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雷尼紹（shào）XL-80激光幹涉儀為線紋尺測量（liàng）係統提供精準可靠的位置補償解決方案

2019-6-18 來源：雷尼紹作者：-

全自動線紋尺檢測設備

線紋尺 (Line scale) 一般由玻璃製成，表麵上準確地刻有等間距平行線（xiàn），通常配置在比長儀、顯（xiǎn）微鏡、測量儀器等長度測量設備上，作為測量距離和行程精度的重要參考基準。測量線紋尺上的刻度距離需要高（gāo）精度儀器，測量分辨率往往要求達到納米級，任何微小的環境因素所造成的誤差都會影響測量結（jié）果（guǒ）的準確性。附（fù）屬於香港特別行政區政（zhèng）府創新科（kē）技署的標準及校正實（shí）驗所（suǒ） (SCL) 設計並（bìng）製造了一台全新線紋尺測量（liàng）係統，其采用雷尼紹（shào）XL-80激（jī）光幹涉儀補償測量過程中因測量機台架設位置偏移所導致的（de）誤差。

案例分析：雷尼紹XL-80 係列激光幹涉儀

香港特別行政區政府創新科技署轄下的標準及校正實驗所負責（zé）製定和維護（hù）香港地區的物理測量參考標準，並為本（běn）地的測量標準及測（cè）量儀器使用者提供校正服務（wù），以確保其準確執行測量工作，且能正確溯源至相關標準。除此之外，標準（zhǔn）及校正實驗所還為檢測及認證行業實驗室提供能力驗證服務，以證明他們具備相應的技術能力。

線紋尺測量係（xì）統的工作原理和結構

測（cè）量線紋尺上的刻（kè）度精度簡單來說就是測量被測線與參考線（一般是零位）之間的距離，結合影像分析和激（jī）光（guāng）補償技術，係統可計算並調整（zhěng）數據（線紋）讀取位置，從而減少阿貝誤差 (Abbe error)。不過（guò）在實際操作中，該（gāi）係統往往需要將更多（duō）實際環（huán）境因（yīn）素以及其他不確定（dìng）性計算在內，因此在設計時必須有效（xiào）地對各種（zhǒng）環境和人為因素所引起的誤差進行補償。SCL所研發的線紋尺測量係統主要由光學防震平台、移動平台、攝像頭、顯微鏡（jìng）、像素計算程序、光（guāng）學鏡組（zǔ）（包括分光鏡、反射鏡）及雷尼紹激光幹涉儀組成。線紋尺的長度測量範圍為0.01 mm到750 mm，而係統的測量不確定度（dù）僅為0.15 - 0.41 nm。

案例分析：條紋尺測量平台

線紋尺測量係統配置了一台雷尼紹XL-80激光幹涉儀，用於對係統中（zhōng）出現的阿（ā）貝誤（wù）差進行補償。係統中（zhōng）的移動平台采用以壓電電機驅動的空氣軸承（chéng）平台，全長800 mm行程的直線度為0.9 um，重複（fù）精度達20 nm；最大扭擺、俯仰和滾擺角誤差分別為+/-0.5角秒。由於SCL位於大廈的35層，風和道路交通引起的（de）振動會影響測量精確度，因此必須將（jiāng）係統放置在光學防震平台上。在環（huán）境補償方麵，係統配置了空氣壓力、空氣（qì）溫度、材料溫（wēn）度和濕度（dù）傳感器。被測線紋尺放置在（zài）以光學平台為（wéi）基體的固（gù）定式獨立測量平（píng）台上，而攝像頭和顯微鏡則架設在可移動龍門式平台上，目的（de）是協助係統準確定位線紋的位置。因為每條線紋都有一定（dìng）的寬度，以線（xiàn）紋的中心線作為其位置可提升整體測量精度（dù）。換句（jù）話說，借助影（yǐng）像技術，係統可找出線紋（wén）的中心線並定義為線紋最終位置。

