一、引 言
所谓大尺寸,通常是指基本尺寸在500mm以上的尺寸。在重型机器制造业中,许多配合尺寸和重要尺寸一般都远远超出500mm,如葛州坝水电站水轮机的定子和转子的尺寸都在16m以上。要制造出高精度的大尺寸零件,必须在加工过程中不断进行检测,因而测量精度的高低对零件的制造起着非常重要的作用。大尺寸测量多为现场在线测量,条件较差,如温度的变化、冲击、振动等的影响都经常存在,且零件尺寸超出一般测量器具的测量范围。因此,大型零件在加工过程中的尺寸检测,是一件十分重要而又困难的工作。
大尺寸测量可分为位移测量和绝对距离测量。以双频激光干涉仪为典型代表的位移型测量仪器虽然精度较高,但必须具有长度至少等于被测距离的高精密度导轨,这样的导轨不仅笨重、价格昂贵、本身的生产加工难度大,而且在有些场合根本不可能架设导轨。为了解决这一难题,大尺寸绝对距离测量即无导轨测量技术便应运而生,并显示出强大的生命力。对大型零件尺寸的绝对距离测量包括定位和测量两大部分,其中定位部分需要根据具体测量环境来定,我们仅就测量部分加以讨论。
二、国内外现状
大尺寸绝对距离的理论基础来自小数重合法[1],是70年代末期才开始研究和发展起来的一项精密测试技术。其主要思想是合成波长链的形成和逐级精化。根据干涉计量的基本原理可知:
式中:L为被测长度,N和ε分别为被测长度内所包含的整数级次和小数级次。干涉仪只能测量小数级次,整数级次可根据粗测值通过计算得到。只要上一级测量的不确定度小于下一级合成波长的四分之一,即可沿合成波长链向下逐级精化。1977年,C.R.Tilford[2]提出一套完整的利用多波长尾数决定未知被测长度的分长度的分析方法,只是由于近年来多波长、稳频激光器的出现,这一理论才得以发展和利用。
近年来,这一理论又有了新的进展。根据干涉计量原理,对波长为λ的光,其最大可确定距离为λ/2,由此人们想到采用合成波长的理论。如果两列波的波长相差很小时,则其合成波长远大于其中任何一个波长,从而将可确定距离提高到λs/2(λs为合成波长,λs=λ1λ2/(λ1-λ2))。在激光器确定的情况下,则其合成波长为定值,即可确定距离最大不能超过半个合成波长。为了突破这一极限,1994年美国人Peter J.deGroot基于合成波长的思想,提出一种提高可确定距离的算法[3]。利用该算法,在合成波长链不变的情况下,其可确定距离可提高Nr倍。
大尺寸绝对距离的实现,从根本上依赖于谱线分布适中的稳频激光器。目前所使用的激光器主要有CO2激光器、He-Ne激光器、半导体激光器和Nd:YAG激光器。
CO2激光器对大尺寸绝对距离而言是一个非常合适的光源,在10.6μm处具有很丰富的谱线,相邻谱线的差分布比较均匀,目前其构成的最大合成波长链从25m到单波长10.6μm。1979年法国的G.L.Bourdet使用CO2激光器进行测距[4],完成一次测量需六条谱线,经稳频及大气折射率修正,得到的测量结果为1m±0.1μm,1982年他们又通过F-P锁定,在13m上得到70μm的测量精度[5]。1983年美国N.E.Beholz使用CO2激光器经过不断改进,研制了一个非常简单的结构,通过与HP5528比对实验,在10m上得到0.03μm的测量精度[6]。1994年英国国家物理实验室Andrew Lewis采用三波长组合及阶梯干涉计量技术在1.5m上得到±30nm±6.2×10-8L的测量精度[7]。
He-Ne激光器在3.39μm处谱线丰富,根据甲烷对3.3922μm波长的吸收特性,清华大学精仪系研制成功了3.39μm波段双波长氦-氖激光器,用该激光器可以形成1m～3.39μm的二级合成波长链,单波长稳定性达1×10-8[8];另外,He-Ne激光器在633nm处利用横向Zeeman效应可以产生1000MHz的差频信号,其合成波长可以达到280mm,从而达到提高测量范围、降低测量精度要求的目的;近几年来,清华大学又发现利用双折射原理造成激光模的频率分裂也可以产生同样效果且结构简单,在普通He-Ne激光器谐振腔内加入双折射材料,如石英晶体,使一个几何腔长变成两个物理腔长,产生两个正交的线偏振光。当激光器的腔长为150mm时,谱线间距可达1000MHz[9],完全可以满足拍频干涉仪的需要。
