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引起激光干涉仪测量误差的原因分析

引起激光干涉仪测量误差的原因分析
时间: 2018-03-12 10:06 浏览次数:
激光 干涉仪是精度最高的线性位移测量仪器,其光波可以直接对米进行定义,可溯源至国家标准。但是我们在使用中往往会出现检测偏离值,偏离我们的预估,以至于在高精度检测时,

激光干涉仪是精度最高的线性位移测量仪器,其光波可以直接对米进行定义,可溯源至国家标准。但是我们在使用中往往会出现检测偏离值,偏离我们的预估,以至于在高精度检测时,对设备产生怀疑。今天我们来扒一扒引起激光干涉仪测量误差的部分原因。

1、 阿贝误差

因测量光学镜组的安装高度不在被测设备的运动轴上引起的测量误差称之为阿贝误差。产生的原因是设备移动时存在俯仰、扭摆差,因此光学镜组与运动轴偏置距离越远,引起的阿贝误差越大。

角度、偏置距离引起的误差表(单位:um)

上表可得:角度1″在500mm偏置距离下引起的误差大约是2.40um。

来个实际案例:以检测机床时不同安装高度为具体说明。

线性镜组安装距工作台10cm

线性镜组安装距工作台30cm
 

线性镜组安装距工作台50cm

实验结果:按GB/T17421.2《机床检验通则》2000版分析标准得出结果,镜组安装高度偏离设备运动轴线越远,检测结果中重复精度以及定位精度就越差。

正确方式:设备校准时线性镜组的安装高度应该尽量靠近被测轴,使激光光束与运动轴重合(或尽量靠近),减小阿贝误差。

扩展:SJ6000激光干涉仪用户在进行两台同类设备定位精度的对比时,应该进行同轴比对,即共用线性镜组,这样才具有可比性。
 

2、 环境因素

环境补偿单元能准确采集空气温度、压力、相对湿度信息,基于Edlen公式计算空气折射率,以此对激光波长进行补偿。

1000mm示值因环境温度、压力、空气湿度各自变化引起的示值变化量(单位:um)

同时环境补偿单元中材料温度探头能实时高精度测量被测设备温度,对其进行温度补偿。但是往往因为操作人员将材料温度探头放置在错误的位置,致使采集的数据不能真实反映被测物体温度状态,从而增大测量误差。

上图为在测长机上架设激光干涉仪用于检测量块的实际案例

设备安装在楼层地下室,有良好的温度风流控制,有效处理了环境的震动问题、气流扰动问题。测量时因把材料温度探头以“错误方式”放置在摆放电脑的铁架上,材料温度探头采集了非真实的被测物温度信息,致使300mm量块检测数据超差。

把材料温度探头以“正确方式”放置在被测量块周边,并给予充分的恒温时间,测量结果趋于中国计量院的校准值。

正确方式:在线性测量中,需要开启环境补偿单元,并正确设置补偿材料的种类,放置材料温度探头的位置。在高精度的测量中,需要给予环境补偿单元以及被测物充分的恒温时间。

3、 余弦误差

激光束路径与被测轴之间存在的任何未准直都会造成测得的距离和实际的运动距离之间有差异,此误差被称为余弦误差。

当激光测量系统与运动轴未准直时,余弦误差会使得测量的距离比实际距离要短。随着未准直角度的增加,误差也跟着显著增加,如下表所示:

处理方法:若激光测量出现余弦误差,则激光读数将会小于原本应有的数值。因此,通过“轻微”调整云台的俯仰及偏转旋钮直到取得最大的激光读数,将能消除轴上的余弦误差。
 

4、死程误差

死程误差是在线性测量过程中与环境因素改变有关的误差,在正常状况下,死程误差并不大,而且只会发生在定标后以及测量过程中的环境改变。

当测量时系统定标为L1,若干涉镜及反射镜之间没有动作,且激光束四周的环境状况有所改变,整个路径(LI+L2)的波长(空气中)都会改变,但激光测量系统只会对L2距离进行补偿。 因此,死程测量误差会由于光束路径L1没有获得补偿而产生。

处理方法:在设定定标位置时,固定反射镜和移动镜组应尽量彼此邻接,以此减小死程误差。

5、 镜组的安装细节

■  将镜组固定牢靠

  为了最小化振动作用并加强测量稳定性,镜组应牢靠固定到所需的测量点上;磁力表座应直接吸住机床底座,避免吸装在机床护罩或机床盖等较薄弱的部分;确保吸装的表面平坦且没有杂质。

6、 正确使用精度

上图是中国计量科学研究院检测SJ6000激光干涉仪线性位移的数据,这表明SJ6000激光干涉仪在正确的安装手段、正确的环境补偿、稳定的测量环境下即使70米距离都能满足0.1Lum(L测量长度,单位:m)精度,远远超出设备的线性标称精度0.5Lum(L测量长度,单位:m)。

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