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干涉法技术在量块长度测量中的应用

发布时间:2014-09-10 17:56:42 作者: 信息来源:

    1引言
    量块是一种高精度的端面量具,它以最简单的几何形状设计,最有利于加工出精确的尺寸。其中一对相互平行的测量面之间的距离即为其工作长度。我国与世界上其他国家一样,绝大多数都采用矩形横截面的长方体形量块。在计量部门和工业校准实验室,它和其测量设备组成的检定系统为溯源国际米标准提供了一种重要手段,其作用在科学研究、工业生产中至关重要。量块的长度常被用作计量器具的标准,通过对长度计量仪器、量具和量规等示值误差的检定、对精密机械零件尺寸的测量和对精密机床、夹具在加工中定位尺寸的调整等方式,把机械制造中各种制成品的尺寸,与国家的以至国际的实现米定义所推荐的基准光谱辐射线的波长联系起来,以达到长度量值在全国和国际间的统一,使零件、配件都具有良好的互换性。长度计量在国防科研和武器生产的质量保证体系中起着重要作用,因此世界各个国家十分关注这一研究领域的技术进展。本文介绍对基于干涉法的高等级量块参数的测量方法及测量过程中的关键技术进行研究。
    2干涉法测量量块长度的基本原理
    干涉仪输出的是一幅干涉图,借助于数学物理模型,可以将干涉图与多种被测参数相联系,从而实现测量相关的物理参数。以干涉条纹小数部分重合方式,用光谱辐射线的波长直接测量被测量块的长度,是基于光波干涉理论。
    21干涉条纹的小数部分重合法
    小数重合法是用于量块高精度测量的主要方法。1 977年,蒂福德对小数重合法做了进一步发展,提出了一套完整的利用多波长尾数确定被测长度的分析方法.其中最重要的两个思想为无导轨绝对距离干涉测量技术发展提供了理论基础,这两个基本思想是合成波长链及利用其进行逐级精化测量结果。根据光波传输的原理,可以认为,被测量块的一个测量面研合在一个辅助平板如玻璃平晶或钢平晶的测量面上,将该量块与平晶组合体一起放置在光波干涉仪的工作台上,待仪器调整好以后,在干涉仪工作台的上空存在许多密集的、相互平行的、且其间距相等的光学平面,相邻两光学平面之间的距离为所用光源光谱辐射线波长的一半,相当于把量块放置在这样的一个空间里面。通过仪器工作台倾角机构的调整,使量块朝上的测量面与上述光学平面相交而其交角很小,通过仪器工作台升降机构的调整,使量块朝上测量面的中心与上述光学平面其中的一个面相交,部分,为干涉仪所用光源光谱辐射线的波长。上式等价于用光的半波长即一个光波干涉条纹间隔的刻度尺测量量块的长度。如果数出干涉条纹的整数部分K'读出干涉条纹小数部分,只要所用光源光谱辐射线的波长已知,就可求得被测量块的长L。该式是小数部分重合法计算量块长度的基本公式。以光波波长直接测量被测量块长度时,使用“小数重合法”有应该注意:必须把被测量块的一个测量面研合在一个辅助平板例如玻璃平晶或钢平晶)的测量面上;必须使用波长不相等的多条光谱辐射线;必须预知被测量块的长度对其实测长度的偏差在以内2U m。
    22干涉条纹图像的数字化
    从原理上说,发展的干涉计量新原理和新技术,是对两相干光束的相位差引入一个时间调制,以光电探测器接收经调制而随时间作有规则变化的干涉图像,把光信号转换为电信号并数字化,再输入计算机处理而得到平面或波面的相位分布,从而测出平面度或波面的偏差。这种测量方式比用目视判读干涉条纹弯曲度的方法准确度提高1 0倍以上。采用位相调制技术时,还能绘出整个表面的轮廓图。
    由于干涉图中包含有待测量的信息,因此,干涉图的分析与处理一直是干涉计量发展的前沿学。干涉条纹分析就是从一幅或多幅干涉图中恢复出波面的原始特征,也就是说根据在空间上为余弦分布的光强信息,恢复出波面信息。可以自动的从干涉条纹重建出波面的相位分布。纵观干涉计量发展史,由干涉条纹重建波面相位分布技术可以分为两大类:强度分析方法和相位分析方法。
    23量块长度测量的数字化干涉术方法
