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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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平面基准如何进一步改进与提高(原创)  

2017-03-13 01:08:24|  分类: 长度计量 |  标签: |举报 |字号 订阅

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平面基准如何进一步改进与提高(原创)

    

(中国测试技术研究院,成都 610021)

 

     文章指出目前所建立的平面基准只能给出两个相互垂直直径的截面轮廓直线度所确定的平面度因为用四面法检定标准平晶,只能得到一个直径截面的直线度[1][3]移相干涉仪的出现可以得到整个面的平面度,但是其基准平晶的整个面的平面度又是如何得到的,目前还没有看到基准平晶的整个面的平面度解决方法的报导[2][4][5][6]。文章介绍了基于原来四面法得到双截面平面度的基础上,再用“两面法”将各个同心圆上各点的平面度偏差求出多截面平面度(即整个面的平面度)的方法文章首先介绍了实现多截面平面度的卧式移相干涉仪和卧式平面等倾干涉仪两种仪器。对卧式移相干涉仪提出需按要求设计新的软件。对卧式平面等倾干涉仪的结构提出全面设想。文章介绍的公式比参考文献[7]更简洁。

平面基准  基准平晶  双截面平面度  多截面平面度  四面法 两面法

How can the planar etalon be further raised and make better

ZHANG Cheng-ti

(National Institute of Measurement and Testing Technology Chengdu 610021China)

 

AbstractThis paper pointed out that the plane datum established at present is only given the flatness determined by the straightness of two cross-sectional profiles with Perpendicular to each other, since the standard flat glass is measured  by the four-planes method, and only the straightness of a diameter sectional can be obtained[1][3].To appearanced of the phase-shifting interferometer ,that the flatness of  the entire surface of standard flat glass can be  obtained, and there is no report of the flatness calculation method for the entire plane of the standard flat glass[2][4][5][6].The article introduces the basis of the original four-planes method to obtain the double-section flatness, and then use the "two-planes method" to each concentric circle on each measuring point of flatness deviation to find a multi-sections flatness (that is, the flatness of the entire surface) method.In this paper, two kinds of horizontal phase-shifting interferometer and horizontal plane equal inclination interferometer are introduced to measured the multi-sections flatness. The horizontal phase shift interferometer is proposed to design new software as required.The structure of horizontal plane equal inclination interferometer is put forward. The formula presented in the article is more concise than the reference [7].

Keyword: Plane datum  Standard flat glass  Double section flatness  Multi - section flatness  

         Four-planes method  "two-planes method" 

 

1.  

在平面度的检测中常用的平面度有两种,一种是平晶类产品所用的平面度,它是双截面平面度,即以两个相互垂直截面的直线度构成的平面度。另一种是平板类产品所用的平面度,它是在整个平面范围内的最高点与最低点之差为最小的平面度,称为最小(条件)平面度。它的测量点分布均匀形成网点,所以也可称为多截面平面度。多截面平面度也可以用等高线构成的地形图来表示。平板类平面度常常用线值量具检定,其量值朔源是通过线值量具朔源至长度基准。关于平晶类的平面度由于用三面法或四面法或更多面互检法都无法得到整个面的平面度,只能得到一个截面的直线度。这是因为两块平晶工作面相对重合时,只能一个截面点对点同时重合。其他的点都不能重合。上个世纪60年代初以平面等倾干涉技术建立的直径150mm的基准平晶,采用了双截面平面度[]1[3]。由于测量时可以进行点对点的修正,可以得到较高的测量不确定度=0.01μm。在建立基准平晶以前是通过三面法互检,标准平晶无法进行修正,只能控制平晶的偏差小于1/20条纹即0.015μm,检定被检平晶时不进行标准平晶平面度偏差的修正,这样的检定不确定度达到0.02μm以上,对于检定1级平晶,其检定不确定度就嫌大了一点。上个世纪80年代出现移相干涉仪可以得到较高的测量分辨率,并且能给出被检平面的地形图。但是并未看到标准平晶的平面度偏差是多少,如何进行修正。至今日也未曾看到移相干涉仪的标准平晶用什么样的数学模型得到多截面平面度偏差的报道。其采用的方法是三面法加一平晶转180°[2][4][5][6],这样的检定方法只能给出一个截面的直线度,给不出多截面平面度。因此它的标准平晶也是控制其平面度偏差在1/20条纹内,检定时不进行平面度偏差的修正。这样虽然移相干涉仪分辨率很高,但是检定1级平晶却很难保证测量精度,对于100mm以下的平晶问题不大,尺寸大于100mm平晶的量值很难统一。因此建立多截面平面度标准平晶是改进提高移相干涉仪测量精度的必要措施。

1.如何得到多截面平面度标准平晶

    计算平晶多截面平面度的理论已在参考文献[7]给出。

2.1检定多截面平面度的仪器

  ⑴.卧式移相干涉仪

    目前移相干涉仪都是卧式的,现在也有人对等厚平面干涉仪进行“移相”改造或研制立式移相干涉仪。卧式移相干涉仪的平晶是垂直放置的,避免了平晶自重变形的影响。而立式移相干涉仪的两块平晶的支承方式不同,所以其自重变形是不同的,无法避免自重变形的影响。所以只能用卧式移相干涉仪进行多截面平面度的检定。移相干涉仪必须有获取任意一点的数据的软件,并有能按多截面平面度计算模型计算的软件。

