/ 1.廣東省計(jì)量科學(xué)研究院；2.廣東省現(xiàn)代幾何與力學(xué)計(jì)量技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

0 引言

量塊計(jì)量檢定是保證精密制造的基礎(chǔ)。隨著我國(guó)現(xiàn)代制造精密加工能力的不斷提升，對(duì)量塊計(jì)量檢定的要求也日益提高[1]。目前我國(guó)還未正式開展一等量塊的量傳檢定[2]。二等量塊作為現(xiàn)階段實(shí)際用于量值傳遞的最高等級(jí)長(zhǎng)度實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)器，在地級(jí)以上的計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)和大型企業(yè)廣泛使用，其準(zhǔn)確性在長(zhǎng)度量傳領(lǐng)域舉足輕重[3][4]。二等量塊的使用越來越廣泛，華南地區(qū)越來越多的企業(yè)提出了提供二等量塊檢測(cè)的要求，不少校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的長(zhǎng)度最高工作標(biāo)準(zhǔn)也配備了二等量塊，需要向其提供符合不確定度要求的長(zhǎng)度量值的校準(zhǔn)服務(wù)。

本項(xiàng)目由廣東省計(jì)量科學(xué)研究院與中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院聯(lián)合完成。廣東省計(jì)量科學(xué)研究院聯(lián)合中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院研制基于激光干涉原理的二等量塊自動(dòng)測(cè)量裝置，采用柔性接觸定位方式，自動(dòng)消除溯源和量傳過程中的形變不一致的問題，實(shí)現(xiàn)高等級(jí)量塊的自動(dòng)準(zhǔn)確測(cè)量。

1 二等量塊自動(dòng)測(cè)量裝置

1.1 測(cè)量原理

采用激光干涉測(cè)長(zhǎng)原理研發(fā)二等量塊自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，該裝置采用633 nm碘飽和吸收穩(wěn)頻He-Ne激光器作為標(biāo)準(zhǔn)。項(xiàng)目在硬件方面主要研發(fā)了裝置的機(jī)械主體、精密柔性定位測(cè)頭系統(tǒng)、干涉光路系統(tǒng)、光電信號(hào)處理系統(tǒng)、測(cè)頭驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；軟件方面開發(fā)了自動(dòng)測(cè)量控制程序，主要包括：數(shù)據(jù)自動(dòng)采集處理模塊、環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊、測(cè)頭自動(dòng)定位模塊和測(cè)量結(jié)果判定模塊。

He-Ne激光器發(fā)出穩(wěn)頻的激光經(jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束器后，形成一束平行光，光束經(jīng)反射鏡入射到分光鏡上。光束在此分為兩路：一路反射到角錐棱鏡上，為參考光路，傳感器中安裝有角錐棱鏡，此棱鏡與電感磁芯、測(cè)桿、測(cè)帽剛性連接為一體，它們可同步沿軸向移動(dòng)；另一路光透過分光鏡入射到柔性定位控制傳感器上的角錐棱鏡，為測(cè)量光路。反射回的兩路光在分光鏡上產(chǎn)生干涉，干涉信號(hào)由光電轉(zhuǎn)換器接收。干涉條紋信號(hào)是一個(gè)以半波長(zhǎng)λ/2為周期的正弦信號(hào)，光電轉(zhuǎn)換器接收的干涉條紋信號(hào)通過移相電路處理后，傳送至計(jì)算機(jī)信號(hào)處理模塊獲得移動(dòng)距離值[5]。見圖1基于激光干涉原理的二等量塊自動(dòng)測(cè)量裝置激光干涉原理。

1.2 裝置的設(shè)計(jì)

1）總體結(jié)構(gòu)

本測(cè)量裝置由激光干涉系統(tǒng)、移動(dòng)控制系統(tǒng)、環(huán)境參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)、柔性定位系統(tǒng)和機(jī)械主體組成，外觀如圖2所示。

