引起激光干涉儀測(cè)量誤差的原因分析

激光干涉儀是精度最高的線性位移測(cè)量?jī)x器，其光波可以直接對(duì)米進(jìn)行定義，可溯源至國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。但是我們?cè)谑褂弥型鶗?huì)出現(xiàn)檢測(cè)偏離值，偏離我們的預(yù)估，以至于在高精度檢測(cè)時(shí)，對(duì)設(shè)備產(chǎn)生懷疑。今天我們來(lái)扒一扒引起激光干涉儀測(cè)量誤差的部分原因。

1、 阿貝誤差

因測(cè)量光學(xué)鏡組的安裝高度不在被測(cè)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)軸上引起的測(cè)量誤差稱之為阿貝誤差。產(chǎn)生的原因是設(shè)備移動(dòng)時(shí)存在俯仰、扭擺差，因此光學(xué)鏡組與運(yùn)動(dòng)軸偏置距離越遠(yuǎn)，引起的阿貝誤差越大。

角度、偏置距離引起的誤差表(單位：um)

上表可得：角度1″在500mm偏置距離下引起的誤差大約是2.40um。

來(lái)個(gè)實(shí)際案例：以檢測(cè)機(jī)床時(shí)不同安裝高度為具體說(shuō)明。

線性鏡組安裝距工作臺(tái)10cm

線性鏡組安裝距工作臺(tái)30cm

線性鏡組安裝距工作臺(tái)50cm

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：按GB/T17421.2《機(jī)床檢驗(yàn)通則》2000版分析標(biāo)準(zhǔn)得出結(jié)果，鏡組安裝高度偏離設(shè)備運(yùn)動(dòng)軸線越遠(yuǎn)，檢測(cè)結(jié)果中重復(fù)精度以及定位精度就越差。

正確方式：設(shè)備校準(zhǔn)時(shí)線性鏡組的安裝高度應(yīng)該盡量靠近被測(cè)軸，使光束與運(yùn)動(dòng)軸重合(或盡量靠近)，減小阿貝誤差。

擴(kuò)展：SJ6000激光干涉儀用戶在進(jìn)行兩臺(tái)同類設(shè)備定位精度的對(duì)比時(shí)，應(yīng)該進(jìn)行同軸比對(duì)，即共用線性鏡組，這樣才具有可比性。

2、 環(huán)境因素

環(huán)境補(bǔ)償單元能準(zhǔn)確采集空氣溫度、壓力、相對(duì)濕度信息，基于Edlen公式計(jì)算空氣折射率，以此對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行補(bǔ)償。

1000mm示值因環(huán)境溫度、壓力、空氣濕度各自變化引起的示值變化量(單位：um)

同時(shí)環(huán)境補(bǔ)償單元中材料溫度探頭能實(shí)時(shí)高精度測(cè)量被測(cè)設(shè)備溫度，對(duì)其進(jìn)行溫度補(bǔ)償。但是往往因?yàn)椴僮魅藛T將材料溫度探頭放置在錯(cuò)誤的位置，致使采集的數(shù)據(jù)不能真實(shí)反映被測(cè)物體溫度狀態(tài)，從而增大測(cè)量誤差。

上圖為在測(cè)長(zhǎng)機(jī)上架設(shè)激光干涉儀用于檢測(cè)量塊的實(shí)際案例

設(shè)備安裝在樓層地下室，有良好的溫度風(fēng)流控制，有效處理了環(huán)境的震動(dòng)問(wèn)題、氣流擾動(dòng)問(wèn)題。測(cè)量時(shí)因把材料溫度探頭以“錯(cuò)誤方式”放置在擺放電腦的鐵架上，材料溫度探頭采集了非真實(shí)的被測(cè)物溫度信息，致使300mm量塊檢測(cè)數(shù)據(jù)超差。

把材料溫度探頭以“正確方式”放置在被測(cè)量塊周邊，并給予充分的恒溫時(shí)間，測(cè)量結(jié)果趨于中國(guó)計(jì)量院的校準(zhǔn)值。

正確方式：在線性測(cè)量中，需要開(kāi)啟環(huán)境補(bǔ)償單元，并正確設(shè)置補(bǔ)償材料的種類，放置材料溫度探頭的位置。在高精度的測(cè)量中，需要給予環(huán)境補(bǔ)償單元以及被測(cè)物充分的恒溫時(shí)間。

3、 余弦誤差

路徑與被測(cè)軸之間存在的任何未準(zhǔn)直都會(huì)造成測(cè)得的距離和實(shí)際的運(yùn)動(dòng)距離之間有差異，此誤差被稱為余弦誤差。

當(dāng)激光測(cè)量系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)軸未準(zhǔn)直時(shí)，余弦誤差會(huì)使得測(cè)量的距離比實(shí)際距離要短。隨著未準(zhǔn)直角度的增加，誤差也跟著顯著增加，如下表所示：

處理方法：若激光測(cè)量出現(xiàn)余弦誤差，則激光讀數(shù)將會(huì)小于原本應(yīng)有的數(shù)值。因此，通過(guò)“輕微”調(diào)整云臺(tái)的俯仰及偏轉(zhuǎn)旋鈕直到取得最大的激光讀數(shù)，將能消除軸上的余弦誤差。

4、死程誤差

死程誤差是在線性測(cè)量過(guò)程中與環(huán)境因素改變有關(guān)的誤差，在正常狀況下，死程誤差并不大，而且只會(huì)發(fā)生在定標(biāo)后以及測(cè)量過(guò)程中的環(huán)境改變。

當(dāng)測(cè)量時(shí)系統(tǒng)定標(biāo)為L(zhǎng)1，若干涉鏡及反射鏡之間沒(méi)有動(dòng)作，且四周的環(huán)境狀況有所改變，整個(gè)路徑(LI+L2)的波長(zhǎng)(空氣中)都會(huì)改變，但測(cè)量系統(tǒng)只會(huì)對(duì)L2距離進(jìn)行補(bǔ)償。 因此，死程測(cè)量誤差會(huì)由于光束路徑L1沒(méi)有獲得補(bǔ)償而產(chǎn)生。

處理方法：在設(shè)定定標(biāo)位置時(shí)，固定反射鏡和移動(dòng)鏡組應(yīng)盡量彼此鄰接，以此減小死程誤差。

5、 鏡組的安裝細(xì)節(jié)

■ 將鏡組固定牢靠

為了最小化振動(dòng)作用并加強(qiáng)測(cè)量穩(wěn)定性，鏡組應(yīng)牢靠固定到所需的測(cè)量點(diǎn)上;磁力表座應(yīng)直接吸住機(jī)床底座，避免吸裝在機(jī)床護(hù)罩或機(jī)床蓋等較薄弱的部分;確保吸裝的表面平坦且沒(méi)有雜質(zhì)。

6、 正確使用精度

上圖是中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院檢測(cè)SJ6000激光干涉儀線性位移的數(shù)據(jù)，這表明SJ6000激光干涉儀在正確的安裝手段、正確的環(huán)境補(bǔ)償、穩(wěn)定的測(cè)量環(huán)境下即使70米距離都能滿足0.1Lum(L測(cè)量長(zhǎng)度，單位：m)精度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)備的線性標(biāo)稱精度0.5Lum(L測(cè)量長(zhǎng)度，單位：m)。