一种新型大尺寸长度校准装置的研制

介绍了一种新型的大尺寸长度校准装置,该装置解决了激光干涉仪等高精度大尺寸长度测量仪器的实验室校准与溯源问题.通过采用三路相干光进行测长,根据两辅助光路与主光路的测长偏差计算阿贝角,实现了阿贝误差的实时补偿.利用标准双频激光干涉仪测试了阿贝误差的补偿精度,35 m测量范围内的比对误差小于±3μm.测量精度达到了单光路同轴测量的水平.     

基于80m测量装置的双频激光干涉仪系统精度及影响因素分析

双频激光干涉仪是一种以波长为标准对被测长度进行度量的仪器,经常作为长度测量标准使用,但影响其系统精度的误差因素很多。本文基于80m大长度测量装置对双频激光干涉仪系统精度以及影响因素进行分析。     

利用激光技术改进的测长装置

提出激光干涉仪作为标准器代替测长机玻璃尺的改进方案.通过调校位于测长机尾座上的角锥反射镜,使干涉仪光轴与测长轴线同轴,消除阿贝误差对测量精度的影响.同时进行了理论分析并与三等最块进行了比对实验.结果表明,改进后的2 m测长机达到了较高的测量精度和测量效率,对提高长度尺寸的测量精度具有一定的参考价值.     

采用标准长度的激光多边法坐标测量系统自标定算法

基于多路激光跟踪干涉仪测长的坐标测量系统在大尺寸测量领域具有显著的优越性,准确标定系统参数是实现高精度坐标测量的关键。为了克服传统自标定方法的缺点,提出了一种采用标准长度的改进自标定算法。该算法首先在稳定的基座上设置固定点,在X、Y、Z方向分别产生用激光干涉法精确测得的标准长度,然后将标准长度用于构造自标定的优化函数。通过提高相应优化函数的权重,进一步提高坐标测量精度。通过仿真实验证明了该算法的可行性。采用独立的激光干涉仪验证系统在大尺寸范围内的测量精度,当测量点分布在距系统坐标系原点［7.0 m,8.3 m］区间内,两组实验误差均分布在［-9.5 μm,4.6 μm］区间内,结果表明所提出自标定算法可显著提高大尺寸空间坐标测量精度。     

一种用于纳米计量的原子力显微镜测头的设计

介绍了我们研制的一种高精度、具有计量学意义的原子力显微镜测头.该显微测头与其它部件协同工作在50 mm×50 mm×2 mm的测量范围内实现纳米级精度的测量.测头采用光束偏转法检测探针悬臂的微小偏移,由单模保偏光纤引入半导体激光作为光源.该测头安装有3个立体反射镜作为激光干涉仪的参考镜.样品与原子力显微镜测头的相对位置可以由激光干涉仪直接读数,可溯源到米国际定义及国家基准上.激光干涉仪的布置无阿贝误差.测头采用立体光路设计,结构紧凑.测头厚度小于20 mm,质量约200 g,却实现了100 mm的反射光程.使用该测头测得与量块表面的力-距离曲线,还测得标称高度300 nm SiO2台阶样板的图像,分辨率优于0.05 nm.     

两米光栅——线纹自动测量仪（一）

描述了一台能够对长度达１ｍ的线纹尺和长度达２ｍ的光栅尺（线位移传感器）进行测量的激光干涉仪，干涉仪设计成了双干涉光路系统，以消除光栅尺安装引入的阿贝误差，这台测量仪采用干涉条纹计量原理，对光栅尺和线纹尺的线值精度进行检测，并能对光机信号的质量进行评价。测量过程中，对空气折射率实现了实时修正。     

3.39μm波段双线He-Ne激光两级合成波长组成方案的实验验证

利用红外拍波干涉仪验证了用于无导轨大长度测量的3.39μm波段双线He-Ne激光两级合成波长组成方案。文中介绍了该合成成长组成方案的具体内容和用来验证该方案的红外拍波干涉仪工作原理,分析了所取得的实验结果。本工作为使用3.39μm波段双线He-Ne激光的大长度测量方案提供了实验依据。     

基于阿贝误差补偿光路的水准标尺检定装置及不确定度分析

现行有效的JJG 8——1991《水准标尺》要求以激光波长作为长度基准,使用激光干涉检定器对因瓦水准标尺进行检定。检定3 m长的水准标尺,若照准部不动而标尺移动,需要6 m长的导轨。为缩短导轨长度,降低加工难度,采用标尺固定而照准部移动的检定装置,可有效地将导轨长度由6 m缩短至3 m。由于不满足阿贝原则,检定装置设计基于阿贝误差补偿光路的结构,实现对阿贝误差的消减。该装置补偿性能的实测结果表明:利用光学补偿的方法极大地消减阿贝误差。"米间隔长度平均值"不确定度的评定结果表明:该装置可以满足水准标尺检定规程中对检定装置的相关要求。该补偿光路也可用于其他长度测量系统。     

高精度80m大长度激光比长装置的研制

介绍了中国计量科学研究院研制的80m大长度激光比长装置,该装置由81m导轨、无阿贝误差测长系统、折射率实时修正系统等多个部分构成,填补了我国大长度标准的空白。装置测量不确定度为U=0.07μm+0.07×10~(-6)L(k=2),关键指标处于国际先进水平。     

