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激光干涉儀你用對了嗎?

更新時(shí)間:2017-06-28      點(diǎn)擊次數(shù):1315

  激光干涉儀是精度zui高的線性位移測量儀器,其光波可以直接對米進(jìn)行定義,可溯源至國家標(biāo)準(zhǔn)。但是我們在使用中往往會(huì)出現(xiàn)檢測偏離值,偏離我們的預(yù)估,以至于在高精度檢測時(shí),對設(shè)備產(chǎn)生懷疑。今天我們來扒一扒引起激光干涉儀測量誤差的部分原因。

1、 阿貝誤差

  因測量光學(xué)鏡組的安裝高度不在被測設(shè)備的運(yùn)動(dòng)軸上引起的測量誤差稱之為阿貝誤差。產(chǎn)生的原因是設(shè)備移動(dòng)時(shí)存在俯仰、扭擺差,因此光學(xué)鏡組與運(yùn)動(dòng)軸偏置距離越遠(yuǎn),引起的阿貝誤差越大。

角度、偏置距離引起的誤差表(單位:um)

 角度
(″)

偏置距離(mm)

5

10

50

100

500

1
2
5
10
20
60

0.024
0.048
0.120
0.240
0.480
1.450

0.048
0.097
0.240
0.480
0.970
2.900

0.24
0.48
1.20
2.40
4.80
14.50

0.48
0.97
2.40
4.80
9.70
29.00

2.40
4.80
12.00
24.00
48.00
145.00

上表可得:角度1″在500mm偏置距離下引起的誤差大約是2.40um。

來個(gè)實(shí)際案例:以檢測機(jī)床時(shí)不同安裝高度為具體說明。

線性鏡組安裝距工作臺(tái)10cm:

 

線性鏡組安裝距工作臺(tái)30cm

 

線性鏡組安裝距工作臺(tái)50cm

 

實(shí)驗(yàn)結(jié)果:按GB/T17421.2《機(jī)床檢驗(yàn)通則》2000版分析標(biāo)準(zhǔn)得出結(jié)果,鏡組安裝高度偏離設(shè)備運(yùn)動(dòng)軸線越遠(yuǎn),檢測結(jié)果中重復(fù)精度以及定位精度就越差。

偏置距離

反向差值

雙向重復(fù)精度

雙向定位精度

10cm

1.30um

5.36 um

11.82 um

30cm

1.38 um

16.50 um

28.99 um

50cm

1.26 um

27.99 um

49.07 um

 

正確方式:設(shè)備校準(zhǔn)時(shí)線性鏡組的安裝高度應(yīng)該盡量靠近被測軸,使激光光束與運(yùn)動(dòng)軸重合(或盡量靠近),減小阿貝誤差。

擴(kuò)展:SJ6000激光干涉儀用戶在進(jìn)行兩臺(tái)同類設(shè)備定位精度的對比時(shí),應(yīng)該進(jìn)行同軸比對,即共用線性鏡組,這樣才具有可比性。

2、 環(huán)境因素

  環(huán)境補(bǔ)償單元能準(zhǔn)確采集空氣溫度、壓力、相對濕度信息,基于Edlen公式計(jì)算空氣折射率,以此對激光波長進(jìn)行補(bǔ)償。

1000mm示值因環(huán)境溫度、壓力、空氣濕度各自變化引起的示值變化量(單位:um)

環(huán)境溫度 (℃)

示值變化量

氣壓(kPa)

示值變化量

空氣濕度(%RH)

示值變化量

0.20

0.191

0.200

0.537

5.0

0.042

0.40

0.382

0.400

1.073

10.0

0.085

0.60

0.573

0.600

1.610

15.0

0.127

0.80

0.763

0.800

2.146

20.0

0.170

1.00

0.953

1.000

2.683

25.0

0.212

  同時(shí)環(huán)境補(bǔ)償單元中材料溫度探頭能實(shí)時(shí)高精度測量被測設(shè)備溫度,對其進(jìn)行溫度補(bǔ)償。但是往往因?yàn)椴僮魅藛T將材料溫度探頭放置在錯(cuò)誤的位置,致使采集的數(shù)據(jù)不能真實(shí)反映被測物體溫度狀態(tài),從而增大測量誤差。