圖1 基于激光干涉原理的二等量塊自動(dòng)測(cè)量裝置激光干涉原理圖

圖2 激光干涉二等量塊自動(dòng)測(cè)量裝置外觀圖

2）激光干涉系統(tǒng)。

該系統(tǒng)采用激光干涉儀XL10，該儀器具有小巧輕便并提供了軟件開發(fā)的接口函數(shù)，方便獲取測(cè)量的距離值。此激光干涉儀配合自己研制的高準(zhǔn)確度環(huán)境參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，滿足了測(cè)長(zhǎng)的高準(zhǔn)確度要求。

3）移動(dòng)控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用精密滾珠絲杠配精密滾動(dòng)導(dǎo)軌副的方式實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，采用步進(jìn)電機(jī)和高細(xì)分的驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)，采用PCI插槽的步進(jìn)電機(jī)控制卡實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)控制。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，為防止電機(jī)發(fā)熱對(duì)測(cè)量裝置溫度的影響，將電機(jī)放置在整個(gè)裝置的外面，通過同步帶實(shí)現(xiàn)電機(jī)與絲杠連接。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)（運(yùn)動(dòng)測(cè)頭）的定位采用柔性定位控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，故移動(dòng)控制系統(tǒng)采用開環(huán)方式控制。為消除因滑塊上下移動(dòng)致電機(jī)載荷不等的問題，設(shè)計(jì)了平衡機(jī)構(gòu)。

4）環(huán)境參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)

該系統(tǒng)由大氣壓力測(cè)量傳感、濕度傳感器及溫度傳感器組成，所有傳感器均采用RS232串口實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的通信，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)采集。其中溫度傳感器包括兩路：一路實(shí)現(xiàn)測(cè)量光路附近的空氣溫度測(cè)量，一路實(shí)現(xiàn)量塊溫度的測(cè)量。兩路溫度傳感器在20 ℃附近的測(cè)量不確定度在0.01 ℃以內(nèi)。

5）柔性定位系統(tǒng)

該系統(tǒng)是由光機(jī)電相結(jié)合的定位控制系統(tǒng)，主要由電感定位部分、柔性測(cè)頭部分和信號(hào)處理電路三部分組成。柔性定位系統(tǒng)輸出一個(gè)定位脈沖信號(hào)，可由計(jì)算機(jī)采集獲得。

6）機(jī)械主體部分

主要由大理石基體、工作臺(tái)、量塊推動(dòng)機(jī)構(gòu)及光學(xué)鏡調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。大理石基體由基座和立柱兩部分組成，基座為整個(gè)裝置的基礎(chǔ)，測(cè)量裝置的所有部件均放置在此基座上面，基座采用三點(diǎn)支撐，可以調(diào)節(jié)裝置的水平。大理石立柱主要用于支撐直線運(yùn)動(dòng)部分，安裝調(diào)試保證運(yùn)動(dòng)的直線度要求。工作臺(tái)為精密研磨的五筋工作臺(tái)，中間筋略高于兩側(cè)筋，以保證量塊與中間筋的可靠接觸。工作臺(tái)整體可以實(shí)現(xiàn)兩維的微調(diào)，保證測(cè)頭與工作臺(tái)中間筋的正確接觸。左右兩個(gè)量塊推動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以將被測(cè)量塊平穩(wěn)地推入和拉出，實(shí)現(xiàn)量塊的測(cè)量。光學(xué)鏡調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括參考鏡和測(cè)量鏡的調(diào)整機(jī)構(gòu)，可以將測(cè)量光路與導(dǎo)軌調(diào)整至平行，保證測(cè)長(zhǎng)的準(zhǔn)確度。

7）測(cè)量軟件

該裝置配套的軟件操作簡(jiǎn)單，界面直觀，采用VC++ 6.0作為開發(fā)工具，綜合應(yīng)用了ActiveX、OCX和動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)技術(shù)，完成了對(duì)系統(tǒng)中激光干涉儀數(shù)據(jù)信號(hào)的采集控制、接觸式測(cè)量頭自動(dòng)定位的控制、環(huán)境條件參數(shù)的自動(dòng)采集和補(bǔ)償控制等，實(shí)現(xiàn)了二等標(biāo)準(zhǔn)量塊的絕對(duì)自動(dòng)測(cè)量。軟件功能組成如圖3所示[6]。