基于激光干涉仪同步测量的动态校准装置

为满足时变几何量的瞬时动态测试需求,研制了一种基于激光干涉仪同步测量的动态校准装置。该装置采用直线运动导轨和运动发生器、长度标准器激光干涉仪,以基于GNSS驯服时钟的同步触发器实现同步测量并确保时间准确稳定,并使用动态校准软件实现控制一体化。经综合分析激光干涉仪的最大允许误差、直线运动导轨的直线度、环境因素、触发信号间时延及激光干涉仪测量时延等因素,该装置的长度示值的测量不确定度为Q[1.8μm, 3×10^-7L](k=2)。与同型号激光干涉仪的比对实验和激光跟踪仪瞬时长度测试实验,证明了不确定度评定的合理性以及该装置在瞬时动态准确度测试中的可行性。     

Sinusoidal phase-modulating interferometer insensitive to intensity modulation of a laser diode for displacement measurement

In sinusoidal phase-modulating laser diode interferometers, an injection current of a laser diode is sinusoidally modulated to scan the laser wavelength. However, the modulation of the injection current also involves an intensity modulation of the light, which increases the measurement error if a conventional signal processing is used. A novel signal processing for displacement measurement is proposed to eliminate the influence of the intensity modulation. Numerical simulation results and experimental results make it clear that an optimal depth of the sinusoidal phase modulation exists that can reduce the measurement error to a few nanometers.     

多边法位姿测量系统中跟踪方式对测量精度的影响研究

为了精确测量大尺寸位姿,建立了一种由7台激光跟踪干涉仪组成的大尺寸位姿测量装置。根据测量各反射镜的激光跟踪干涉仪数量的不同,采用322和331两种跟踪方式对位姿测量精度的影响进行仿真实验,从而发现被测点位置与基站构成平面的距离相关,由坐标解算公式推导被测点坐标值与测量基站之间的相对位置与测量误差间的误差模型,通过分析x、y、z 方向上误差对距离变化的敏感程度,发现z方向距离变化引起的误差最为敏感。当被测点与测量基站的距离由1300.8mm减小到0mm时,测量误差由2.2μm增大到2626.1μm。实际姿态测量结果表明:当采用一种跟踪方式时可以避免被测点与测站点平面过近,有利于提高系统测量精度,所提出的误差模型可为多边法位姿测量系统的优化布局提供一种量化的理论分析方法。     

线激光位移传感器像素当量标定方法

为了满足线激光位移传感器的应用测试需求,提出一种基于高度块的线激光位移传感器像素当量的现场标定方法。其中,高度方向上的像素当量利用台阶高度进行标定,以修正厂家设定的像素当量的线性误差;宽度方向上的像素当量则利用台阶块结合传感器的横向移动位移的计算方法得到。考虑到线激光位移传感器可能存在安装倾斜误差,利用台阶块宽度在不同位置的高度差对倾斜角进行了标定,并修正了由倾斜角引入的高度测量误差。经实验证明,本文提出的方法很好地解决了线激光位移传感器在多位置测量时轮廓不连续的问题。     

Laser differential confocal radius measurement system

A laser differential confocal radius measurement system with high measurement accuracy is developed for optical manufacturing and metrology. The system uses the zero-crossing point of the differential confocal intensity curve to precisely identify the cat's-eye and confocal positions and uses an interferometer to measure the distance between these two positions, thereby achieving a high-precision measurement for the radius of curvature. The coaxial measuring optical path reduces the Abbe error, and the air-bearing slider reduces the motion error. The error analysis indicates the theoretical accuracy of the system is up to 2?ppm, and the experiment shows that the system has high focusing sensitivity and is little affected by environmental fluctuations; the measuring repeatability is between 4 and 12?ppm.     

激光干涉仪在纳米测量中的典型应用

激光干涉仪具有测量分辨力高、测量结果可溯源等优点,在纳米测量中的应用日益广泛。介绍纳米测量机和低膨胀材料线膨胀系数测量装置中应用的迈克尔逊型激光干涉仪以及在高准确度位移测量装置中应用的法布里-珀罗型激光干涉仪,并结合这些实例对激光干涉仪光学系统设计、测量环境控制、迈克尔逊干涉仪非线性误差补偿以及法布里-珀罗干涉仪量程扩展等方面的关键问题进行分析和总结。所述原则和方法对实现纳米级测量准确度具有重要意义,可为高准确度激光干涉仪的研制及其在纳米测量中的更广泛应用提供技术参考。     

Measuring Scale Errors in a Laser Tracker’s Horizontal Angle Encoder Through Simple Length Measurement and Two-Face System Tests

We describe a method to estimate the scale errors in the horizontal angle encoder of a laser tracker in this paper. The method does not require expensive instrumentation such as a rotary stage or even a calibrated artifact. An uncalibrated but stable length is realized between two targets mounted on stands that are at tracker height. The tracker measures the distance between these two targets from different azimuthal positions (say, in intervals of 20° over 360°). Each target is measured in both front face and back face. Low order harmonic scale errors can be estimated from this data and may then be used to correct the encoder’s error map to improve the tracker’s angle measurement accuracy. We have demonstrated this for the second order harmonic in this paper. It is important to compensate for even order harmonics as their influence cannot be removed by averaging front face and back face measurements whereas odd orders can be removed by averaging. We tested six trackers from three different manufacturers. Two of those trackers are newer models introduced at the time of writing of this paper. For older trackers from two manufacturers, the length errors in a 7.75 m horizontal length placed 7 m away from a tracker were of the order of ± 65 μm before correcting the error map. They reduced to less than ± 25 μm after correcting the error map for second order scale errors. Newer trackers from the same manufacturers did not show this error. An older tracker from a third manufacturer also did not show this error.