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生于扬州,学前随父母去过西安、长沙、桂林、昆明、合川,小学在重庆,中学在上海,50年到北京国立高工读书,并在北京工作,70年来三线工作.82年定居成都.95年退休.游戏智慧是47年随父亲皈依贡戛活佛的法号.一生奉献于我国的计量事业,工作勤勤恳恳,刻苦钻研,事业略有所成.退休后致力于总结多年工作中的经验.子女均自立,一代更比一代强.尽享天伦之乐.

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长度计量量值传递的革命—用F-P标准具传递量值(修改稿)  

2016-02-20 19:20:24|  分类: 长度计量 |  标签: |举报 |字号 订阅

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2015-192修改稿

长度计量量值传递的革命—用F-P标准具传递量值

张成悌

(中国测试技术研究院,成都610021)

   作者根据实践经验体会到采用F-P标准具及白光干涉仪实现检定1等量块及0级量块将大大提高检定工作效率和检定的不确定度。采用F-P标准具作为长度量传的实物基准还有以下优点:基准无磨损寿命长,长期使用其成本比用1等量块作为实物基准要低很多,其他等级量块也可以采用这种方法进行检定。这种测量方法可以用于检定0级三针、分度值小于0.1μm的传感器以及其他精密测量,还可以实现量块检定自动化,对于量块生产企业实现0级量块检定自动化其意义更重大。

关键词 量值传递 ;F-P标准具 ;白光干涉仪; 小数重合法; 实物基准

 

0. 引言

我国第一盒一等量块诞生在1955年,由一机部计量检定所(中国计量科学研究院前身)完成的。当时他们是在德国柯氏干涉仪用小数重合法实现的。60年代出现了激光技术,1970年由中国计量科学研究院分院、中国计量科学研究院等单位提出研制激光量块干涉仪{1},用来检定0.51000mm一等量块实现量块的自动检定。在70年代末期获得国家鉴定通过。该仪器采用白光0次干涉条纹作为激光干涉仪计数的开关门激光干涉仪的计数当量是0.08μm。由于受条件限制仪器运动速度较慢,检定效率提高不多。又由于电器线路板的制作工艺较落后,使用时故障频出,致使使用效率不高。后来虽然出现了双频激光干涉仪可以改善激光计数部分但是该仪器致命的问题是白光干涉仪的光胶合的空心立体棱镜受重力影响而变形。该仪器使用一段时间后就不能继续使用了。所以后来一等量块的检定仍然是采用小数重合法。作者从事长度计量工作60多年,根据实践经验体会到长度计量量值传递的革命—用F-P标准具传递量值。即采用F-P标准具及白光干涉仪实现检定1等量块及0级量块将大大提高检定工作效率和检定的不确定度。

1. 实现新一等量块检定方法所作的努力

JJG1461994量块检定规程开始与国际规范接轨[2]。与过去主要的改变是将1等量块的不确定度由过去0.05微米量级(极限测量误差)提高到0.02微米量级(测量不确定度)2等量块的不确定度则由0.07微米量级提高到0.05微米量级。在量块级的方面增设了00级和K级。在JJG1462003量块检定规程将00级给予取消。