半导体激光泵浦的Nd:YAG激光器可以通过调整激光器的振荡频率产生不同的合成波长,对工作波长为1.064μm的激光器,其合成波长的可调范围为0.12～1.5m[10]。
半导体激光器由于其功耗低、体积小、可集成、频率易于调制等特点,愈来愈引起人们重视。进入80年代以来,利用半导体激光器实现大尺寸绝对距离测量成为一个新的热点。半导体激光器易受温度及注入电流的影响,因而输出光的波长不够稳定,对测量精度影响很大。为了避开这一不足,一般采用线性调频技术实现绝对距离测量。清华大学研制的外腔半导体激光绝对距离干涉测量系统,其测量范围可达10m,相对精度为10-4[11]。日本京都工学院采用三角波调制半导体激光器,测长范围可在2m左右,测量精度为0.1mm[12]。1995年德国采用外腔可调谐式半导体激光器,半导体激光器的外腔由全息光栅构成,通过改变光栅的倾角可进行频率选择。其不跳模调节范围为80nm,相干长度达到100m,实现了在40m范围内测量分辨率为40μm[13]。
由于大尺寸测量的特殊重要性,目前,许多国家都投入了大量人力物力进行这方面的研究,并且取得了一定的进展。
三、大尺寸测量技术亟待解决的问题
1.测相精度的提高
大尺寸绝对距离测量最终归结为位相测量,因此测相精度直接影响着大尺寸测量的精度。但是,元器件的发展水平限制了测相精度的进一步提高。目前对600kHz的信号,最高的测相指标为0.1°,信号的频率越高实现高精度测相越困难,它们之间满足下列关系[14]:
式中:Δα为角度分辨率,f为信号的频率,Δτ为器件的时间分辨率
可见在角度分辨率一定的情况下,信号的频率越高,器件的时间分辨率要求越短。如对1MHz的信号要求0.1°的分辨率,则器件的时间分辨率要求为2.7×10-10s。这是目前一般器件难以达到的。当今提高测相精度的可行办法是:利用混频后取差频的方法降低测量信号的频率,但测相精度提高到0.1～0.01°时,混频过程的附加相移就会成为影响测相精度的主要因素。因此,只有研制高性能的器件才能从根本上解决测相精度的问题。
2.大气干扰的消除
在进行大尺寸测量时,空气由于湍流、温度、湿度、压力等变化引起光程的改变,严重影响测量精度。一般而言,大气折射率影响值的最大极限为1×104,对300m臂长干涉仪其光程改变为3cm。消除大气干扰的措施有如下几种:一是沿光程路径设置多个探测器,以探测各点的大气参数,然后用Edlen公式进行修正,但对于工件尺寸特别大的场合此方案显然是不现实的;另一种方案是将光通过的路径改为真空,实验室内的高精度计量就是采用这种方案。目前公认为比较理想的方案是双波长干涉仪,使两波长的光严格共路。通过测量光程差的改变来确定空气折射率的改变量。
式中:A为常数,D1和D2分别为两束光的光程改变量,L为测量的实际空间距离。
1992年,日本学者Hirokaza Matsumoto等人利用共光路原理,采用633nm He-Ne激光器和1.06μm YAG激光器来测定几何距离和空气折射率的改变,一臂放在235m处,测量精度达到0.15μm[15]。
3.频率稳定性的限制
自激光器出现以来,各种稳频技术都是针对单波长而言。如兰姆凹陷方法、反兰姆凹陷方法、Stark效应方法等。这些方法都以某一固定频率作为参考频率标准,对于多波长激光器并不合适。众多的多波长激光器基本上采用两种方法进行稳频,对于单波长顺序出现的激光器采用增益线中心频率作为稳频基准;对于双波长成对切换的激光器采用双波长光强相等或保持一定差值作为稳频基准。这两种基准都受到增益线的稳定性和重复性的影响,由此其对应的波长的稳定性和重复性不可能很高,这一点成了大尺寸绝对距离测量向高精度、大范围方向发展的障碍。
四、大尺寸绝对距离测量技术发展
在大尺寸测量领域,计量技术正向着高精度、大范围、小型化、实用化方向发展,预计以下几项技术将会得到应用:
