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雷尼紹XL-80激光干涉儀為線紋尺測(cè)量系統(tǒng)提供精準(zhǔn)可靠的位置補(bǔ)償解決方案
2019-6-18 來源：雷尼紹 作者：-
全自動(dòng)線紋尺檢測(cè)設(shè)備
線紋尺 (Line scale) 一般由玻璃制成，表面上準(zhǔn)確地刻有等間距平行線，通常配置在比長(zhǎng)儀、顯微鏡、測(cè)量?jī)x器等長(zhǎng)度測(cè)量設(shè)備上，作為測(cè)量距離和行程精度的重要參考基準(zhǔn)。測(cè)量線紋尺上的刻度距離需要高精度儀器，測(cè)量分辨率往往要求達(dá)到納米級(jí)，任何微小的環(huán)境因素所造成的誤差都會(huì)影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。附屬于香港特別行政區(qū)政府創(chuàng)新科技署的標(biāo)準(zhǔn)及校正實(shí)驗(yàn)所 (SCL) 設(shè)計(jì)并制造了一臺(tái)全新線紋尺測(cè)量系統(tǒng)，其采用雷尼紹XL-80激光干涉儀補(bǔ)償測(cè)量過程中因測(cè)量機(jī)臺(tái)架設(shè)位置偏移所導(dǎo)致的誤差。
案例分析： 雷尼紹XL-80 系列激光干涉儀
香港特別行政區(qū)政府創(chuàng)新科技署轄下的標(biāo)準(zhǔn)及校正實(shí)驗(yàn)所負(fù)責(zé)制定和維護(hù)香港地區(qū)的物理測(cè)量參考標(biāo)準(zhǔn)，并為本地的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)量?jī)x器使用者提供校正服務(wù)，以確保其準(zhǔn)確執(zhí)行測(cè)量工作，且能正確溯源至相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。除此之外，標(biāo)準(zhǔn)及校正實(shí)驗(yàn)所還為檢測(cè)及認(rèn)證行業(yè)實(shí)驗(yàn)室提供能力驗(yàn)證服務(wù)，以證明他們具備相應(yīng)的技術(shù)能力。
線紋尺測(cè)量系統(tǒng)的工作原理和結(jié)構(gòu)
測(cè)量線紋尺上的刻度精度簡(jiǎn)單來說就是測(cè)量被測(cè)線與參考線（一般是零位）之間的距離，結(jié)合影像分析和激光補(bǔ)償技術(shù)，系統(tǒng)可計(jì)算并調(diào)整數(shù)據(jù)（線紋）讀取位置，從而減少阿貝誤差 (Abbe error)。不過在實(shí)際操作中，該系統(tǒng)往往需要將更多實(shí)際環(huán)境因素以及其他不確定性計(jì)算在內(nèi)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須有效地對(duì)各種環(huán)境和人為因素所引起的誤差進(jìn)行補(bǔ)償。SCL所研發(fā)的線紋尺測(cè)量系統(tǒng)主要由光學(xué)防震平臺(tái)、移動(dòng)平臺(tái)、攝像頭、顯微鏡、像素計(jì)算程序、光學(xué)鏡組（包括分光鏡、反射鏡）及雷尼紹激光干涉儀組成。線紋尺的長(zhǎng)度測(cè)量范圍為0.01 mm到750 mm，而系統(tǒng)的測(cè)量不確定度僅為0.15 - 0.41 nm。
案例分析： 條紋尺測(cè)量平臺(tái)
線紋尺測(cè)量系統(tǒng)配置了一臺(tái)雷尼紹XL-80激光干涉儀，用于對(duì)系統(tǒng)中出現(xiàn)的阿貝誤差進(jìn)行補(bǔ)償。系統(tǒng)中的移動(dòng)平臺(tái)采用以壓電電機(jī)驅(qū)動(dòng)的空氣軸承平臺(tái)，全長(zhǎng)800 mm行程的直線度為0.9 um，重復(fù)精度達(dá)20 nm；最大扭擺、俯仰和滾擺角誤差分別為+/-0.5角秒。由于SCL位于大廈的35層，風(fēng)和道路交通引起的振動(dòng)會(huì)影響測(cè)量精確度，因此必須將系統(tǒng)放置在光學(xué)防震平臺(tái)上。在環(huán)境補(bǔ)償方面，系統(tǒng)配置了空氣壓力、空氣溫度、材料溫度和濕度傳感器。被測(cè)線紋尺放置在以光學(xué)平臺(tái)為基體的固定式獨(dú)立測(cè)量平臺(tái)上，而攝像頭和顯微鏡則架設(shè)在可移動(dòng)龍門式平臺(tái)上，目的是協(xié)助系統(tǒng)準(zhǔn)確定位線紋的位置。因?yàn)槊織l線紋都有一定的寬度，以線紋的中心線作為其位置可提升整體測(cè)量精度。換句話說，借助影像技術(shù)，系統(tǒng)可找出線紋的中心線并定義為線紋最終位置。
執(zhí)行測(cè)量時(shí)，移動(dòng)平臺(tái)根據(jù)系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)移動(dòng)并停留在被測(cè)線紋的默認(rèn)位置。停頓后，激光干涉儀讀取位置數(shù)據(jù)，同時(shí)攝像頭拍攝目標(biāo)線紋的影像進(jìn)行分析，得出當(dāng)前位置（以像素值顯示與零位的距離）并與實(shí)際計(jì)算距離進(jìn)行比對(duì)，系統(tǒng)根據(jù)差值指示移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行位置微調(diào)。干涉儀再次讀取位置數(shù)據(jù)。整個(gè)程序需要重復(fù)多次直到差值在特定像素值范圍內(nèi)，從而得出最終的線紋位置。
XL-80在系統(tǒng)中的應(yīng)用
阿貝誤差簡(jiǎn)單來說就是測(cè)量軸與被測(cè)工件運(yùn)動(dòng)軸之間的偏移所產(chǎn)生的誤差，我們?nèi)粘Ｋ玫挠螛?biāo)卡尺是典型例子之一。在使用游標(biāo)卡尺進(jìn)行測(cè)量時(shí)，夾住被測(cè)物的兩個(gè)端點(diǎn)與測(cè)量軸之間一定會(huì)出現(xiàn)偏移情況，從而產(chǎn)生誤差。對(duì)于千分表來說，由于測(cè)量軸和被測(cè)工件的軸在同一條線上，因此阿貝誤差為零。
案例分析： 條紋尺測(cè)量系統(tǒng)
雷尼紹XL-80激光干涉儀在系統(tǒng)中所扮演的角色是補(bǔ)償測(cè)量系統(tǒng)中的誤差，無論是移動(dòng)平臺(tái)的直線度、線紋尺的放置位置，還是反射鏡的位置等，在架設(shè)時(shí)都難免會(huì)存在角度偏擺，導(dǎo)致在測(cè)量時(shí)出現(xiàn)所謂的阿貝誤差。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上使用激光干涉儀，以對(duì)稱形式在移動(dòng)平臺(tái)兩邊的軸上進(jìn)行測(cè)量，任何因角度偏移所導(dǎo)致的阿貝誤差值改變都會(huì)被另一邊軸的激光所補(bǔ)償。而干涉儀的架設(shè)采用了典型的線性測(cè)量配置，激光束通過分光鏡S分成兩路，一路形成參考光束經(jīng)轉(zhuǎn)向鏡T及反射鏡R回到激光源探測(cè)器，另一路則通過轉(zhuǎn)向鏡T1、T2、T3及反射鏡R形成長(zhǎng)度變化的測(cè)量光束。另外，XL-80干涉儀在測(cè)量過程中也補(bǔ)償了因環(huán)境造成的潛在誤差，其內(nèi)置的壓力和濕度傳感器精度分別達(dá)1 mbar和6% RH，外置的材料和空氣傳感器精度分別達(dá)0.1和0.2度。數(shù)據(jù)顯示，在干涉儀的幫助下，系統(tǒng)整體減少約95%的阿貝誤差。
案例分析： 條紋尺運(yùn)動(dòng)平臺(tái)
選擇合適的激光干涉儀
就激光干涉儀而言，線性測(cè)量的精度不僅與激光頻率的穩(wěn)定性有關(guān)，同時(shí)也取決于激光波長(zhǎng)的已知精度。而在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，激光束通過空氣時(shí)，空氣折射率往往會(huì)對(duì)激光波長(zhǎng)產(chǎn)生影響，由于折射率隨著空氣（非真空環(huán)境）的溫度、氣壓和濕度而變化，因此必須對(duì)激光波長(zhǎng)進(jìn)行補(bǔ)償以降低最終的測(cè)量誤差。補(bǔ)償器通過傳感器測(cè)量工作環(huán)境的各個(gè)參數(shù)，自動(dòng)計(jì)算這些參數(shù)對(duì)空氣折射率的影響，并調(diào)整激光讀數(shù)以補(bǔ)償激光波長(zhǎng)的變化，無需用戶干預(yù)和經(jīng)常對(duì)補(bǔ)償進(jìn)行更新。
雷尼紹XL-80激光干涉儀是目前市場(chǎng)上真正快速、精確、便攜的校準(zhǔn)系統(tǒng)。精確穩(wěn)定的激光源和準(zhǔn)確的XC-80環(huán)境補(bǔ)償器，保證了±0.5 ppm（在空氣環(huán)境中）的線性測(cè)量精度。系統(tǒng)以高達(dá)50 kHz的頻率讀取數(shù)據(jù)，最高線性測(cè)量速度可達(dá)4 m/s，即使在最高速度下線性分辨率仍可達(dá)1 nm。所有測(cè)量選項(xiàng)（不僅是線性）均采用干涉法測(cè)量，確保所記錄數(shù)據(jù)的精度。XL-80配備先進(jìn)、易用的人性化操作軟件，為用戶提供最全面的機(jī)器校準(zhǔn)方案。
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