新一等量块的要求出现以后各单位纷纷寻求检定一等量块的新方法。首先中国计量科学研究院的王承钢、王德宝研制GLI型激光量块干涉仪[3]以及对柯氏干涉仪进行改造,中国测试技术研究院的殷毓君、黄晓蓉对该院的英国黑尔格干涉仪进行技术改造,实现了新一等量块的检定[4]。其他单位也对原有的干涉仪进行改造或研制新的干涉仪[5][6][7][8]。所有这些文献都采用了CCD干涉条纹图像处理,读取条纹小数。对测量环境进行改善,用高精度传感器测量温度、气压、湿度、空气折射率等。采用两种不同波长的激光作为光源[6][9]。以及采用移相技术[5][7]达到改变各波长小数的不同组合,采用多组组合实现小数重合法的多次测量,达到提高小数重合法的读数精度。接触式干涉仪测量一等量块目前还没有被国际所认可,主要原因是认为其检定方式不符合一等量块的长度定义。另一方面接触变形修正量的可靠性如何能满足一等量块测量不确定度所要求的量级,这是需要大量实验予以确定的。再就是这种接触测量需要运动,在测量过程中运动会带来许多不可确定的因素。一等量块检定中的一个重大问题是反射面的相移修正[10],中国测试技术研究院在有关单位的协助下,对位相修正通过实验取得了突波。大大提高了该项的测量不确定度。近年在各国实验室对一等量块的国际比对中,首次参加的中国测试技术研究院脱颖而出,取得第三名的优异成绩。中国测试技术研究院要求各实验室必须在5个工作日完成送检的检定任务。量块检定方面他们采取诸多措施,不仅保证12等量块检定质量,而且按时完成检定任务。目前他们承担的12等量块检定份额占全国检定份额大大超过一半以上。

2. 用FP标准具作为量传的基准

采用小数重合法测量量块在其小数接近0.5个条纹时,由于有测量不确定度的存在,常常怕误判一个整数条纹需要作许多实验与多次测量而影响测量效率。采用移相技术可以避免这个问题。特别是检定0级、00级量块的测量不确定度不能满足需要因此必须寻求一种高效且准确的测量方法。

F-P标准具在长度测量中是用作光波波长测量和比对的工具,其长度测量不确定度可达到纳米量级。其长度一般是100200mm等。标准具是由环状平面平行、尺寸精确的标准具主体和两块镀膜平晶光胶组成。标准具应保证标准具内外的空气相通。大尺寸标准具可以打一个螺孔,小尺寸标准具则可在其端面设几个空刀槽即可。F-P标准具也应用于气体物质的精细结构分析的物理研究。  

2.1 FP标准具长度的测量

F-P标准具要作为量传的基准,其长度的测量不确定度必然要求是非常高的。对于波长比对或校准所用标准具其长度较长,在准直光路中,将F-P标准具于其平行光处。利用平行光还有一定的发散角,标准具的后端用准直物镜可以观察到透射光的等倾干涉环,在其前端用半反射镜及准直物镜可以观察到反射光的等倾干涉环。过去没有CCD技术时采用照相的方法将干涉环图像成像于胶片上。然后将胶片放在工具显微镜是测量干涉环的直径。采用的光源波长的测量不确定度应达到109量级。由于标准具预先测量其不确定度已经达到0.1μm,通过波长计算可以知道其干涉环小数干涉级在什么范围内,通过CCD图像处理系统测量有关干涉环直径即可求出准确的干涉环小数级。从而测出标准具准确的长度。波长比对在没有CCD技术时,为保证测量不确定度是采用测量多个干涉环,用组合计算求出条纹小数。干涉环直径大小与标准具的长度有关,为了适应干涉环便于测量,观察物镜的焦距应与标准具的长度相适应。标准具的长度越小,物镜的焦距也相应的短一些。此时,照明光线也应适当汇聚。对于一套0.5~100mm的标准具需要数个不同焦距的物镜,对应不同的物镜照明物镜也需要移动到不同位置。干涉环的小数级的精度可达到0.001条纹,标准具长度的测量不确定度可达到纳米量级。用这样的标准具可以作为测量一等量块的基准。

根据等倾干涉原理,干涉环直径D可以从下式看出他们的关系。

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式中:D为某干涉环与环中心处的光程差为k个干涉级时的干涉环直径;

      f为观测物镜的焦距;

      k为以干涉级为单位,某干涉环与环中心处的光程差;

      λ为所用光波波长;

      n为标准具内的空气折射率;

      h为标准具尺寸。

(1)式说明了为什么检定0.5~100m的标准具要用不同尺寸的物镜;干涉级k与干涉环直径D的平方成正比。当k=1时的干涉环直径D0只与物镜焦距f、标准具尺寸h、所用波长λ及空气折射率有关。当这些条件不变时D0是常数。对于每个尺寸的标准具在固定仪器上都有一个D0值,只要事先把它测量准确并存贮。可以用公式(2)直接计算干涉级。D0可以用公式(3)进行计算。为提高D0的准确度,应在不同k值情况下作多次测量,取其平均值。