圖3 軟件功能結(jié)構(gòu)圖

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)：

測(cè)量范圍：0～100 mm

最大允許誤差MPE：±(0.05 μm+0.5×10-6L)式中：L——被測(cè)量塊的標(biāo)稱長(zhǎng)度

1.4 環(huán)境參數(shù)p、t、f 測(cè)量系統(tǒng)及量塊實(shí)際長(zhǎng)度修正

量塊長(zhǎng)度用光波干涉儀以光譜輻射線波長(zhǎng)作為標(biāo)準(zhǔn)直接測(cè)量時(shí)，量塊溫度、量塊附近空氣的溫度、氣壓和濕度測(cè)量各系統(tǒng)的各自測(cè)量不確定度對(duì)量塊長(zhǎng)度測(cè)量影響的總和，應(yīng)不超過被測(cè)量塊長(zhǎng)度測(cè)量不確定度的50%。

本裝置設(shè)計(jì)過程中開發(fā)了自動(dòng)監(jiān)控測(cè)量環(huán)境參數(shù)的單元，各參數(shù)能實(shí)時(shí)傳送到計(jì)算機(jī)完成測(cè)量結(jié)果的修正處理。大氣壓測(cè)量最大允許誤差不超過±10 Pa，空氣溫度和量塊溫度測(cè)量最大允許誤差不超過±0.01 ℃，相對(duì)濕度測(cè)量最大允許誤差不超過±3%RH，本裝置所處的環(huán)境溫度控制在（20±0.3）℃，被檢量塊的熱脹系數(shù)為11.5×10-6℃-1。

根據(jù)JJG 146-2011《量塊》檢定規(guī)程[7]的要求，量塊長(zhǎng)度測(cè)量結(jié)果必須是標(biāo)準(zhǔn)溫度條件20 ℃時(shí)的值，但在實(shí)際測(cè)量中通常不能做到剛好在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下。本裝置采用英國(guó)雷尼紹公司的ML10主控模塊來處理激光干涉條紋整周期計(jì)和細(xì)分條紋數(shù)[8]，該模塊配備了接口函數(shù) char rdvGetReading (void)，再引入了環(huán)境參數(shù)的補(bǔ)償后，獲得量塊中心長(zhǎng)度的實(shí)際值[9]。