(1)由于对测量精度的要求越来越高,波长更短的激光器如X射线激光器将会在干涉计量仪器得到广泛应用。利用X射线在小范围内可实现pm量级测量[16],这是目前世界上最高测量精度,随着精密机械技术的发展,将来有可能实现大尺寸测量。
(2)利用自适应光学技术来消除大气的影响。清华大学精仪系由于采用该技术进行光学系统设计,其直线度指标优于HP5528[17],已初步显示出自适应光学技术的优越性。随着测量范围的增大及测量精度的提高,大气干扰因素对测量精度的影响已显得尤为突出,利用自适应光学技术对大气干扰进行自动补偿,其前景是十分诱人的。
(3)集成光学技术的应用。为提高干涉计量技术的实用化程度,要求测量系统体积小、重量轻、易于调节,而集成光学技术在这方面有独特优势。采用该技术,各种光学元件(如透镜、分束器等)可通过掩膜设计实现。集成光学技术实用化的主要困难在于工艺方面;另外光纤易受环境因素影响,要达到实用化程度还需要进一步研究。
参考文献
1 J.R.Benoit, J.Phys., 1975,7:57
2 Charles. R.T.Tilford. Applied Optics, 1977,16(7):1875
3 Peter J. ed Groot. Applied OPtics, 1994,33(25):320
4 L.Bourdet and A.G.Orszag. Applied Optics, 1979,18(2):225
5 L.Bourdet, et,al, J. Opt. Soc. Am., 1982,72:1754
6 W.Gillard, N.E.Buhdz. Optical Engineering, 1983,22(3):348
7 Andrew Lewis, Meas. Sci. Techol., 1994,15:694
8 邹大挺.红外双谱线He-Ne激光用于绝对距离合成波干涉计量的两个方案.中国激光,1992,19(1):31
9 Zhang Shuliang. Laser longitudinal mode splitting phe-nomenon and its applications in laser physics and activemetrology sensors. Optics and Lasers in Engineering,1995,23(1):1
10 W.Gillard, N.E.Buhdz. Optical Engineering, 1983,22(3):348
11 武勇军.线性调频半导体激光绝对测长技术.航空计测技术,1993,28(4):2
12 T.Kubota, et, al. Interferometer for measuring displace-ment and distance. Optics Letters, 1987,12(5)
13 Thiel and T.Pfeifer. Measurement, 1995,(16):1
14 N.M.Oldham. ElectroNIc Limitations in phase meters forheterodyne interferometry. 1993,15(3):16
15 Hirokazu Matsumoto. Measurement of the changes in airrefractive index and distance by means of a two-color in-terferometer. Applied OPtics, 1992,3(22):23
16 Chetwynd et al. The feasibility of extended range mono-lithic X-ray interferometric calibrators. Nanotechnology,1993, 4:183
17 成相印.一种实现高精度稳定Zeeman激光频差的方法.激光技术,1996,20(2): 5
本文作者：王 林 赵洪志 赵 洋 曹 芒 李达成 王 佳
