一种新型激光干涉测头应用于量块比较法检定理论的研究

　　摘　要　介绍一种新型激光干涉测头LM20应用于量块比较法检定理论的研究。LM20的大量程、高分辨力、全程测力恒定及高精度温度测量等特点，为一种“一对多”的新型量块比较检定法的实现提供了可能，从而大幅度减少标准块个数以降低检定成本。本文通过对LM20一系列实验数据的分析、计算，阐述了这种新方法的可行性。
　　关键词　量块　量块检定　比较法

　　Abstracy:A new type of laser interfermetric gauging probe, LM20, is introduced in this paper, which makes it possible to realize a guage block composition with less standard pieces due to its large range, high resolution, stabilized measuring force and high accuracy of temperature measurement. In order to discuss the feasibility of this new calibration method, the analysis and calculation on the experimental data of LM20 is shown.
　　Keywords:gauge block　gauge block calibration　comparison method

　　依据被检量块精度等级的高低，量块的测量方法主要分为光学干涉法(Interferometry)和机械比较法(MechanicalComparison)两种。前者用于检定较高等级的量块，而后者则用于检定较低等级。本文针对后者，对一种新的比较检定法进行探讨。
　　比较法的基本思想是将被测量块与相同名义尺寸的标准量块进行比较，用比较仪测量二者长度差，来评定被测量块的等级。这就要求对于数目不同的被测量块组要配以相同数目的标准量块组。因而，标准块的制造困难、检定昂贵、利用率低等因素都造成了被测块检定费用的居高不下。本文将要探讨的新的比较法检定思想，旨在减少标准量块的个数，将高等级量块的制造、检定成本转化为高精度仪器的设计、开发成本，变每次检定都要进行的成本支付为一次性投入。这不仅提高了标准量块的使用效率，也促进了量块检定技术的发展与进步。
　　以“一对多”为主要特点的这种新型量块比较检定法，是将被测量块组分为若干尺寸段，每个尺寸段只采用一个标准量块。标准块与不同被测块之间的尺寸差依靠比较仪高精度测头相对较大的量程来实现测量。这与传统“一对一”比较法q标准块与被测块“0标称尺寸差”的前提截然不同。这一“从无到有”的尺寸差必然带来几个方面的问题：
　　*在这个标称尺寸差构成的量程内，比较仪测头要具有稳定的高分辨力和优良的测杆导向性；
　　*在这一相对较大的量程内，比较仪测头的测力稳定性要足够高，它所引起的接触变形误差要足够小，或者采用非接触测头；
　　*由于这一相对较大的量块长度差，标准与被测量块的温度差及其不稳定性产生的差异较大的热膨胀量，对量块温度的测量提出了更高的要求。
　　德国SIOS公司开发生产的LM20激光干涉测头，以其大量程、高分辨力、全程测力变化小并有温度测量单元等特点，为上述新型比较检定法的研究提供了可能。下面，结合LM20探讨这种新型比较检定法的可行性。我们以用0～100mm的1等量块(0.02+0.2^{.L)检定2等量块(0.05+0.5.L)为例，这也是新规程颁布后，我国量块比较检定领域亟待填补的一项空白。德国国家物理技术院(PTB)的Stefan Niehe博士构造实验装置对LM20的内差特性、测杆导向性及测力恒定性等进行了评定。本文的论述，均基于Niehe博士的实验数据，在此表示感谢。
nextpage　　较大的量程内实现稳定的高分辨力，对于激光干涉仪而言，则是其内差特性的体现。LM20的光路结构为改进的Michelson干涉仪，如图1，光学倍频数为i=2,因而电子内差的对象为周期代表半个波长的干涉条纹，即对λ/2进行细分。Niehe博士的实验系统，对测头伸出7mm(测量臂与参考臂等长)和18mm(测量臂伸至最长)两种位置的LM20,在系统压电元件精确控制的±500nm(LM20的He-Ne激光波长λ=633nm)位移内的示值及其误差进行了测量。结果如图2、3、4所示。可见，LM20的内差细分误差不超过±3nm,这也体现了测值的不确定度。而LM20测杆导向性误差的实验结果如图5所示。由测杆偏角θ引入的测值误差△L=L.θ2/2为二次误差，相对误差为△L/L=θ2/2。取θ=0.1＇，则相对误差为8×10-10。对于10mm的测量范围，由测杆偏角引起的测值误差最大为0.016nm。因此，LM20的分辨力和测杆导向性指标满足比较法检定2等量块的需要。}

图1 LM20系统结构示意

图2 LM20示值-位移量

图3 LM20示值误差-位移量(测杆伸出7mm)

图4 LM20示值误差-位移量(测杆伸出18mm)

图5 测杆偏角-测杆随机伸出量

nextpage　　“1检多”的概念带来的另一个问题，是对测量力提出了更高的要求。由于测头量程的扩大，势必会在不同的位置产生较大的测量力差异，从而导致与量块测量面的接触形变有较大差异，测量结果自然会有较大误差。图6、7给出了LM20的测力大小及其恒定性的实验结果。为安全起见，我们取F=0.8±0.015N,即测力变化范围△F=0.03N。由材料力学和弹性力学可知：接触形变的大小取决于相接触的物体的形状、材料及两物体间相互作用力的大小。有公式：

(测头半径5mm,反复触测钢质量块表面，量块固定)
图6 测力分布

(测头半径5mm,反复触测钢质量块表面，量块上下移动)
图7 测力公布

式中　L_{Deform—由于接触形变量，mm；
　　　F—测量力，N；
　　　R—测头半径，mm；
　　　θ—接触表面的材料弹性系数，mm^{2/N,计算式为
　　　
　　　μ和E(单位N/mm)—材料的泊松系数和弹性模量。
　　对于均为钢质的球面测头和量块测量面，μ=0.29,E=2.1×10N/mm,其接触形变的大小由公式
　　　
决定，两边取微分，可得由于△F而导致的形变误差
　　　
这里，F=0.8N,△F=0.03N,R=5mm,解得LDeform约为171nm,△LDeform约为2.17nm,对量块比较测长影响甚微。
nextpage　　量块比较检定法的测量结构如图8所示。与传统方法相比，新型比较法增大了被测块与标准块的长度差△L=Lm-Lc考虑温度的影响，分析如下。}}

图8 比较检定结构

　　
式中　L_{i,ti—量块在某温度的真值长度；
　　　Li—量块在20℃的真值长度；
　　　△ti=ti-20℃—量块温度相对20℃的偏差，经验数据为±0.5℃；
　　　αi—量块的温度线膨胀系数，为11.5×10^{-6℃；
　　　△Lm-s—被测块与标准块在各自温度下的真值长度差。
可得，被测量块的真值长度
　　
由于αm△tm≈10-5<<1,消去二阶小量得
　　
　　
　　
　　新规程JJG146-94《量块》的23.4.3节规定“量块温度测量的不确定度对量块长度测量的不确定度的影响，应不超过被测量块长度测量不确定度极限允许值的35%”
　　取
　　
　　
可见，量块温度测量精度要求很高。而LM20带有的铂电阻温度传感器Pt100可达到±0.02℃的测量精度。}}

　　综上所述，LM20的研制成功，为高精度量块比较法的研究提供了一种新的手段和思路。这种方法将大幅度减少标准量块的个数，从而降低检定费用，促进工业产品检测技术的发展。本文仅仅论述了LM20应用于新型量块比较检定法研究的可能性，围绕这种新的方法还有测量系统结构、系统标定方法等问题有待进一步阐述，将另文探讨。相信这种应用LM20的新方法符合量块比较检定的国际趋势，值得在我国推广。