可调整光程的激光测长机_黄雷

第41卷第8期红外与激光工程2012年8月Vol.41No.8Infrared and Laser Engineering Aug.2012

可调整光程的激光测长机

黄雷1，马宏1，窦艳红2，马钟焕2，杨璐3

(1.长春理工大学光电工程学院，吉林长春130022；

2.吉林省计量科学研究院几何量室，吉林长春130022；

3.吉林东光精密机械厂，吉林长春130000)

摘要：为进一步提高激光测长机的测量精度及可靠性，满足高精度长度尺寸的计量检定要求，研制了一种可调整光程的激光测长机。采用激光干涉仪作为测量基准，结构设计符合阿贝原则，同时，可根据被测长度的大小调整激光干涉仪和测量组件的安装位置，提高了测量准确度。并对影响激光测长机测量准确度的误差进行了不确定度分析。实验结果表明，该激光测长机的测量准确度达到了±(0.5μm+1.5×10-6L)，测量重复性为0.2μm。满足高测量精度及高可靠性等技术指标要求。

关键词：计量学；可调整光程；激光测长机；阿贝原则；直接测量

中图分类号：TN249文献标志码：A文章编号：1007-2276(2012)08-2192-05

Laser measuring machine of adjustable optical path

Huang Lei1,Ma Hong1,Dou Yanhong2,Ma Zhonghuan2,Yang Lu3

(1.School of Optoelectronic Engineering,Changchun University of Science and Technology,Changchun130022,China;

https://www.360docs.net/doc/0513802722.html,boratory of Geometry,Jilin Institute of Metrology,Changchun130022,China;

3.Jilin Dongguang Precision Mechanism Factory,Changchun130000,China)

Abstract:To improve the accuracy and reliability of laser measuring machine,a laser measuring machine of adjustable optical path,which adopted laser interferometer as measuring datum was developed.The system accorded to Abbe principle in structure.The size of the measuring length could be altered by adjusting the laser interferometer and its accessory.Thus,the measuring accuracy was improved.The uncertainty of error which affected laser measuring machine's accuracy was analyzed.The results show that,the accuracy of laser measuring machine gets to±（0.5μm+1.5×10-6L）,the measurement reproductivity is0.2μm.The system meets the technical requirements with high accuracy and high reliability.

Key words:metrology;adjustable optical path;laser measuring machine;Abbe principle;

direct measurement

收稿日期：2011-12-17；修订日期：2012-01-19

基金项目：国家863计划(2007AA701203)

作者简介：黄雷(1982-)，男，工程师，博士，主要从事激光干涉仪及相关领域的研究工作。Email:huanglei_mai@https://www.360docs.net/doc/0513802722.html, 导师简介：马宏(1941-)，男，教授，博士生导师，主要从事光学精密仪器设计及相关领域的研究工作。

Email:93768351@https://www.360docs.net/doc/0513802722.html,

第8期

0引言

随着精密机械技术的发展，越来越需要在大范围内，使测量准确度达到微米甚至更高的水平，并且对于检测效率和仪器维护成本都提出了较高的要求。因此，激光测长机得到了广泛的应用[1]。国内外许多科研人员投入了大量的精力研制出了以激光干涉仪为标准器的测长机。如德国马尔公司的Precimar CiM型激光测长机以可靠性高、易于检测各种端面尺寸为特点。中国计量院李建双等人研制的6m激光测长机可应用于各种大尺寸端面零件的检测。但是，上述仪器均不符合阿贝原则，且激光光程不能根据被测长度的大小进行同步调整，限制了仪器的精度和可靠性[2]。因此，研制了激光干涉仪作为测量基准的激光测长机(以下简称测长机)。该测长机在符合阿贝原则的同时，可根据被测长度的大小，调整激光器和测量组件的安装位置，与激光器固定在测长机末端(2m处)的方法比较，减小了环境参数对测长机光程的影响，提高了测量准确度。

同时，研制了不同规格的测量附件，使测长机可以测量电感式线位移传感器、激光线位移传感器、拉线线位移传感器和标准量杆等高精度长度计量器具。

1测量装置

1.1激光干涉仪原理

激光干涉仪原理如图1所示。从激光光源发射出标称波长为633nm的激光光束①，波长稳定性小于0.05×10-6。光束通过线性干涉镜组件，被分成反射光束②和透射光束③。这两束光经各自的线性反射镜反回线性干涉镜组件中，被探测器接收。如果两束光的光程差发生变化，探测器将观察到相长干涉和相消干涉两端之间的信号变化[3]。由此计算两光程差的变化。测量的长度d可表示为：

d=n×λ/2(1)式中：n为条纹数；λ为激光波长。

1.2测长机系统结构

测长机由激光器、线性干涉镜组件、线性反射镜、测长机基座、头座、尾座和三维调整附件等组成，如图2所示。

图2测长机装置结构

Fig.2Structure of laser measuring machine

图2中：1为激光器；2为移动工作台；3为线性干涉镜组件；4为线性反射镜；5为三维调整附件6为尾座；7为调节转台；8为被测件；9为头座；10为高精度测头；11为基座；12为温度及空气传感器；13为计算机。

