一種消除阿貝誤差的大長度激光干涉測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種無阿貝誤差的激光干涉測長系統(tǒng)。該系統(tǒng)由3路獨(dú)的激光干涉測長系統(tǒng)和高精度長導(dǎo)軌構(gòu)成。利用3路呈任意三角形放置的獨(dú)■激光測長系統(tǒng)，可以構(gòu)造一路起點(diǎn)在初始平面內(nèi)任意位置的等效測量光路，由于其與待測儀器同光路，消除了不滿足阿貝原則引起的測量不確定度。該技術(shù)原理簡單、成本低、操作性強(qiáng)，提高了大長度激光干涉測量系統(tǒng)的精度。
【專利說明】一種消除阿貝誤差的大長度激光干涉測量系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種測試、計(jì)量【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一維、測量范圍幾米、幾十米的多 功能的、消除了阿貝誤差的大長度激光干涉測量系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 激光跟蹤、激光掃描、雷達(dá)掃描及計(jì)算機(jī)等技術(shù)的發(fā)展，使得幾何量計(jì)量技術(shù)得到 不斷的提高，精密測量技術(shù)從常規(guī)的尺寸不斷向宏觀尺寸發(fā)展；由于大型制造工業(yè)發(fā)展需 求，對(duì)大型制造工業(yè)的測量提出了更高的要求，為各類不同原理的大尺寸測量系統(tǒng)的應(yīng)用 提供廣闊的市場需求。
[0003] 同時(shí)對(duì)于大尺寸測量系統(tǒng)的量值溯源測量裝置的精度要求越來越高，長達(dá)幾十米 的大型高精度測量裝置，一直是計(jì)量領(lǐng)域活躍研究的方向。目前，高精度大長度激光干涉測 量系統(tