双频激光干涉仪在引伸计标定器示值误差校准中的运用

方明

(南京晨光集团有限责任公司计量中心，江苏南京 210006）

0 引言

引伸计标定器是用于对标定的引伸计给出标准位移量的仪器。它由刚性支架、两个同轴的心轴或者装卡引伸计的夹具、能够准确地测量沿心轴轴向位移变化的测微装置组成。标定器一般使用具有螺旋副结构的测微头，并用安装在标定器支架上的测微仪表配合量块进行测量。

依据JJF1096－2002《引伸计标定器校准规范》，在校准标定器示值误差时使用的标准和其他设备的要求如下:2等、3等、4等或5等量块；分度值 (或分辨力）不超过0.1μm的测微仪、比较仪；专用玛瑙工作台或三珠工作台［1］。

采用的方法既有直接法又有配对法。整个校准工作麻烦且费时；最后的数据处理过程由于涉及每块都有偏差的量块，还需修正，因此计算过程同样繁琐又复杂。仅仪器的示值误差校准这一项工作，就需半天时间，再加上其他项目的校准以及数据处理及计算、出证书等等工作，整台仪器的校准一个人需花费一天时间。这在现代的计量校准工作中，其效率是很低的。

1 双频激光干涉仪校准仪器时激光光路的设计

双频激光干涉仪具有测量准确度高、稳定性好以及校准过程连续性好的优点，通常被选作测量标准用于校准一些高精度测长类仪器，被校仪器的范围一般在200～2000 mm之间。

虽然引伸计标定器的测量范围只有25 mm，但经过多次试验，激光干涉仪也同样可校准其示值误差。

试验中以激光光路的调整最便捷、测量误差较小为条件，设计方案如图1所示。

图1 方案实物图

图1中反射镜外壳的材料采用铁制，再加上强力磁铁，能牢固地吸附在引伸计可动心轴的平测量面上。干涉镜则同时起到了激光的干涉及直角反射的作用。

由于测量范围较短，只有25 mm，整个激光光路的准直调整过程相对于校准其他通用仪器时的调整时间要稍长一些。

2 校准方案可行性分析

JJF1096－2002《引伸计标定器校准规范》规定，最高级别 (0.2级）的最大允许绝对误差δ引为±0.2μm(校准范围不超过1/3 mm时），最大允许相对误差δrel引为 ±0.06% (校准范围超过 1/3 mm 时）。在JJG739－2005《激光干涉仪计量规程》中，双频激光干涉仪在标准条件下，位移测量的最大允许示值误差为±(0.03+0.5L）μm；在使用空气参数补偿单元的位移测量最大允许示值误差为±(0.03+1.5L）μm。以上L为测量长度，单位m［2］。

根据以上激光仪器最大允许示值误差公式，通常情况下，经过检定合格的激光干涉仪，在使用空气参数补偿单元 (激光仪器附带的温度、气压、湿度传感器）的条件下，有以下结论:校准范围不超过1/3 mm时，双频激光干涉仪产生的绝对误差δ激为±0.0305μm；校准范围超过1/3 mm时，以引伸计标定器最大被校范围25mm为例，双频激光干涉仪产生的误差为±0.0675μm，换算成相对误差 δrel激为 0.00027%。则:δ激/δ引=0. 0153；δrel激/δrel引=0.0045。国军标规定，至少按 1/4的比例选择测量标准，在条件允许时最好按1/10的比例选择测量标准。因此，选用双频激光干涉仪作为测量标准，满足测量标准的误差小于被测设备允许误差的1/4～1/10这一技术要求。同样依据JJF1096－2002规范要求，校准仪器0～0.1 mm测量范围时，需使用1.0，1.01，1.02，…，1.09 mm间隔为0.01 mm的量块，共计10块。一般引伸计标定器的校准范围为0～25 mm，需要分别校准的5段范围是:0～0.1 mm，0～0.5mm，0～1.0mm，1～5mm和5～25 mm；对应于校准用量块的标称长度间隔分别为:0.01，0.05，0.1，0.5 mm和5 mm。因此，依据规范做完整套示值误差的校准工作需选用近30块量块，有的量块还需研合，组合成标称长度，过程繁琐且操作难度大。

选用双频激光干涉仪作为主标准，只要一次调整好光路后，即可连续进行测量，同时测量软件自动记录测量数据，提高了数据处理速度。而非接触式的测量方式降低了由于更换量块引入的测量不确定度分量。激光干涉仪可在任意范围内任意间隔测量的特性，大大提高了上述5段被校范围的校准工作效率。

3 校准结果的数据处理

使用激光干涉仪校准标定器示值误差的过程同样严格依据校准规范规定的采点要求采集校准数据 (同方向，各校准点重复测量3次）。校准过程使用激光干涉仪自带的测量软件对整个校准过程的数据采集并记录，校准结束后也可作为该次校准的部分原始记录。以下以校准引伸计标定器0～0.1 mm范围为例，加以具体说明。具体校准结果如图2所示。

由于测量范围小于1/3 mm，因此依据规范需计算的是示值的绝对误差Δ=ΔA(大于1/3 mm时，需计算相对误差）。ΔA为在某校准点时，激光的读数值与初始值的偏差，μm。取同方向上各校准点重复测量3次中的最大差值作为该点的测量结果。计算结果见表1。

图2 校准结果曲线

表1 实验数据处理

由表1中数据得:Δmax=0.40μm，Δmin=－0.24μm，符合0.5级引伸计标定器示值误差要求 (规范要求:0.5级仪器的示值误差最大允许值±0.5μm）。同样的方法可得其他4段校准范围的校准结果。

以上整个校准过程包括激光光路的调整不超过1 h，工作效率得到极大地提高。需说明的是，使用激光干涉仪，其校准结果的测量不确定度评定是有别于规范附录A中示值误差的测量不确定度评定方法，由于篇幅有限，这里暂不展开叙述。

4 结束语

引伸计标定器国家校准规范的制定是在2002年，规范中以量块为主标准，这是因为量块作为传统测量标准无论从购置、维护以及标准送检方面都非常成熟、便捷和经济，但是使用量块作为主标准，校准的效率却很低。

近几年来，随着一些高精尖测量设备的普及，采用更准确稳定高效的测量设备和测量方法可以大幅度地提高工作效率及质量，同样也顺应了现代计量校准工作的要求。双频激光干涉仪被用作校准引伸计标定器的主标准也是基于这方面的考虑。

［1］国家质量监督检验检疫总局.JJF 1096－2002引伸计标定器校准规范［S］.北京:中国计量出版社，2002.

［2］国家质量监督检验检疫总局.JJG 739－2005激光干涉仪检定规程［S］.北京:中国计量出版社，2005.