卞偉 郝彥彬 謝平 陳曉寧 / 河北省計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院

0 引言

目前，各省計(jì)量院都在陸續(xù)建立室內(nèi)大長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)，該測(cè)量系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)激光位移類計(jì)量器具的校準(zhǔn)及溯源工作。二維基線導(dǎo)軌作為室內(nèi)大長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)的主要配套設(shè)備，導(dǎo)軌直線度測(cè)量和變形監(jiān)測(cè)是了解導(dǎo)軌穩(wěn)定性的必要手段[1]，同時(shí)，其兩方向（水平和豎直）直線度的準(zhǔn)確性測(cè)量作為不確定度的一個(gè)重要分量將直接影響該系統(tǒng)的可靠性。

直線度誤差是指實(shí)際被測(cè)直線要素相對(duì)其理想直線的最大變動(dòng)量[2]。直線度的測(cè)量方法主要分為非激光類測(cè)量方法和激光類測(cè)量方法[3]。非激光類測(cè)量方法主要包括：水平儀法[4]、鋼絲法和打表法等，該類方法準(zhǔn)確度低（通常在幾十個(gè)微米），過(guò)程復(fù)雜，效率不高；激光類測(cè)量方法主要包括：激光干涉儀法[5]、光電自準(zhǔn)直儀加反射鏡法[6]和光束基準(zhǔn)法等，該類方法準(zhǔn)確度高，但是受測(cè)量范圍小（需要多次拼接）、不能斷光續(xù)接和調(diào)整激光等復(fù)雜因素的影響，其測(cè)量領(lǐng)域存在一定的局限性。

針對(duì)二維基線導(dǎo)軌的直線度測(cè)量，傳統(tǒng)方法均存在一定的弊端，為此，本文基于激光幾何測(cè)量系統(tǒng)的特點(diǎn)及性能，介紹一種新型的二維基線導(dǎo)軌直線度測(cè)量方法。

1 測(cè)量原理

激光幾何測(cè)量系統(tǒng)由專用夾具、激光發(fā)射器、激光接收器和控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。該測(cè)量系統(tǒng)的分辨力為0.000 1 mm，發(fā)射出的激光直徑為5 mm，其采用PSD 激光感應(yīng)技術(shù)[7]，以激光發(fā)射器的直線性作為基準(zhǔn)光軸，然后對(duì)固定于導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的激光接收器以相同的跨距逐一單點(diǎn)移動(dòng)。激光束照在激光接收器上的二維PSD 傳感器光敏面上形成激光點(diǎn)。伴隨激光點(diǎn)的形成，位于光敏面內(nèi)部的P-N結(jié)因吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，由于電子和空穴流動(dòng)方向的不同產(chǎn)生了光生電勢(shì)。進(jìn)而基于橫向光電效應(yīng)的原理，激光幾何測(cè)量系統(tǒng)感應(yīng)并采集光敏面上光斑的空間位置信息，即感應(yīng)并測(cè)量每一跨距點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)光軸的偏移量（同時(shí)完成水平方向和豎直方向的偏移量測(cè)量），從而完成所有數(shù)據(jù)的采集，最后通過(guò)最小二乘法完成水平方向和豎直方向直線度的評(píng)定。測(cè)量原理如圖1 所示。

圖1 測(cè)量原理

被測(cè)基線導(dǎo)軌的有效全長(zhǎng)為48 m，激光幾何測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量范圍能夠滿足一次性測(cè)量，相較于準(zhǔn)直儀的分段拼接測(cè)量提高了測(cè)量準(zhǔn)確度。并且能夠一次性完成水平方向和豎直方向的直線度測(cè)量，相較于激光干涉儀兩套鏡組單獨(dú)測(cè)量一方向?qū)к壷本€度提高了測(cè)量效率。

2 測(cè)量過(guò)程

首先將激光發(fā)射器通過(guò)磁力表座固定在微動(dòng)臺(tái)架上，激光接收器通過(guò)螺桿和專用夾具固定在基線導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，同時(shí)將運(yùn)動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)至近點(diǎn)即第一測(cè)量點(diǎn)，升降和平移微動(dòng)臺(tái)架完成近點(diǎn)激光發(fā)射器和激光接收器的調(diào)平并數(shù)據(jù)回零。然后將運(yùn)動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)至遠(yuǎn)點(diǎn)即最后測(cè)量點(diǎn)，扭擺和俯仰微動(dòng)臺(tái)架完成遠(yuǎn)點(diǎn)激光發(fā)射器和激光接收器的調(diào)平并數(shù)據(jù)調(diào)零。遵循“近點(diǎn)回零、遠(yuǎn)點(diǎn)調(diào)零”的原則，反復(fù)進(jìn)行調(diào)整，完成整套系統(tǒng)的調(diào)平工作。調(diào)平后如圖2 所示。

圖2 激光測(cè)量系統(tǒng)調(diào)平

二維基線導(dǎo)軌直線度的測(cè)量采用等距跨度的測(cè)量方式。如果測(cè)量跨度太小，數(shù)據(jù)量過(guò)大，影響測(cè)量結(jié)果可信度的同時(shí)降低測(cè)量效率；如果測(cè)量跨度太大，數(shù)據(jù)量過(guò)小，不能有效反應(yīng)真實(shí)的直線度形狀特征[8]。為此結(jié)合被測(cè)導(dǎo)軌有效長(zhǎng)度和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的長(zhǎng)度并基于測(cè)量點(diǎn)首尾相接的原則，本次測(cè)量選取額跨度為500 mm。在激光幾何測(cè)量系統(tǒng)中選取單點(diǎn)測(cè)量模式并輸入500 mm 的跨度值，然后相繼移動(dòng)導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，完成共97 個(gè)測(cè)量點(diǎn)共194 個(gè)數(shù)據(jù)的采集。

3 測(cè)量結(jié)果

兩方向單點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)如表1 所示，同時(shí)以“0”為參考，通過(guò)最小二乘法擬合計(jì)算的二維基線導(dǎo)軌水平方向直線度為0.291 5 mm，垂直方向直線度為0.302 9 mm，如表2 所示。通過(guò)結(jié)果圖表視圖（圖3）和結(jié)果三維視圖（圖4）能夠很直觀地看出基線導(dǎo)軌兩方向直線度的形狀變化趨勢(shì)，為后續(xù)基線導(dǎo)軌的在線實(shí)時(shí)調(diào)整提供重要的數(shù)據(jù)支持。

表1 單點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)

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續(xù)表1

表2 直線度結(jié)果

圖3 結(jié)果圖表視圖

圖4 結(jié)果三維視圖

4 結(jié)語(yǔ)

激光測(cè)量系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)滿足二維基線導(dǎo)軌直線度的一次性測(cè)量，二維基線導(dǎo)軌直線度的技術(shù)要求為：全長(zhǎng)范圍內(nèi)兩方向直線度≤500 μm，測(cè)量結(jié)果為：垂直方向0.291 5 mm，水平方向0.302 9 mm。同時(shí)本套激光幾何測(cè)量系統(tǒng)的示值誤差不超過(guò)校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度，因此該方法滿足二維基線導(dǎo)軌直線度的測(cè)量要求，同時(shí)兩方向直線度一起測(cè)量也提高了測(cè)量效率。測(cè)量結(jié)果詳細(xì)明了，為實(shí)時(shí)調(diào)整導(dǎo)軌提供數(shù)據(jù)支撐，并且對(duì)二維基線導(dǎo)軌直線度的穩(wěn)定性試驗(yàn)及有關(guān)不確定度的評(píng)定工作提供了一定的技術(shù)支持。