上圖為在測長機(jī)上架設(shè)激光干涉儀用于檢測量塊的實(shí)際案例

  設(shè)備安裝在樓層地下室,有良好的溫度風(fēng)流控制,有效處理了環(huán)境的震動(dòng)問題、氣流擾動(dòng)問題。測量時(shí)因把材料溫度探頭以“錯(cuò)誤方式”放置在擺放電腦的鐵架上,材料溫度探頭采集了非真實(shí)的被測物溫度信息,致使300mm量塊檢測數(shù)據(jù)超差。

  把材料溫度探頭以“正確方式”放置在被測量塊周邊,并給予充分的恒溫時(shí)間,測量結(jié)果趨于中國計(jì)量院的校準(zhǔn)值。

正確方式:在線性測量中,需要開啟環(huán)境補(bǔ)償單元,并正確設(shè)置補(bǔ)償材料的種類,放置材料溫度探頭的位置。在高精度的測量中,需要給予環(huán)境補(bǔ)償單元以及被測物充分的恒溫時(shí)間。

3、 余弦誤差

  激光束路徑與被測軸之間存在的任何未準(zhǔn)直都會(huì)造成測得的距離和實(shí)際的運(yùn)動(dòng)距離之間有差異,此誤差被稱為余弦誤差。

  當(dāng)激光測量系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)軸未準(zhǔn)直時(shí),余弦誤差會(huì)使得測量的距離比實(shí)際距離要短。隨著未準(zhǔn)直角度的增加,誤差也跟著顯著增加,如下表所示:

角度( mm/metre)

誤差(ppm)

角度( mm/metre)

誤差(ppm)

0.45

0.1

3.20

5.0

1.00

0.5

4.50

10.0

1.40

1.0

10.00

50.0

 

處理方法:若激光測量出現(xiàn)余弦誤差,則激光讀數(shù)將會(huì)小于原本應(yīng)有的數(shù)值。因此,通過“輕微”調(diào)整云臺(tái)的俯仰及偏轉(zhuǎn)旋鈕直到取得zui大的激光讀數(shù),將能消除軸上的余弦誤差。

4、 死程誤差

  死程誤差是在線性測量過程中與環(huán)境因素改變有關(guān)的誤差,在正常狀況下,死程誤差并不大,而且只會(huì)發(fā)生在定標(biāo)后以及測量過程中的環(huán)境改變。

  當(dāng)測量時(shí)系統(tǒng)定標(biāo)為L1,若干涉鏡及反射鏡之間沒有動(dòng)作,且激光束四周的環(huán)境狀況有所改變,整個(gè)路徑(LI+L2)的波長(空氣中)都會(huì)改變,但激光測量系統(tǒng)只會(huì)對L2距離進(jìn)行補(bǔ)償。 因此,死程測量誤差會(huì)由于光束路徑L1沒有獲得補(bǔ)償而產(chǎn)生。

處理方法:在設(shè)定定標(biāo)位置時(shí),固定反射鏡和移動(dòng)鏡組應(yīng)盡量彼此鄰接,以此減小死程誤差。

5、 鏡組的安裝細(xì)節(jié)

■  將鏡組固定牢靠

  為了zui小化振動(dòng)作用并加強(qiáng)測量穩(wěn)定性,鏡組應(yīng)牢靠固定到所需的測量點(diǎn)上;磁力表座應(yīng)直接吸住機(jī)床底座,避免吸裝在機(jī)床護(hù)罩或機(jī)床蓋等較薄弱的部分;確保吸裝的表面平坦且沒有雜質(zhì)。

6、 正確使用精度

  上圖是中國計(jì)量科學(xué)研究院檢測SJ6000激光干涉儀線性位移的數(shù)據(jù),這表明SJ6000激光干涉儀在正確的安裝手段、正確的環(huán)境補(bǔ)償、穩(wěn)定的測量環(huán)境下即使70米距離都能滿足0.1Lum(L測量長度,單位:m)精度,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)備的線性標(biāo)稱精度0.5Lum(L測量長度,單位:m)。

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