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    式中:k为干涉级的小数部分,k<1;

          D0为干涉级为1的干涉环标准直接;

          Dk为干涉级为k的干涉环直径; 

      D1+kk级干涉环外相邻干涉环直径。

根据作者在等倾干涉仪上的经验,经过培训可以估读干涉级达到0.1量级,优秀者可达0.05量级,用测微目镜测量干涉环直径则可达0.01量级[11]。采用CCD技术达到0.001量级是轻而易举的。尤其是对于小尺寸标准具由于有镀膜层,光线经过多次反射形成的干涉环对比度比双光束干涉环的对比度要强上百倍。

标准具的材料应与被检量块的材料一致,标准具内部空气应与外界空气相通。标准具放置的位置应与被检量块在同一温度场内,这样膨胀系数和折射率的影响将减至最小。检定一等量块时的主要误差就只有标准具尺寸、检定量块时的读数误差及反射面的相移修正等。标准具在结构上应能与抽真空设备相连,便于在真空状态下测量其长度。

2.2 在白光干涉仪上与标准具比较测量一等量块、0级量块

    在白光干涉仪(迈克逊干涉仪)的平行光的光路中放置与被检量块长度一致的标准具。干涉仪除了白光光源还应有单色光源。一支相干光垂直入射在工作台上,将被检的量块研合在平晶上,并放置在工作台上。调整工作台使平晶上的单色光干涉条纹与量块的短边平行,条纹宽度适当;并调整至0次干涉条纹附近,改换白光光源照明,继续调整至出现黑色0次干涉条纹,此时量块工作面上也有0次干涉条纹,将量块上的0次干涉条纹通过量块的中心点上。测量量块中心点至平晶上的0次干涉条纹的距离L还要确定量块中心点是在平晶的0次干涉条纹的上方或下方以便确定量块是大于或小于标准具的长度。用单色光测量平晶上干涉条纹间的宽度BL×λ/2B(式中λ单色光波长此即为量块与标准具的长度差值。根据量块中心点与平晶0次条纹的位置确定量块偏差的符号。标准具的实际长度+量块偏差=量块实际长度。测量条件应满足该等级量块的要求,并作各项相应修正。标准具与量块的材料相同,他们的膨胀系数相同;并且放在同一个容器空间里面,他们光路中的空气折射率相同。这样主要修正量就剩相位修正了。测量LB是用CCD图像处理并计算出量块的偏差。用标准具作基准并不需要像量块那样需要相同数量的标准具,在不确定度许可范围内可以利用标准具的光倍增效应达到一个标准具可以检定几个不同规格的量块。例如10mm的标准具可以检定1020mm的量块。25mm的标准具可以检定255075mm的量块等。1mm的标准具可以检定120.9991.001mm的量块。用两个不同规格的标准具进行串联组合可以检定更多规格的量块。这样可以大大降低建标的成本。这些都需要通过实验确定需要多少个标准具。

上述操作不是自动测量,用一般干涉仪改造很容易实现。关键是拥有标准具及标准具尺寸的测量。0级量块实现自动测量比1等量块实现自动测量要简单许多。0级量块检定是批量进行的,自动测量时不需要更换标准具,只是如何将被检量块自动送到位,并自动调整寻找0次条纹等。工作台升降应用分度值为0.1μm的光栅传感器显示器位置工作台还应有压电陶瓷的精细调整。为了便于调整寻找0次条纹,研合量块的平晶应作适当控制其尺寸和平行度,更换量块时,量块位置变化不大,很容易找到0次条纹。1等量块自动检定时,一种尺寸的标准具不能像检定0级量块那样进行批量检定,一次最多不会超过10块,而且每次测量的块数可能不同。相对于0级量块检定,1等量块检定需要考虑自动更换标准具,安放时还要保证工作面与光路垂直。量块生产厂实现0级量块自动检定比计量部门实现1等量块自动检定的意义与经济效益更大也更容易实现。34等量块也可用标准具放在接触干涉仪(测杆运动部分需要改造)平行光入口处,实现用标准具传递量值也可检定12级量块。

