武 鵬 / 上海市計量測試技術(shù)研究院

0 引言

目前高等別線紋尺的檢定及校準(zhǔn)是根據(jù)JJG 73-2005《高等別線紋尺檢定規(guī)程》[1]進行的，規(guī)程要求，線紋尺按“白塞爾”支點支撐于工作臺的支架上，分度線面與可動立體棱鏡棱尖等高；線紋尺的側(cè)面貼上測溫傳感器；調(diào)整線紋尺支架使其兩端在顯微鏡視場內(nèi)清晰可見；調(diào)整狹縫寬度，待溫度穩(wěn)定后方可測量。測量過程中由于線紋尺的分度線經(jīng)過狹縫而在示波器上呈現(xiàn)出脈沖信號，在JJG 170-1994中提到脈沖信號交點在幅值的7/10處[2]，除此以外對脈沖信號如何調(diào)整沒有詳細(xì)說明。本文將通過不同材料不同長度的高等別線紋尺的測長實驗，研究脈沖信號對高等別線紋尺測量的影響并確定脈沖信號的調(diào)整原則。

1 試驗原理及要求

使用激光干涉比長儀，測量原理如圖1所示。由激光器發(fā)出的激光經(jīng)過準(zhǔn)直、擴束系統(tǒng)之后，形成一束平行的激光光束，該光束被分光鏡PBS1分為兩束：一束射向固定的參考鏡，反射形成測量系統(tǒng)的參考光束；另一激光光束射向運動的測量鏡，反射形成測量系統(tǒng)的測量光束，這兩束光在分光鏡PBS1處相遇，經(jīng)小直角反射鏡、λ/4波片和分光鏡NPBS分成兩束，從而使系統(tǒng)產(chǎn)生兩組干涉信號相位差是90°的正弦信號和余弦信號。干涉信號由光電接收器D1、D2、D3、D4接收。測量鏡安裝在運動的工作臺上。當(dāng)工作臺運動時，兩束光的光程差不斷變化，測量鏡每移動λ/2的距離時，兩臂的光程差變化一個波長。只要準(zhǔn)確測定干涉條紋的移動數(shù)，就可以算出測量鏡的移動距離[3]，從而獲得被測長度L= N λ[4]。

試驗所選用的線紋尺如表1所示。

表1 高等別線紋尺型號及測量范圍

所選用的激光干涉比長儀測量線紋尺的重復(fù)性U99= 0.06 μm。檢定根據(jù)JJG 73-2005的要求進行，溫度控制滿足規(guī)程對一等線紋尺的要求（見表2）。

圖1 激光干涉儀測長原理示意圖

表2 一等線紋尺檢定條件

2 測試結(jié)果及分析

按照脈沖波形的不同情況將試驗分成幾組，每組試驗與所選取的線紋尺溯源證書數(shù)據(jù)比較，考察不同條件下的脈沖波形對測試結(jié)果的影響。

2.1 等高脈沖波形峰值對測試結(jié)果的影響

按JJG 170-1994中的要求，調(diào)整脈沖信號使交點在幅值的7/10處。設(shè)定波形起始位置為0 V，每一格為2 V，在測量全長過程中分別使信號穩(wěn)定在圖2至圖5的四種情況。為了方便，將圖2的波形稱a波形；圖3的波形稱b波形；圖4的波形稱c波形；圖5的波形稱d波形。可以看出四種情況中波形由a到d，信號峰值逐漸減小，其中a為信號過飽和的情況；d為信號低于4 V，但不低于門檻電壓值的波形圖。將選取的一等玻璃線紋尺和一等金屬線紋尺在以上幾種波形條件下測量全長。將幾種波形條件下得到的測長結(jié)果與溯源數(shù)據(jù)做差，得到的偏差值如圖6、圖7所示。

圖2 等高脈沖波形峰值飽和時波形圖（a波形）

圖3 等高脈沖波形峰值較大時波形圖（b波形）

圖4 等高脈沖波形峰值適中時波形圖（c波形）

圖5 等高脈沖波形峰值較低時波形圖（d波形）

通過數(shù)據(jù)點的分布可以看出，無論是200 mm的玻璃線紋尺還是1 000 mm的金屬線紋尺，在a、d兩種波形情況下的數(shù)據(jù)分布較分散，與溯源數(shù)據(jù)差值較大；而b、c兩種波形條件下結(jié)果比較接近，都與溯源數(shù)據(jù)差值較小。說明在電壓較高的飽和狀態(tài)（即圖2的條件）和電壓較低的低壓狀態(tài)（即圖5的條件），測長結(jié)果出現(xiàn)較大波動。