執（zhí）行測量時，移動平台根據係統發出的信號移動（dòng）並停留在被測線紋的默認位置。停頓後，激光幹涉（shè）儀讀（dú）取位置數據，同時攝像頭拍（pāi）攝目標線紋的影像進行分析，得出當前位置（以像素值（zhí）顯示（shì）與零位的距（jù）離）並與實際計算距離進行比對，係統根據差值指示移動（dòng）平台進行位置（zhì）微調。幹涉儀再次讀取位置數據。整個程序需要重複多次直到差（chà）值在特定像素值範圍（wéi）內，從而得出最終（zhōng）的線紋位置。

XL-80在係統中（zhōng）的應用

阿貝誤差簡單（dān）來說就是測（cè）量軸與被測工件運動軸之間的偏移所產生的（de）誤（wù）差，我們日常所用的遊標（biāo）卡尺是典型例子之一。在使（shǐ）用（yòng）遊（yóu）標卡尺進行測量時，夾住被測物的兩個端點（diǎn）與測量軸之（zhī）間一定會（huì）出現偏移情況，從而產生誤差。對於千分表來（lái）說，由於測量軸和被測工件的軸在同一條線上，因此阿貝誤差為（wéi）零。

案例（lì）分析：條紋尺測量係統

雷尼紹（shào）XL-80激（jī）光幹涉儀在係統中（zhōng）所扮演的角色是補償（cháng）測量係統中的誤差，無論是移動平台的直線度、線紋尺的放置位置，還是反射鏡的（de）位置等，在架（jià）設時都難免會存在角度偏擺，導（dǎo）致在測量時出（chū）現所謂的阿貝誤差（chà）。係統在設計上使用激光幹涉儀，以對稱形式（shì）在移動平台兩邊（biān）的軸上進行（háng）測量，任何（hé）因角度（dù）偏移所導致的（de）阿貝誤差值改變都會被另一邊軸的激光所補償。而幹涉儀的架設采用了典型的線性測量（liàng）配置，激光束通（tōng）過分光（guāng）鏡S分成兩路，一路形成參（cān）考光束（shù）經轉向鏡T及反射鏡R回（huí）到激（jī）光源探測器，另一路則通過轉（zhuǎn）向（xiàng）鏡T1、T2、T3及反射鏡（jìng）R形成長度變化的測量（liàng）光束。另外，XL-80幹涉儀在測量過程中（zhōng）也補償了因環境造成的潛（qián）在誤差，其內置的壓力和濕度（dù）傳感器精度分別達（dá）1 mbar和（hé）6% RH，外置的材料和空氣傳感器精度（dù）分別達（dá）0.1和0.2度。數據顯示，在幹涉儀（yí）的幫（bāng）助下，係統整體（tǐ）減少約95%的阿貝誤差。

案例分析：條紋尺運動平（píng）台

選擇合適的（de）激光幹涉儀

就激光幹涉儀而言，線性測量的精度不僅與（yǔ）激（jī）光頻率的穩（wěn）定性有關（guān），同時也取決於激光波長的已知精度。而在實際應用環境中，激光束通過空氣時，空（kōng）氣（qì）折射率往往會對激光波長產生影（yǐng）響，由於折射率隨著空氣（非真空環（huán）境）的溫度、氣壓和（hé）濕度而變化，因此必須對激光波長進（jìn）行補償以降低（dī）最（zuì）終（zhōng）的測（cè）量誤差。補償器通過傳感器測量工作環境的各個參數，自動計算這些參數對空氣折射率的影響，並調整激光（guāng）讀數以補償激（jī）光波長的變化，無需用戶幹預和經常（cháng）對（duì）補償進行更新。

雷尼紹XL-80激光幹（gàn）涉儀是目前（qián）市場上真正快速、精（jīng）確、便攜（xié）的校準係統。精確穩定的激光源和準確的XC-80環境補償器，保證了±0.5 ppm（在空氣環境中）的線性測量精（jīng）度。係統以（yǐ）高達50 kHz的頻率讀取數（shù）據，最高線性測量速度可達4 m/s，即使在最高速（sù）度下線性分辨率仍可達1 nm。所有測量選項（xiàng）（不僅是線性）均采用幹涉法測量，確保所（suǒ）記錄數據的精度（dù）。XL-80配備先進、易（yì）用的人性化操作軟件，為用戶提供最全麵的機器校準方案。

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