2.标准具在精密测量中的应用

早在1962年中国计量科学研究院利用标准具测量1㎝的基准活塞压力计的内孔直径[12]。作者(作者在中国计量科学研究院工作)同时也用类似标准具原理测量5mm基准活塞压力计的内孔直径,及测量所用的钢球直径[12]。用类似方法测量了2mm的内径环规。根据这种思路作者最早向北京计量仪器厂提出试制孔径干涉测量仪。作者到了计量分院(中国测试技术研究院前身)向有关人员推荐采用类似标准具的方法,测量表面洛氏硬度计压痕尺寸,并协助实施之。作者在负责的高精度激光渐开线检查仪主机部分,利用白光干涉仪两次0次干涉条纹作为开关门,检定渐开线检查仪激光干涉仪的位移精度[13]-[16]。目前国内在检定分度值小于0.01μm的传感器方面还缺少有效方法,完全可以用小尺寸标准具和白光干涉仪进行检定。还可以用特殊吃的标准具检定0级三线。标准具的应用在精密测量中有很大的拓展空间。 

3.如何实现标准具传递量值

实现用标准具传递量值是一个系统工程,有大量工作要做。需要组织各方面的力量共同完成之。

    ⑴.作好充分模拟实验

参与这个项目的人员必须通过模拟实验,充分体验标准具传递量值的优越性和操作要领,才能进行下一步各项工作。模拟实验可以在各种迈克逊干涉仪(包括柯氏干涉仪)上进行。也可以在计量仪器厂生产的701孔径干涉仪进行实验。701孔径干涉仪可以测量50mm的孔径。其工作台上面有50mm以上的空间,选一块厚度尺寸较小的平晶或平行平晶于工作台上,调整出现白光干涉条纹。在此平晶上研合一尺寸较小的量块,放在工作台上。在仪器可移动参考镜前面放置相同尺寸的标准具,没有标准具可以用两块平晶研合量块形成临时的标准具。这时在工作台是的平晶和量块都可以看到白光干涉条纹,通过测量两个0次干涉条纹的距离和平晶上的条纹间距,即可得到量块与标准具间的尺寸差值。利用接触式干涉仪作模拟实验,由于此干涉仪的行程略超过0.5mm,因此只能测量0.5mm的量块。这种方法主要问题是接触变形,要通过大量实验确定其修正值。也可将接触式干涉仪的测量管卸下,用平行片簧作为测头移动方法,在其上放置可移动参考镜,与接触干涉仪的头部构成白光干涉仪。平行片簧的行程可以达到±2mm以上。用这样结构可以测量4mm以内的量块。如测头结构采用密珠导轨,过盈量在12μm(相关零件的形状误差与表面粗度要与过盈量适配),这种结构可以移动20mm,与接触干涉仪头部相结合可以测量20mm以内的量块。接触干涉仪头部直接与研合量块的平晶构成白光干涉仪,在量块和平晶上可同时看见0次干涉条纹。也可以接触干涉仪头部与立、卧式测长仪相结合进行实验。

.研制并定型生产标准具

由量块生产厂及光学厂分别提供环型量块及镀膜平晶,光胶后形成标准具。其形状、尺寸、成套性经过模拟实验给予确定。对其技术要求制定国家标准。小尺寸环型量块要解决标准具内部与外部空气的连通问题。解决办法是平晶适当位置打小孔或环型量块工作面上磨空刀槽。

