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高等级量块的检定技术

发布时间:2014-09-13 10:17:54 作者: 信息来源:

    一、量块标准的变化与新测试方法的需求    随着我国加入世界贸易组织( WTO),我国在量块方面必须加快与国际标准化组织(ISO)和国际法制计量组织f OIML)的相关国际文件f《量块国际建议Gauge Block OIML lR30- 1988》和《长度计量器具国际检定系统  Hierache Scheme for Length MeasuringInstrument国际文件ID- 1988》)接轨,这必须解决两个方面的问题:
    首先是软件与标准。国际上主要工业国家的量块标准是在70年代完成的,而我国早期的标准是“量块部颁标准(JB1078- 67)”,对高等级量块的要求较低。从80年代中期开始国家逐步颁布新的标准,十年后颁布“量块中华人民共和国国家计量检定规程(JJG146- 94)”,完成了与国际接轨的准备工作。过渡期的文件有6个之多,可见标准改变的困难性。    其次是硬件方面的建设。从新标准与旧标准相比对高等级量块(1~3等,00级)的要求变化较大,如1等量块的长度测量不确定度要求大大提高,2+0.2xLlPm,要研制和改进其测量设备与方法:新2等量块由【日1等、旧2等量块套改,数量大大增加,必须提高其测量设备的测量效率。并且按规定在生产中大量的0级量块要使用不低于新2等量块的测量方法进行测量。因此。我国50年代建立起来的能够测量旧的1等量块长度f其长度测量不确定度为D=(0.05+0.5×L)Pm)的测量方法,就其长度测量不确定度来讲可以测量新2等量块的长度,但其测量效率将远不能满足要求。
    另外,新3等量块处于一个承上启下的位子,由原2等、3等量块组成,面广、量大。测试精度要求高,测试速度要求快;原测试仪器接触式干涉仪,采用比较测量法。测试时间应尽量的短以避免外界的干扰,然而在目视判读的状态下,需要读数、记录,速度和精度之间有一定的矛盾同时为与国际接轨,进行校准实验室认证,各种报表也必须符合要求。
    二、小数重合法
    对于1、2等量块,由于其测量精度要求高,必须采用直接与光波长比较测量的方法进行。常用的方法就是小数重合法。
    测量时,整数部分参数由其他方法预先测量,小数部分参数由干涉仪测量。修正值则根据测量仪器、环境条件等给出。测量的精度主要取决于小数部分的测量精度,在目视情况下,一般要采用四个光波长读数,以平衡估读误差,而智能化干涉仪则一般采用红、绿两色激光波长。多波长的测试方法又称为“部分小数重合法”,可以大大降低对整数部分参数的测量精度要求。如用单波长r0. 6328Pm)测试时,整数部分的预测精度需达到0. 15Pm;而用双波长时.对应于等效波长X12的被测量块长度的干涉级次的
整数部分;为其小数部分。    由此可见,被测量块长度/和等效波长X2及其干涉条纹的整数部分Ⅳ12及小数部分821之间的关系完全与量块测量公式r1)相吻合。只要选择较接近的两个波长就可以使等效波长入i2较原来的波长~和Y大得多,以减小对量块预测值的测量精度要求。例如,选择波长为633nm。543nm两种He- Ne激光波长,这样的等效波长为3819. Inm。按照量块预测值的初始精度要求为半个条纹以内。即要求准确到±955nm以内。这样一来。整数Ⅳ12就很容易得到了。
    三、新型移相干涉仪