當(dāng)采用干涉條紋直接計(jì)數(shù)法測(cè)量二等量塊時(shí)，被測(cè)量塊在測(cè)量條件下的長(zhǎng)度是：

式中：l—— 測(cè)得的量塊長(zhǎng)度；

N—— 干涉條紋整數(shù)部分；

m—— 干涉條紋小數(shù)部分；

λ—— 激光的真空波長(zhǎng)；

n—— 空氣折射率；

c1—— 測(cè)量溫度偏離20 ℃時(shí)量塊長(zhǎng)度的修正量

式中：α——被測(cè)量塊的線膨脹系數(shù)；

tg——被測(cè)量塊測(cè)量時(shí)的溫度，℃

對(duì)于空氣折射率n，是通過測(cè)量空氣的溫度、氣壓和空氣濕度，并用公式計(jì)算得到：

式中：σ—— 真空中的波數(shù)，m-1

2 試驗(yàn)與分析

2.1 測(cè)量模型及測(cè)量不確定度

用接觸式量塊激光干涉儀測(cè)量量塊長(zhǎng)度的表達(dá)式為

加上其他影響量后式（6）變?yōu)?/p>

式中：l—— 測(cè)得的量塊長(zhǎng)度；

N—— 干涉條紋整數(shù)部分；

m—— 干涉條紋小數(shù)部分；

λ—— 激光的真空波長(zhǎng)；

n—— 空氣折射率；

L—— 被測(cè)量塊的標(biāo)稱長(zhǎng)度；

α—— 被測(cè)量塊的線膨脹系數(shù)；

tg—— 被測(cè)量塊測(cè)量時(shí)的溫度，℃；

δlΩ—— 激光光線與測(cè)量軸傾斜的影響；

δlφ—— 工作臺(tái)與測(cè)量軸傾斜的影響；

δlθ—— 工作臺(tái)筋高造成量塊傾斜的影響；

δlh—— 工作臺(tái)筋高造成量塊中心脫空的影響；

δlF1—— 測(cè)量力造成中筋接觸變形的影響；

δlF2—— 測(cè)量力造成量塊被壓縮的影響；

δlF3—— 測(cè)量力造成工作臺(tái)和量塊變形差的影響；

δlM1—— 量塊自重使中筋接觸變形的影響；

δlM2—— 量塊自重使中筋受壓縮的影響；

δlG—— 量塊長(zhǎng)度變動(dòng)量的影響

從上述各影響量對(duì)量塊長(zhǎng)度產(chǎn)生的影響，對(duì)量塊長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量不確定度分析，結(jié)果如表1所示。

表1 不同量塊長(zhǎng)度擴(kuò)展不確定度

2.2 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

選取一塊標(biāo)稱長(zhǎng)度為10 mm的二等量塊在接觸式激光量塊干涉儀上進(jìn)行10次重復(fù)測(cè)量，計(jì)算得出試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差s(yi)：

單次測(cè)量實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差s= 0.008 μm ，該重復(fù)性不大于測(cè)量不確定度評(píng)定中所采用的重復(fù)性數(shù)據(jù)為0.01 μm，重復(fù)性符合要求。

2.3 裝置穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

選擇標(biāo)稱尺寸為10 mm的二等量塊在本裝置上測(cè)量，每隔一年測(cè)量一次，平均測(cè)10個(gè)觀測(cè)值，取其算術(shù)平均值作為該組的測(cè)量結(jié)果。共觀測(cè)5次，其結(jié)果由式（9）計(jì)算出sm= 0.06 μm，經(jīng)比較，裝置穩(wěn)定性小于計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展不確定度，sm小于Uc，穩(wěn)定性符合要求。

2.4 量塊比對(duì)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)JJF 1033-2008《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》中C.5.2的驗(yàn)證方法，采用傳遞比較法，分別選取4塊二等量塊作為被測(cè)對(duì)象用本裝置測(cè)量，測(cè)量結(jié)果與中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院的結(jié)果進(jìn)行比較，對(duì)裝置測(cè)量過程各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量分析、計(jì)算，不同被檢量塊標(biāo)稱長(zhǎng)度的測(cè)量不確定度U99(k= 3)均不超過量塊檢定規(guī)程JJG 146-2011所規(guī)定的最大允許測(cè)量不確定度值，與中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院的測(cè)量結(jié)果比較，表明符合JJF 1033-2008計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范規(guī)定的傳遞比較法驗(yàn)證準(zhǔn)則。比對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

結(jié)論：測(cè)量結(jié)果之差滿足

該二等量塊檢定裝置測(cè)量不確定度得到驗(yàn)證。

3 結(jié)語

（1）經(jīng)中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院檢定，本裝置測(cè)量范圍上限不超過100 mm，重復(fù)性小于0.02 μm，示值誤差不超過 0.05 μm+0.5×10-6L。

（2）對(duì)裝置測(cè)量過程中各影響量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量進(jìn)行評(píng)估, 不同被檢量塊標(biāo)稱長(zhǎng)度的測(cè)量不確定度U99(k= 3)均不超過量塊檢定規(guī)程JJG 146-2011所規(guī)定的最大允許測(cè)量不確定度的要求，與中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院的測(cè)量結(jié)果比較，表明符合JJF 1033-2008計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范規(guī)定的傳遞比較法驗(yàn)證準(zhǔn)則。

（3）本裝置作為華南地區(qū)的最高等級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)獲國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局授權(quán)，在廣東省計(jì)量科學(xué)研究院投入使用，對(duì)外開展長(zhǎng)度尺寸為0.5～100 mm的二等量塊相關(guān)的檢定、校準(zhǔn)工作，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。