空气折射率;L为标称长度;Δl为被测长度的修正量。

通过上述方法，可以有效降低在测量过程中温度、湿度和气压等环境参数的波动对测量结果的影响，减小测量误差。

3 校准方法与试验测试

按照检定规程《激光干涉比长仪》（JJG 331—1994）的要求，将一等标准玻璃线纹尺安装在尺架上。选择光电显微镜上双狭缝，使之宽度与刻线像宽度大体一致，并使两种形波脉冲信号幅值相等且交于幅值的70%处。任取该尺一端的连续10个毫米间隔，重复测量14次，按下列公式可以计算光电显微镜单次瞄准的重复性：

4 结语

本文主要介绍了激光干涉比长仪的组成、工作原理以及动态光电瞄准、软件控制系统和空气折射率修正等关键技术。该激光干涉比长仪涉及光学、机械、电学以及计算机等多个领域，仪器整体采用花岗岩石主体结构及气浮导轨，瞄准系统采用高精度动态光电显微镜刻线瞄准技术，测量过程中准实时修正空气折射率，有效减小了测量误差，提高了线纹尺的瞄准测量精度。

[参考文献]

[1] 马卉.基于光栅测长的线纹尺的自动检测[D].大连：大连理工大学，2019.

[2] 孙双花，叶孝佑，邹玲丁，等.高等别线纹尺校准装置及校准方法研究[J].计量学报，2017，38（S1）：13-17.

[3] 激光干涉比长仪：JJG 331—1994[S].

[4] 叶孝佑，高宏堂，孙双花，等.2 m激光干涉测长基准装置[J].计量学报，2012，33（3）：193-197.

[5] 王皓.基于激光干涉比长仪的光栅线间距测量系统的研究[D].杭州：中国计量学院，2015.

[6] 高等别线纹尺：JJG 73—2005[S].

收稿日期：2021-04-02

作者简介：刘婷婷（1994—），女，山东人，硕士研究生，助理工程师，研究方向：几何量计量及软件开发。