基于坐标测量机的步距规激光校准系统

　　0引言

　　步距规是一种多尺寸、高精度的实物长度计量器具，多用于坐标测量机((CMM)、电加工设备、加工中心的校准及卡尺等量具的检定工作中，其他的校准仪器相比，步距规具有尺寸多、精度高、刚性好、携带方便、重量轻和便于维护等特点。

　　步距规的上述优点使应用日益广泛，其精度及校准就显得尤为重要。国际计量局(BIPM)和亚太讨一量规划组织((APMP)均已开展步距规的比对工作。国内，中国计量科学研究院从1999年开始步距规校准装置的研究，并取得良好的比对结果。上海市计量测试技术研究院具备校准步距规的能力，这意味其几何量实验室的校准水平。

　　校准步距规通常采用坐标测量机直接校准、电感测微仪比较校准、激光干涉仪和光学灵敏杠杆结合校准、激光干涉仪与坐标测量机结合校准等几种方法，上海市计量测试技术研究院采用激光干涉仪与坐标测量机结合校准步距规。

　　1测量原理

　　在实验室的长度干涉测量中，必须对光波的波长进行空气折射率(n)修正，通过测量大气的气压P、温度t和湿度f，再用埃德林在1966年发表的空气折射率公式计算n。理论上，空气折射率与空气密度、水蒸气的折射率，以及空气中二氧化碳的含量等因素有关。由于空气密度和水蒸气折射率新数据的发表，以及空气中二氧化碳含量的增加，这些都影响公式计算空气折射率的准确性。英国国家物理实验室(NPL>的Birch和Downs于1993年对1966年的埃德林公式进行修改，所依据的新数据来源几乎包括了欧共体及NIST的全部有关空气折射率测量的数据。修正后的Edlen公式川如下:

　　测量原理(图1):通过气温传感器、气压传感器、湿度传感器采集环境参数，经过信号的运算与放大及A/D转换，把步距规测量过程中的环境数据输人到计算机的中央数据处理器中。通过软件修正后的埃德林公式计算空气的折射率，进一步得出测量时的激光波长。测量时将工件温度传感器置于步距规的表面，并结合工件线膨胀系数和相关公式算出测量误差。

　　实验中采用坐标测量机结合双频激光干涉仪进行步距规的校准。测量时坐标测量机作为运动机构进行自动测量，利用测量机的测头接触步距规的待测面，获得触发信号，该模拟信号进人数据采集卡，经信号调理、采集、缓存，并通过计算机PCI总线送人内存。计算机在应用程序的控制下，对数据进行处理、运算，最后输出被测对象的位移量。

　　双频激光干涉仪是一种以波长作为标准对被测长度进行测量的仪器，其光学系统的原理如图2所示。在氦氖激光器上，加上一个轴向磁场。由于塞曼分裂效应和频率牵引效应，激光器产生f和f两个不同频率的左旋和右旋圆偏振光，经1/4波片后成为两个互相垂直的线偏振光。频率为f一(f士△户的测量光束和频率为f一f的参考光束经各自的光电转换元件、放大器、整形器后进人减法器相减，输出成为仅含有士0f的电脉冲信号。经可逆计数器计数后，由电子计算机进行当量换算(乘1 /2激光波长)后即可得出可动反射镜的位移量。