.研制检定标准具的仪器

通过模拟实验设计并制造标准具检定仪。模拟实验可以在等倾干涉仪上进行,试验等倾干涉仪能测量多大范围的标准具尺寸。制定标准具检定规范。

.改造现有的干涉仪及研制并定型生产适用的干涉仪

有的单位现在检定1等量块的设备如果改动不太大就可实现白光干涉测量,就应根据模拟实验改造仪器,并通过验收。生产接触干涉仪的工厂及生产检定3等量块的激光干涉仪的工厂根据模拟实验定型生产适于白光干涉测量的接触式干涉仪。接触干涉仪的接触变形修正量必须通过实验确定并给出。对其技术要求应制定国家标准和检定规范。对于接触式干涉仪的头部适当扩大通光口径,配以适当的被检量块放置工作台、照明系统、标准具放置调整工作台以及保温系统及CCD测量数据处理系统。设计时考虑自动化检定或半自动化检定。半自动化是指每次自动检定同一尺寸量块数量为810块,更换尺寸时,人工更换标准具及量块。这样结构可以简单一些。

.研制生产中量块自动分级检定设备

计量科研单位与量块生产厂以及仪器生产厂一起研制量块自动分级检定仪,因为量块分级主要根据量块的尺寸变动性,考虑到便于测量量块尺寸变动性,应采用接触式干涉仪。考虑尺寸大小相差比较大,应分两类来考虑其结构。否则结构会太复杂。

.组织培训检定人员

为了全面实施用标准具传递量块尺寸,对于量块检定人员应进行技术培训,掌握检定技术要领。

 

4. 小结与展望   

由于采用标准具作为基准,标准具在光路中,被检量块尺寸是与标准具尺寸进行比较,所以测量时不需要基准量块,因此效率高、减少环境误差。标准具在测量过程中不需要测量与接触,所以标准具没有磨损。因此标准具的检定周期可以增长。标准具作为基准可以测量数个尺寸的量块,而不须更换标准具,对于量块生产厂检定级量块效益更为显著。采用标准具传递量值测量精度可以提高。采用标准具更容易实现自动测量。希望在不久的将来能够得以实现。

 

   

 

参考文献

[1] 李协昭 , 邬烈恭 .科研成果报导——高精度激光量块干涉仪研制成功.光学技术, 1981(03) 

[2]倪育才 .关于修改JJG146-94量块检定规程的说明 .中国计量,1998(7).

[3] 王承钢、汪德宝 GLI型量块激光干涉仪《现代计量测试》1993年 第2 15-22

[4]裴雅黄晓蓉 用于一等量块检定的柯氏干涉仪改造  红外与激光工程 增刊第 37 2008 年  246249

[5] 朱振宇 牛立新  用相位偏移干涉法精确测量量块长度 《航空计测技术》

[6]蒋秀兰、祝逸庆等 双波长激光量块干涉仪研制 《上海计量测试》2001.5.P.10~14

2001.1.P.20~26

[7] 葛爱明 严家骅  应用移相干涉术测量量块长度和长度变动量《光学学报》2002年 第2 

[8]赵静、王承钢、杨自本等 满足1等量块检定要求的接触式激光量块干涉仪《航空计测技术》2002.5.P.2025

[9] 蒋秀兰 我国量块计量技术概况与发展趋势《上海计量测试》2007.1.

[10] 邵宏伟 刘香斌 等 量块干涉测量位相修正问题《现代计量测试》2002年 第1P.28~31

[11] 张成悌 JJG 661-90 平面等倾干涉仪检定规程 长度计量检定规程汇编第㈦册.P255~264

[12] 基准活塞压力计几何参数的测定方法 中国计量科学研究院保存的计量科研成果 1965

[13] 张成悌 高精度渐开线检查仪主机研制报告 中国计量科学研究院分院研究报告 1980.12

[14] 张成悌 高精度渐开线检查仪研制成功 [J] 计量研究 1981年第315

[15] 张成悌 杨植堂 高精度渐开线检查仪 [J] 计量学报,198202:8189

[16] Y.Zhhi-tang and Z.Cheng-Ti  A High Precision Involute Testsr [C] (IMEKO) Tc14

Proceedings of international Symposium on Metrology for Quality Control in Production

(ISMQC) Tokyo 1984 p.164~168

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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