  .卧式平面等倾干涉仪  

目前平面等倾干涉仪读数立式的,两平晶间及下平晶用三个在0.7D上的钢球支架支撑着。每次安装只能检测三个互相间隔120°的直径截面。不能在圆周上测量任意点的数据。所以平面等倾干涉仪必须采用卧式的。为减少震动对测量的影响,平晶安装调整部分应该是不运动的,并且其基础应有防震措施。平晶的安装机构可参考移相干涉仪相应的机构。观测系统可以在测量范围内上下、左右移动。观测光学系统可以前后作调焦运动。为了测量不带镀膜与带镀膜的平晶,照明机构采用反射照明或透射照明。通过CCD接受干涉信号,测量等倾干涉环直径确定干涉环的干涉级数。具有全自动测量软件。卧式等倾干涉仪的研制应该没有任何难点。

 2.2建立统一规格尺寸的多截面平面度基准平晶和标准平晶

移相干涉仪的平晶是以通光口径来确定的,而平晶标准是以平晶外径作为其规格,其有效直径常常小于外径。两个系统规格不统一,很难互相进行传递。已经建立的基准平晶已有近60年的历史,数据稳定,应该以原来双截面平面度基准平晶向多截面平面度过度。因此平晶系列应该不变化,而移相干涉仪的平晶则向平晶标准靠拢。即通光口径为150mm的平晶按直径150mm平晶来要求,即按直径140mm范围确定其检定数据和要求。这样对原有传递系统没有任何影响,对于移相干涉仪则不矛盾可以包容。

2.3 多截面平面度的检定方法和计算公式 

 .多截面平面度的检定方法

原有的基准平晶至少有4块,就用这4块平晶进行多截面平面度互检,4块平晶可以有6个组合,每对平晶组合有n个位置组合,每个平晶组合中的每一个位置组合检定m个同心圆加圆心,每个圆检定n(n=4k)个点。一共要检测6n2(m+1)个数据。

A平晶工作面向着观测者,其各点分布是按逆时针分布。B平晶的工作面背着观测者,这时其各点分布是顺时针分布。在AB两块平晶组合先让它们的最大圆的R00点及R0n/2点重合,除此截面的各点重合其余各点均不重合。这时测量出所有各点读数D0xyB平晶逆时针转2π/n角度,调整后再将各点的干涉级进行读数D1xy。直至A平晶的R00R0n/2截面与B平晶的R0n-1R0n/2-1截面重合为止,B平晶共转n-1次。一个平晶组合共测量n2(m+1)点的数据。根据四面互检可以求出四块平晶的R00R0n/2截面和R0n/4R03n/4截面的直线度。如果平晶的理想平面设定为通过平晶的R00R0n/2两点,且与平晶的R0n/4R03n/4两点平行。平晶的双截面平面度与该截面的多截面平面度数据是一致的。每一个平晶组合可以求出该两块平晶的多截面平面度。每块平晶可以有三组数据,取三组数据的平均值作为该平晶的检定结果。

 .多截面平面度的计算公式

D1iRmθj为第一组平晶组合,主平晶为0截面与辅助平晶为i截面重合,在Rmθj方位上点的干涉条纹级数。因为每块平晶的理想平面通过R00点及R0n/2点,与R0n/4点及R03n/4点平行,即此两点到利息平面的距离相等。在每一次平晶安装调整后,要将R00R0n/2两点的数据处理为0,及R0n/4R03n/4两点的读数处理为相等。即将坐标平面与理想平面重合。 任意点处理后的数据按下面的公式计算。

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 将主平晶最外圈同一点与辅助平晶在圆周方向的每一个点的数据相加除以n即为其平面度偏差。辅助平晶小于R0Rm的各圆各点平面度偏差和的平均值是未知数,无法求出主平晶的平面度偏差。主平晶上只要每个同心圆有一点的平面度偏差为已知,则该圆其余各点平面度偏差即可求出。若主平晶已经有双截面平面度,则每个同心圆上有四个点的平面度偏差为已知,可以用这四个点数据计算常数A(见公式7),代替最外圈各点平面度平均值与被测点所在圆各点平面度偏差平均值之差。这样可以提高计算结果的测量不确定度。公式8可以计算各圆各点的平面度偏差。参考文献[8]给出了平晶多截面平面度计算示例。将原始数据作适当处理可以计算另一块平晶的多截面平面度。
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 参考文献

1.张成悌,建立平面标准的研究----建立φ150标准平晶组,中国计量科学研究院1963计量科研成果,1965年存档

2.“平面检定系统”规程修订组,《平面度计量器具检定系统》规程修订说明,中国计量科学研究院,2013.1.

3.张成悌.平面等倾干涉仪检定规程的误差分析与实验数据.计测.1990年第1期p.55~56.

4.GJBJ 6221-2008 数字式激光平面干涉仪校准规范,国防科学技术工业委员会发布,2008.3.

5.张成悌,关于移相平面干涉仪的一些问题,http://zct617.blog.163.com/blog/

6.武旭华300mm移相干涉仪的关键技术研究.南京理工大学博士论文2007.8

7.张成悌,两面法求平晶多截面平面度,计量技术,2016-447号稿件待刊登。

8.张成悌,平晶多截面平面度计算实例,http://zct617.blog.163.com/blog/

 
 

 

 
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