一种二维基线导轨直线度的测量方法

卞伟 郝彦彬 谢平 陈晓宁 / 河北省计量监督检测研究院

0 引言

目前，各省计量院都在陆续建立室内大长度测量系统，该测量系统可实现对激光位移类计量器具的校准及溯源工作。二维基线导轨作为室内大长度测量系统的主要配套设备，导轨直线度测量和变形监测是了解导轨稳定性的必要手段[1]，同时，其两方向（水平和竖直）直线度的准确性测量作为不确定度的一个重要分量将直接影响该系统的可靠性。

直线度误差是指实际被测直线要素相对其理想直线的最大变动量[2]。直线度的测量方法主要分为非激光类测量方法和激光类测量方法[3]。非激光类测量方法主要包括：水平仪法[4]、钢丝法和打表法等，该类方法准确度低（通常在几十个微米），过程复杂，效率不高；激光类测量方法主要包括：激光干涉仪法[5]、光电自准直仪加反射镜法[6]和光束基准法等，该类方法准确度高，但是受测量范围小（需要多次拼接）、不能断光续接和调整激光等复杂因素的影响，其测量领域存在一定的局限性。

针对二维基线导轨的直线度测量，传统方法均存在一定的弊端，为此，本文基于激光几何测量系统的特点及性能，介绍一种新型的二维基线导轨直线度测量方法。

1 测量原理

激光几何测量系统由专用夹具、激光发射器、激光接收器和控制及数据处理系统组成。该测量系统的分辨力为0.000 1 mm，发射出的激光直径为5 mm，其采用PSD 激光感应技术[7]，以激光发射器的直线性作为基准光轴，然后对固定于导轨运动平台上的激光接收器以相同的跨距逐一单点移动。激光束照在激光接收器上的二维PSD 传感器光敏面上形成激光点。伴随激光点的形成，位于光敏面内部的P-N结因吸收光子产生电子-空穴对，由于电子和空穴流动方向的不同产生了光生电势。进而基于横向光电效应的原理，激光几何测量系统感应并采集光敏面上光斑的空间位置信息，即感应并测量每一跨距点相对于基准光轴的偏移量（同时完成水平方向和竖直方向的偏移量测量），从而完成所有数据的采集，最后通过最小二乘法完成水平方向和竖直方向直线度的评定。测量原理如图1 所示。

图1 测量原理

被测基线导轨的有效全长为48 m，激光几何测量系统的测量范围能够满足一次性测量，相较于准直仪的分段拼接测量提高了测量准确度。并且能够一次性完成水平方向和竖直方向的直线度测量，相较于激光干涉仪两套镜组单独测量一方向导轨直线度提高了测量效率。

2 测量过程

首先将激光发射器通过磁力表座固定在微动台架上，激光接收器通过螺杆和专用夹具固定在基线导轨的运动平台上，同时将运动平台移动至近点即第一测量点，升降和平移微动台架完成近点激光发射器和激光接收器的调平并数据回零。然后将运动平台移动至远点即最后测量点，扭摆和俯仰微动台架完成远点激光发射器和激光接收器的调平并数据调零。遵循“近点回零、远点调零”的原则，反复进行调整，完成整套系统的调平工作。调平后如图2 所示。

图2 激光测量系统调平

二维基线导轨直线度的测量采用等距跨度的测量方式。如果测量跨度太小，数据量过大，影响测量结果可信度的同时降低测量效率；如果测量跨度太大，数据量过小，不能有效反应真实的直线度形状特征[8]。为此结合被测导轨有效长度和运动平台的长度并基于测量点首尾相接的原则，本次测量选取额跨度为500 mm。在激光几何测量系统中选取单点测量模式并输入500 mm 的跨度值，然后相继移动导轨的运动平台，完成共97 个测量点共194 个数据的采集。

3 测量结果

两方向单点测量数据如表1 所示，同时以“0”为参考，通过最小二乘法拟合计算的二维基线导轨水平方向直线度为0.291 5 mm，垂直方向直线度为0.302 9 mm，如表2 所示。通过结果图表视图（图3）和结果三维视图（图4）能够很直观地看出基线导轨两方向直线度的形状变化趋势，为后续基线导轨的在线实时调整提供重要的数据支持。

表1 单点测量数据

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续表1

表2 直线度结果

图3 结果图表视图

图4 结果三维视图

4 结语

激光测量系统的技术参数满足二维基线导轨直线度的一次性测量，二维基线导轨直线度的技术要求为：全长范围内两方向直线度≤500 μm，测量结果为：垂直方向0.291 5 mm，水平方向0.302 9 mm。同时本套激光几何测量系统的示值误差不超过校准结果的不确定度，因此该方法满足二维基线导轨直线度的测量要求，同时两方向直线度一起测量也提高了测量效率。测量结果详细明了，为实时调整导轨提供数据支撑，并且对二维基线导轨直线度的稳定性试验及有关不确定度的评定工作提供了一定的技术支持。