测量时，将移动工作台放置于测长机导轨上，将激光器固定在移动工作台上，用移动工作台的辅助装置对激光器进行位移和角度的微调整。移动工作台在测长机导轨上的位置，可根据被测长度的大小进行调整，并保证线性干涉镜组件与线性反射镜保持最佳测量距离。通过以上措施，在被测长度范围内，可大幅度减小环境参数对激光干涉仪光程的影响，进一步提高测长机的测量准确度。

在测长机尾座上安装线性反射镜及三维调整附件。实际安装测量组件时，测量轴线与激光干涉仪光轴的重合性调整至1mm以下较为困难。因此，设计了三维调整附件，如图3所示。线性反射镜安装于三

图1激光干涉仪原理

Fig.1Principle of laser interferometer

图3三维调整附件

Fig.3Three-dimensional attachment

黄雷等：可调整光程的激光测长机2193

红外与激光工程第41卷

维调整附件的可调平板上，使线性反射镜在横向、纵

向和俯仰方向精确移动，保证测量轴线与激光干涉

仪光轴的重合，使测量系统符合阿贝原则，并减小余

弦误差。对零装置使用分度值为0.01μm的数显电

感测微仪，也可使用高精度线位移传感器代替。

2测长机测量结果不确定度分析

以测量4等量块的中心长度为例，进行测长机测

量结果不确定度的分析。4等量块中心长度的测量

不确定度为0.2μm+2×10-6L，为能够对其直接测

量，需对测量中产生的各项误差进行分析，消除或减

小其中影响较大的误差。并根据分析结果，对各测长

机各组成部分进行精度分配，以达到设计指标的要

求。现对优化后的测长机进行测量不确定度分析。

2.1激光干涉仪引入的不确定度分量μ1

激光器测量组件可根据被测量块的尺寸大小，

改变其光程，提高测量准确度[4]。根据Edlen公式可

得激光干涉仪位移量为[5]：

L PTF=L+[93.0(T-20)-0.2683(P-101325)+

0.0371(F-1333)]×10-8L(2)

式中：L为激光干涉仪标称波长在测量环境下测得

的位移值；T为光路平均温度，℃；P为光路气压，

Pa；F为光路中空气水蒸气分压，Pa。

根据公式(2)，得激光干涉仪长度测量的误差为：

δ1=0.5×10-6L(3)

按正太分布计算：

μ

1=0.5×10

-6

L

3

≈0.17×10-6Lμm(4)

2.2测头装置分辨力/重复性引入的不确定度分量u2

（1）测头装置分辨力引入的不确定度分量u2a

采用分度值为0.01μm的数显电感测微仪，由于为两次读数，则有：

δ2=2

姨×0.01≈0.02μm(5)该误差服从三角形分布，得：

u2a=0.02

6

姨

≈0.01μm(6)（2）测头装置重复性引入的不确定度分量u2b

采用长度为1000mm的3等量对激光测长机进行重复性实验，并计算实验标准偏差，如表1所示。

u2b=s=

10

i=1

Σ(x i-x軃)2

10-1

姨=0.11μm(7)

因此，取u2=u2b=0.11μm。

表1重复性实验结果

Tab.1Result of repeatability

2.3测长机导轨直线度引入的不确定度分量u3

线性反射镜具有使入射光束与反射光束反向平

行且不受反射器顶点摆动影响的特性。但当测长机

导轨存在一定的直线性误差时，线性反射镜虽能保

持出射光线和入射光线反向平行，但横移仍可对光

程产生影响[6]。

当线性反射镜在移动过程中存在垂直于光轴的

横移d，且入射光线与测量轴线有微小夹角θ时，将

产生附加光程差，如图4所示。O为线性反射镜的棱

尖(角点)，P为参考线性反射镜角点在测量光路的

像，以O点为空间坐标原点，z方向为测量轴线，入

射光线与z轴夹角为θ。

图4线性反射镜横移简图

Fig.4Sliding of linear mirror

观察入射到角点P与O的光线，这两条干涉光

线的程差是OP在光线投影的二倍。

设入射光线方向余弦为：

l=sinθ·cosφ

m=sinθ·sinφ(8)

n=cosθ

式中：φ为光线在xoy面上的投影与ox轴的夹角。于

是程差为：

No.Error/μm No.Error/μm

10.2960.49

20.2570.17

30.2480.13

40.3290.33

50.17100.17

2194

第8期

△=2(lx o+my o+nz o)=

2(x o sinθcosφ+y o sinθ·sinφ+z o cosθ）(9)若入射光与z轴平行(θ=0)时，在测量方向光线的光程差△0=2z o，则附加程差为：

