脉冲信号波形对高等别线纹尺测量的影响及调整

武 鹏 / 上海市计量测试技术研究院

0 引言

目前高等别线纹尺的检定及校准是根据JJG 73-2005《高等别线纹尺检定规程》[1]进行的，规程要求，线纹尺按“白塞尔”支点支撑于工作台的支架上，分度线面与可动立体棱镜棱尖等高；线纹尺的侧面贴上测温传感器；调整线纹尺支架使其两端在显微镜视场内清晰可见；调整狭缝宽度，待温度稳定后方可测量。测量过程中由于线纹尺的分度线经过狭缝而在示波器上呈现出脉冲信号，在JJG 170-1994中提到脉冲信号交点在幅值的7/10处[2]，除此以外对脉冲信号如何调整没有详细说明。本文将通过不同材料不同长度的高等别线纹尺的测长实验，研究脉冲信号对高等别线纹尺测量的影响并确定脉冲信号的调整原则。

1 试验原理及要求

使用激光干涉比长仪，测量原理如图1所示。由激光器发出的激光经过准直、扩束系统之后，形成一束平行的激光光束，该光束被分光镜PBS1分为两束：一束射向固定的参考镜，反射形成测量系统的参考光束；另一激光光束射向运动的测量镜，反射形成测量系统的测量光束，这两束光在分光镜PBS1处相遇，经小直角反射镜、λ/4波片和分光镜NPBS分成两束，从而使系统产生两组干涉信号相位差是90°的正弦信号和余弦信号。干涉信号由光电接收器D1、D2、D3、D4接收。测量镜安装在运动的工作台上。当工作台运动时，两束光的光程差不断变化，测量镜每移动λ/2的距离时，两臂的光程差变化一个波长。只要准确测定干涉条纹的移动数，就可以算出测量镜的移动距离[3]，从而获得被测长度L= N λ[4]。

试验所选用的线纹尺如表1所示。

表1 高等别线纹尺型号及测量范围

所选用的激光干涉比长仪测量线纹尺的重复性U99= 0.06 μm。检定根据JJG 73-2005的要求进行，温度控制满足规程对一等线纹尺的要求（见表2）。

图1 激光干涉仪测长原理示意图

表2 一等线纹尺检定条件

2 测试结果及分析

按照脉冲波形的不同情况将试验分成几组，每组试验与所选取的线纹尺溯源证书数据比较，考察不同条件下的脉冲波形对测试结果的影响。

2.1 等高脉冲波形峰值对测试结果的影响

按JJG 170-1994中的要求，调整脉冲信号使交点在幅值的7/10处。设定波形起始位置为0 V，每一格为2 V，在测量全长过程中分别使信号稳定在图2至图5的四种情况。为了方便，将图2的波形称a波形；图3的波形称b波形；图4的波形称c波形；图5的波形称d波形。可以看出四种情况中波形由a到d，信号峰值逐渐减小，其中a为信号过饱和的情况；d为信号低于4 V，但不低于门槛电压值的波形图。将选取的一等玻璃线纹尺和一等金属线纹尺在以上几种波形条件下测量全长。将几种波形条件下得到的测长结果与溯源数据做差，得到的偏差值如图6、图7所示。

图2 等高脉冲波形峰值饱和时波形图（a波形）

图3 等高脉冲波形峰值较大时波形图（b波形）

图4 等高脉冲波形峰值适中时波形图（c波形）

图5 等高脉冲波形峰值较低时波形图（d波形）

通过数据点的分布可以看出，无论是200 mm的玻璃线纹尺还是1 000 mm的金属线纹尺，在a、d两种波形情况下的数据分布较分散，与溯源数据差值较大；而b、c两种波形条件下结果比较接近，都与溯源数据差值较小。说明在电压较高的饱和状态（即图2的条件）和电压较低的低压状态（即图5的条件），测长结果出现较大波动。