2.2 等高脈沖波形交點位置對測試結(jié)果的影響

當(dāng)信號波形交點位置過高或過低，會對線紋尺的測量產(chǎn)生怎樣的影響？如圖8、圖9及圖4中的三種情況，為方便說明稱圖8的波形為e波形；圖9中的波形為f波形?？梢钥闯鰁波形交點位置大約在幅值的9/10，即為兩曲線交點；而波形c與波形f的交點大約在幅值的7/10和1/2處，均為兩直線交點，而前者交點電壓高于后者交點電壓，兩種情況下的交點電壓分別為6 V、5 V。與2.1的數(shù)據(jù)處理方法相同，將幾種波形條件下得到的測長結(jié)果與溯源數(shù)據(jù)做差，得到如圖10、圖11的測試結(jié)果。

圖6 玻璃線紋尺在等高脈沖不同峰值波形條件下測長

圖7 金屬線紋尺在等高脈沖不同峰值波形條件下測長

圖8 等高脈沖波形高交點位置波形圖（e波形）

可以看出當(dāng)波形交點在幅值的大致7/10和1/2處時，即兩直線交點的情況下測長數(shù)據(jù)與溯源數(shù)據(jù)非常接近，而交點位置大約在幅值的9/10（即兩曲線交點的e波形情況下），測長數(shù)據(jù)與溯源數(shù)據(jù)差值的絕對值隨名義尺寸的增大而增大。說明只要交點在直線與直線的交點處就可以保證測長結(jié)果的質(zhì)量。測量過程中交點位置所在的電壓必須高于門檻電壓才能進行測量。若交點位置較低，就必須提高峰值電壓。出于保護電源的考慮，也為了方便日常工作，兩脈沖波形的交點應(yīng)盡量交在直線處較高的位置上，即JJG 170-1994中提到脈沖信號交點在幅值的7/10處。

圖9 等高脈沖波形高交低位置波形圖（f波形）

圖10 玻璃線紋尺在等高脈沖不同交點位置波形條件下測長

圖11 金屬線紋尺在等高脈沖不同交點位置波形條件下測長

2.3 不等高脈沖波形對測試結(jié)果的影響

在高等別線紋尺測量過程中，如果脈沖信號波形有高低差，那么測量結(jié)果將產(chǎn)生怎樣的差異呢？為了考察這種情況，分別將200 mm的玻璃線紋尺和1 000 mm的金屬線紋尺在脈沖波形為圖12、圖13的情況下測量全長。同樣為方便，稱圖12與13中的波形為g波形和h波形。與2.2中處理與比較方法相似，為了方便觀察，再選取一組等高脈沖波形條件下（即c波形條件下）的數(shù)據(jù)與溯源數(shù)據(jù)做差比較，得到的結(jié)果如圖14、圖15所示。

圖12 不等高脈沖左高于右波形（g波形）

圖13 不等高脈沖左低于右波形（h波形）

圖14 玻璃線紋尺在不等高脈沖波形條件下測長

可以明顯看出不等高脈沖波形條件下，測長數(shù)據(jù)與溯源數(shù)據(jù)之差的絕對值隨名義尺寸的增大而增大。說明當(dāng)兩脈沖峰值電壓值不一致會嚴(yán)重影響線紋尺的測量質(zhì)量。

圖15 金屬線紋尺在不等高脈沖波形條件下測長

3 結(jié)語

通過以上的測試和對測試數(shù)據(jù)的比較、分析，可以認(rèn)為線紋尺測長過程中脈沖波形調(diào)節(jié)不當(dāng)會對測量產(chǎn)生影響。由此可以確定高等別線紋尺測量中脈沖波形的調(diào)整原則：

（1）脈沖波形在線紋尺測量的全過程中調(diào)整信號使脈沖波形峰值不小于7 V，不大于10 V。

（2）脈沖波形在線紋尺測量的全過程中兩脈沖波形交點位置應(yīng)在幅值7/10處的兩直線相交的位置。

（3）脈沖波形在線紋尺測量的全過程中兩脈沖波形信號應(yīng)調(diào)整為等高的，全程無高低差。

[1]全國幾何量長度計量技術(shù)委員會. JJG 73-2005[S]. 北京：中國計量出版社，2006.

[2]全國幾何量長度計量技術(shù)委員會. JJG 73-1994[S]. 北京：中國計量出版社，1994.

[3]杜振輝，蔣誠志，桂垣，王斌. 激光干涉儀測量長度[J]. 河北建筑工程學(xué)院學(xué)報, 2006, 21(2)： 35-37.

[4]B. S. Mogil’nitskii, A. S. Tolstikov, and V. Ya. Cherepanov. Plused Laser Precision Length Measurements[J]Measurement Techniques,2004, 8：757-761.