    移相干涉术PSI( Phase Shifting Interferometry)自1974年由Bruning等人提出后,以测量精度高、速度快成为光干涉技术中的主流。测量1等量块的光波比较干涉仪也采用移相干涉法:    两稳频He- Ne激光器为干涉仪提供测量波长。测量时间2.5小时内平均的真空波长分别为632. 991418×f 1±3x 10-8)nm和543. 515912×f 1±3×10-81 riffi。使用稳频激光器提高了干涉仪干涉场的干涉强度和增长了它的相干长度。提高丁测量量块的测量范围。激光器发出的光通过单模光纤传输到干涉仪测量系统,防止了激光器发热对测量空间的影响。计算机自动控制选择两种激光波长的激光器发出的光线通过光纤传输进入干涉仪。仪器另带有高精度的环境监测系统f大气温度、量块温度、湿度和气压),并通过计算机接口及时地输入计算机。这些环境参数的测量数据用改进的Edlen公式进行空气折射率系数的校正计算用于测量结果的修正。
    测量时,计算机将获取到的多幅移相干涉图分为量块区域和背景区域。分别进行波面复原、相位展开、消倾斜、拟合插值等一系列操作,得到在基准点f通过图像识别技术得到的量块中心1的相位差并根据所用激光波长和空气折射率转换为量块偏差的小数部分,然后与预先测量的整数部分合并得到量块偏差。干涉图量块区域的波前还可以用来获得量块的变动量等数据。
    我们部分参与了一等量块激光干涉仪的工作,利用多年来在光干涉计量方面的研究积累,着重研究了移相干涉技术、量块干涉的台阶波面相位复原与展开等一系列数学物理模型。图2为复原后的量块测量波面及其处理后的最终波面。
    四、柯氏干涉仪的图像处理
    柯氏干涉仪,是广泛使用的量块直接测量用仪器之一,对其进行自动测量、条纹判读改造。具有重要意义。原干涉仪采用光源氪f Kr)光谱辐射灯20,有红、黄、黄绿和紫4种颜色可供使用,但光强弱、对比度差,加上目视判读依赖于检定人员经验,因此使用极其不便。而采用激光光源后。干涉图明显改善,对比清晰(图3),其自动化的环境参数同步采样系统,保证了测量修正量的计算准确性。
    测试的关键是对干涉条纹的识别与处理,包含了多种干涉条纹与图像处理技术:自动进行阴影校正、滤波、二值化、条纹细化、追踪采样等一系列过程,根据红、绿激光波长。自动解算出量块中心长度。图4显示了这个过程,最终得到图4f d)所标示的采样线C-C上各点数值,于是干涉灯纹的小数为IOD l/IED l。整个系统的分辨力由原来人工主观读取单一波长的干涉条纹小数时的0.2个干涉条纹,提高到0. 02个干涉条纹以上(约4nm)。
    五、电脑接触式干涉仪
    接触式干涉仪是计量部门测试3等量块的法定仪器。以各个区域计量站使用最多。基于接触式干涉仪的量块自动测试系统——电脑接触式干涉仪,以光电探测替代目视估测,免除操作人员的视力疲劳,并能自动处理数据,而其使用方法与原来的变化不大,易于检定人员使用,特别是系统具有的自动定度功能,快速、准确。系统的测试分辨力达到4nm,远高于3等量块需要的22nm(测试不确定度要求的200/01。
    系统的软件设计分三个层次:高精度的自动定度和自动判读干涉条纹位置是软件的技术关键和难点所在;其次是测试部分,包括数据自动采集、计算处理、报表打印等,突出准确和安全可靠的要求:直接面对量块检定人员的是一个功能完善的集成系统,其核心是一个根据检定规程编制的检定过程控制软件,以易学易用为目标。
    该系统最为突出的是功能强大的检定数据处理、报表生成功能:在检定时,有标称长度自动配对、实时定等定级、量块搜索、抽检数据自动运算等一系列功能;在报表处理方面,采用接口技术。同时支持9组WORO模板,使得用户可以方便地生成各种“检定”与“校准”证书;支持10个周期的历史记录,使检定工作更具连贯性。
    高等级量块的三种系统均属于干涉计量测试领域,由于测量对象、操作使用人员的不同,各有不同的侧重点,但都是集中了多种干涉图像处理技术,形成了智能化的实时测试系统,目前均已正常运行。(http://www.biaozhunkuai.com)