張 豐 曾燕華 傅云霞/ 上海市計量測試技術研究院

0 引言

激光準直測量[1]系統(tǒng)由于結構簡單、操作方便、測量針對性強，而被廣泛應用于飛機、船舶、核工業(yè)設備制造等行業(yè)[2]。該測量系統(tǒng)的被測對象均為大型工業(yè)設備，且多為進口，國內極少生產(chǎn)，因此量傳工作存在嚴重的滯后現(xiàn)象。

單靶型是常見的準直測量系統(tǒng)，主要用于大空間內的平面度、直線度、垂直度、平行度測量。單靶型測量系統(tǒng)如圖1所示。激光器產(chǎn)生一條準直光束，激光器靜止時通過二維接收靶測得二維方向上的直線度，激光旋轉時可作為掃平儀使用。本文主要研究了單靶型測量系統(tǒng)的校準方法，并進行實驗驗證。通過研究，解決了測量系統(tǒng)的溯源問題，為使用單位提供有力的計量技術支持。

1 裝置的構成和工作原理

圖1 單靶型

單靶型測量系統(tǒng)校準裝置包括：二維校準臺、剪式升降臺、大理石平臺（不小于10 m）、光靶及裝夾用附件。二維校準臺與剪式升降臺的工作范圍能使整套被測系統(tǒng)等高。大理石平臺、剪式升降臺及光靶用于激光與接收靶的光路調整，屬于專用輔助設備。

二維校準臺是整套裝置的核心部分，如圖2所示，調整機構包含了三軸調整：水平旋轉、前后俯仰和左右傾斜，使靶的接收面調整至與激光光路垂直。平移機構采用直頂?shù)姆绞?，其中水平移動方向為H，垂直移動方向為V。通過模擬二維方向上的偏離值測得接收靶的示值誤差[3]。

圖2 二維校準臺示意圖

二維校準臺功能應滿足三個自由度的調整和H、V 方向的二維平移，測量范圍：0～25 mm，測微頭作為量傳的主要部件，示值誤差應達到±2μm，二維校準臺的示值誤差達到±1μm/mm。

2 校準方法

根據(jù)標稱的技術參數(shù)，激光準直測量系統(tǒng)的主要技術指標：接收靶示值誤差±（0.01 mm+L/100），其中L為示值（mm）；激光的掃平誤差[4]±0.02 mm/m。因掃平誤差已有公認的測量方法，本文僅對接收靶的示值誤差進行分析。

接收靶作為整套系統(tǒng)中主要的測量元件，對激光光斑的形狀大小沒有嚴格要求，僅與光斑的能量中心相關，因此校準時只需準確測得H 向和V 向的示值誤差，而不需要進行激光其他特性的校準，如頻率、頻率的穩(wěn)定性等。

校準前被校測量系統(tǒng)應進行充分預熱。如圖3所示，由于各部分是分離的，因此首先進行相對位置的調整：調節(jié)剪式升降臺A 和接收靶C的高度，使激光器的出射孔與接收靶的中心大致等高。精確整平激光器，水準器嚴格居中，調節(jié)激光旋轉頭，使激光器的出射光在H 向大致平行于大理石平臺的相應邊。將被校接收靶固定在二維校準臺D，使接收靶靶面平行于相應的工作臺邊線，且無目視可見的夾角。精確調整二維校準臺，使激光光束垂直于接收靶入射，且在接收靶的中心。校準分別在距激光器輸出端的近點（不大于0.3 m）和遠點（生產(chǎn)商或用戶定義的合理的使用范圍內，如10 m）處進行。

圖3 校準裝置示意圖

校準時單方向調節(jié)平移機構以避免引入回程誤差的影響，分別按0→H+→0→H-→0→V+→0→V-→0的順序進行，校準過程中不重新置零。校準點的選取采用先密后疏的方法，即接收靶中間區(qū)域的校準點間隔相對小一些向外間隔大一些，每個方向的校準點不少于5 個。重復測量3 次取平均值為該點的測量結果，各方向各點的示值誤差（Δli）：

lis—第 i 個校準點的測量值

3 實驗比較

在近點對0.5 mm 和4.5 mm的示值誤差進行校準。以二維工作臺為標準器按上述方法進行校準（見表1）。以坐標測量機為標準器進行校準，二維工作臺僅作為產(chǎn)生平移的工具，在接收靶上固定一標準球，以坐標測量機測得的球心移動的值為校準結果（見表2）。

表1 二維工作臺的校準數(shù)據(jù)

表2 坐標測量機的校準數(shù)據(jù)

兩種方法校準的符合程度，通過En 值的計算判斷，當En≤1時，證明兩種校準方法的校準結果較一致。

式中：Yi—不同方法的校準數(shù)值（i=1、2）

Ui—不同方法校準的擴展不確定度，k=2，（i=1、2）

按式（2）計算各點的En 值（表3），并取最大值：0.5 mm 處，En=0.6；4.5 mm 處，En=0.4。

表3 兩種方法的比較

兩種校準方法的En 值小于1，證明本文的校準方法可靠。

4 結語

模擬了二維位移，實現(xiàn)了單靶型激光準直測量系統(tǒng)的校準，并經(jīng)過比對實驗驗證了方法的可行性和有效性，較好地解決了該測量系統(tǒng)的量值溯源問題，完善了上海和華東地區(qū)的量傳體系，為大飛機制造、船舶制造、核電設施的建設提供了有力而可靠的技術保障和支持。

[1]沙定國.光學測試技術[M].北京：北京理工大學出版社，2010.

[2]吳健.激光對中儀的工作原理及其應用[J].工具技術，2005，39（12）：72-74.

[3]JIAO Guo-hua,LI Yun-lin,ZHANG Dong-bo,LI Dong-hai,HU Bao-wen1.A laser shaft alignment system with dual PSDs[J].浙江大學學報：A卷英文版，2006，10：1772-1776.

[4]全國幾何量角度計量技術委員會.JJF 1166-2007[S].北京：中國計量出版社，2007.