    在采集了数字化的干涉条纹后,要得到被测量的测量结果,干涉条纹的分析与处理就成为关键技术,而包含被测量信息的波面相位复原技术是关键技术中的关键,也是一个技术难点。    对单幅干涉图处理的条纹法是由光电探测器(CCD摄像枷直接从干涉场中采样,将干涉图上的光强数值化,经过二值化、细化等处理后,提取干涉条纹中光强峰谷值点的级次和空间坐标,得到被测波面离散值,然后用Zernike多项式对波面进行拟合,由计算机解算,进而求取波面或被测表面各点的波差值、峰谷值和均方根值。其优点是既可以直接用光电探测器采集干涉场的光强分布,也可以脱离干涉系统而处理记录介质照片上的信息,且具有较高的波面复原精度。特别适用于必须快速采集处理如三平板剪切干涉仪和必须先记录再处理如流场干涉等领域。世纪八十年代中期,Claude Roddier和FrancoisRoddier等人发表论文,提出了用FFT技术将空域的干涉图信息转换到频域进行处理,并且将圆形的干涉图扩展延拓成方形的干涉图。不仅用FFT法处理干涉图求取波面分布,而且用它进行消除噪声处理。
    相位偏移干涉术PhaseShiftinglnterferometry - PSJ是在二十世纪七十年代发展起来的,其基本原理就是在干涉仪的参考臂上通过移相器有规律的移动参考镜,从而使参考光束和测试光束的光程差发生改变,条纹的位置则做相应的移动,使干涉场中任意一点的光强呈余弦变化,用CCD采集多幅不同相位的干涉图,利用正弦函数的正交性,
经计算机按一定算法进行处理,就可以求得被测相位分布.对于相移干涉术中波面复原的算法,国际国内的研究均比较多。不同的算法适应不同的移相方式,对移相误差等的灵敏度也不一样。近年来,相移干涉术在以下几个方面得到了长足的发展:,D移相模式;2移相的途径; 3相移干涉术复原波面的算法。
    3条纹法处理干涉图方法及技术分析
    3.1干涉条纹图小数部分的自动读取
    干涉条纹小数部分的测量就是读取干涉系统中参考面分别与量块工作面和与量块的辅体工作面产生的两组等厚干涉条纹相对位置的差与干涉条纹间隔距离之比。利用干涉条纹光强分布的正旋规律数学模型,借助于计算机来分析计算干涉条纹小数是既科学又准确。在摄像状态下,检测人员根据监视器的干涉图像,将量块表面的干涉条纹调整3—5根条纹,且有一根条纹处于量块的中心位置,然后锁定干涉条纹并予以采集。
    32干涉条纹整数部分K的确定
    在不同的光谱线波长下,根据自动读取的干涉条纹小数部分,利用小数重合法的原理来计算干涉条纹整数部分。小说重合法是利用一组由多个波长实际测量所得的干涉条纹小数,根据它们之间的相互关系,准确推算出干涉条纹的整数K在利用测量长度计算的基本方程式求出被测长度L。m首先预测量块的长度;2选定一种波长,将长度预测
值和波长代入方程,求出干涉级次Kl的近似值;3根据Ki近似值,基本波长和测得的,以及相应的Ki值求出量块长度L.4根据上面计算数据,求得一组小数;5近似修正,如果上面计算得到一组小数和实际测得小数在测量不确定范围内相符合,则说明初选Ki近似值是正确的,否则修正Ki,即在原来基础上,按照上述步骤重新计算。
    3.3双波长干涉条纹法测量量块长度
    基于光波干涉理论,在干涉仪进行量块长度测量时,被测量快的一个测量面研合在一个辅助平晶的测量面上,以干涉条纹小数部分重合方式,用光谱辐射线的波长直接测量被测量块长度,这原理上等效于用光的半波长(即-个光波干涉条纹为间隔的刻度尺来测量量块的长度。数出干涉条纹的整数部分K和干涉条纹的小数部分,在所用光源光
谱辐射线的波长已知时,就可得被测量块的长度L。干涉条纹小数部分可由测量得到,而要得到干涉条纹的整数部分K,则需要首先用其他方法测量预测量块长度,而且要求预测精确优于半个条纹即口四分之一波长,这样的预测精度太高,特别对于大量块是难以达到的。在双波长干涉法中,利用两个较短的波长形成一个长的所谓合成波长,这样满足半个条纹的预测精度要容易的多。
    34测量结果的修正
    在高等级量块参数测量时,要求对测量室的环境参数空气温度、大气压力和水蒸汽压力即空气湿廖严槲空制,所给出的结果必须是标状态下的测量值。但一般情况下,在标准状态下进行量块长度测量很难做到,为此在测量量块长度过程中,必须同时测量出环境参数,以便对测量结构进行修正,从而消除由此引入的系统误差。    4结语    量块作为长度量实物基准,是长度量的校准和传递的基础,光干涉技术是测量量块长度量的高精度方法。干涉条纹图像的数字化是现代干涉测量的基础,对数字化原理及数字化波面复原技术和方法做了讨论。针对量块长度测量的数字化问题,分别对条纹法、快速傅立叶变换法、相位偏移干涉法和虚光栅移相莫尔条纹法四种方法的原理进行了研
究,并对之做了比较,所有这些方法都是基于干涉条纹的小数重合法。(http://www.biaozhunkuai.com