2.2 等高脉冲波形交点位置对测试结果的影响

当信号波形交点位置过高或过低，会对线纹尺的测量产生怎样的影响？如图8、图9及图4中的三种情况，为方便说明称图8的波形为e波形；图9中的波形为f波形。可以看出e波形交点位置大约在幅值的9/10，即为两曲线交点；而波形c与波形f的交点大约在幅值的7/10和1/2处，均为两直线交点，而前者交点电压高于后者交点电压，两种情况下的交点电压分别为6 V、5 V。与2.1的数据处理方法相同，将几种波形条件下得到的测长结果与溯源数据做差，得到如图10、图11的测试结果。

图6 玻璃线纹尺在等高脉冲不同峰值波形条件下测长

图7 金属线纹尺在等高脉冲不同峰值波形条件下测长

图8 等高脉冲波形高交点位置波形图（e波形）

可以看出当波形交点在幅值的大致7/10和1/2处时，即两直线交点的情况下测长数据与溯源数据非常接近，而交点位置大约在幅值的9/10（即两曲线交点的e波形情况下），测长数据与溯源数据差值的绝对值随名义尺寸的增大而增大。说明只要交点在直线与直线的交点处就可以保证测长结果的质量。测量过程中交点位置所在的电压必须高于门槛电压才能进行测量。若交点位置较低，就必须提高峰值电压。出于保护电源的考虑，也为了方便日常工作，两脉冲波形的交点应尽量交在直线处较高的位置上，即JJG 170-1994中提到脉冲信号交点在幅值的7/10处。

图9 等高脉冲波形高交低位置波形图（f波形）

图10 玻璃线纹尺在等高脉冲不同交点位置波形条件下测长

图11 金属线纹尺在等高脉冲不同交点位置波形条件下测长

2.3 不等高脉冲波形对测试结果的影响

在高等别线纹尺测量过程中，如果脉冲信号波形有高低差，那么测量结果将产生怎样的差异呢？为了考察这种情况，分别将200 mm的玻璃线纹尺和1 000 mm的金属线纹尺在脉冲波形为图12、图13的情况下测量全长。同样为方便，称图12与13中的波形为g波形和h波形。与2.2中处理与比较方法相似，为了方便观察，再选取一组等高脉冲波形条件下（即c波形条件下）的数据与溯源数据做差比较，得到的结果如图14、图15所示。

图12 不等高脉冲左高于右波形（g波形）

图13 不等高脉冲左低于右波形（h波形）

图14 玻璃线纹尺在不等高脉冲波形条件下测长

可以明显看出不等高脉冲波形条件下，测长数据与溯源数据之差的绝对值随名义尺寸的增大而增大。说明当两脉冲峰值电压值不一致会严重影响线纹尺的测量质量。

图15 金属线纹尺在不等高脉冲波形条件下测长

3 结语

通过以上的测试和对测试数据的比较、分析，可以认为线纹尺测长过程中脉冲波形调节不当会对测量产生影响。由此可以确定高等别线纹尺测量中脉冲波形的调整原则：

（1）脉冲波形在线纹尺测量的全过程中调整信号使脉冲波形峰值不小于7 V，不大于10 V。

（2）脉冲波形在线纹尺测量的全过程中两脉冲波形交点位置应在幅值7/10处的两直线相交的位置。

（3）脉冲波形在线纹尺测量的全过程中两脉冲波形信号应调整为等高的，全程无高低差。

[1]全国几何量长度计量技术委员会. JJG 73-2005[S]. 北京：中国计量出版社，2006.

[2]全国几何量长度计量技术委员会. JJG 73-1994[S]. 北京：中国计量出版社，1994.

[3]杜振辉，蒋诚志，桂垣，王斌. 激光干涉仪测量长度[J]. 河北建筑工程学院学报, 2006, 21(2)： 35-37.

[4]B. S. Mogil’nitskii, A. S. Tolstikov, and V. Ya. Cherepanov. Plused Laser Precision Length Measurements[J]Measurement Techniques,2004, 8：757-761.