δ3=Δ-△

0=2θ(x

cosφ+y

sinφ)-θ

2

2

△

(10)

由图4可知，在空间坐标系中，x

0cosφ+y

sinφ

等于OP在光轴方向的投影d cos(φ-φ′)，则有：

δ3=2θd cos(φ-φ′)-θ2

Δ

(11)

式中：x

0、y

、z

为OP在x、y、z方向上的投影；角θ

一般很小，故θ2项可略，于是：

δ3=2θd cos(φ-φ′)(12)式中：d是P点到z轴的距离，即横移。横移d主要是由导轨直线性误差及线性反射镜在装调时有误差引起的，由此可确定导轨直线性引起的误差大小。当横移d=0.3mm时，

δ3≈0.1μm(13)假设该误差服从均匀分布

u3=δ3

3

姨=0.1

3

姨

≈0.06μm(14)

2.4余弦误差引入的不确定度分量u4

当实际调整时，不可能使测量轴线与激光干涉仪光轴完全重合，故引起误差δ4：

δ4=ΔL·φ(15)式中：δ4为偏离测长机测量轴线产生的误差；ΔL为测量轴线与激光干涉仪光轴的偏离距离；φ为以弧度表示的测长机导轨直线度。

因此δ4=ΔL·φ=1×3.88×10-5≈0.04μm，得：

u4=0.04

3

姨

≈0.02μm(16) 2.5量块与测长机温度差引入的不确定度分量u5

实验室温度为20.4℃，量块温度t n=20.5℃，测长机平均温度t p=20.6℃，测长机线膨胀系数αp= 11.0×10-6/℃，量块线膨胀系数αn=11.5×10-6/℃,则：δ5=L[a n(t n-20.4)-a p(t p-20.4)]=

L×(11.5×10-6×0.1-11.0×10-6×0.2)=1.05×10-6L(17)按均匀分布得：

u5=1.05×10-6L

3

姨≈0.61×10-6L(18)

2.6球面测帽引起的不确定度u6

δ6=a(1

r

1

+1

r

2

)p

3姨(19)

式中：a为测帽变形系数；r

1

、r

2

为球面测帽半径，r

1

=

r

2

=20mm；p为测力值，p=0.2×9.8N。按三角形分布得：

u6=δ6

6

姨

=0.3

6

姨

≈0.12μm(20)

2.7合成标准不确定度u c和扩展不确定度U

当各不确定度分量之间不存在相关性时，合成

标准不确定度为：

u c=u2

1

+u2

2

+u2

3

+u2

4

+u2

5

+u2

6

姨≈0.13+0.6L(21)

取包含因子k=2扩展不确定度,则扩展不确定度为：

U=ku c≈0.26+0.12L(22)

3实验与数据分析

在激光测长机的测量范围内，对3等、4等量块

分别进行直接测量[7]。测量时，根据被测长度的大

小，调整激光干涉仪和测量组件的安装位置和激光

器固定在测长机末端(2m处)的两种测量方式，对每

个测量点取3次读数，取读数值中绝对值最大值作

为测量结果。实验室环境温度为20±0.2℃，相对湿

度为50%。测量结果如图5、6所示。

图5测量结果

Fig.5Measurement result

由图5可知，采用根据被测长度的大小调整激

光干涉仪和测量组件安装位置的测量方法(方法1)

校准测长机示值误差时，各测量点的最大示值误差

均小于测长机的示值误差:±(0.5μm+1.5×10-6L)。而

采用激光器固定在测长机末端(2m处)的测量方法

(方法2)校准时，600mm、700mm、900mm测量点的

误差超出了测长机允许的示值误差。当用4等量块

比对测量时，如图6所示。两种方法的测量误差曲线黄雷等：可调整光程的激光测长机2195

红外与激光工程第41卷

图7比对E n 值

Fig.7Result of comparison

图6误差曲线图

Fig.6Plot of error value

较为相似，但方法2的测量误差波动较大。在全量程范围内，方法1的测量结果均小于4等量块的不确定度(0.2μm +2×10-6L )[8-9]。将测长机测量4等量块的结果与量块的误差值进行E n 值计算，如图7所示，其E n 值均小于0.7。

4结论

该激光测长机的系统结构设计完全符合阿贝原则，所采用的根据被测长度大小调整激光干涉仪和测量组件安装位置的方案提高了测量准确度。研制的激光测长机测量附件，使测长机扩大了测量功能，可对电感式线位移传感器、激光线位移传感器、拉线线位移传感器等各种线位移传感器的准确度进行校准。

实验结果表明，该激光测长机的测量准确度达到±(0.5μm +1.5×10-6

L )，测量重复性为0.2μm ，完全

符合检定4等量块、标准量杆等高精度长度尺寸的测量要求。参考文献：

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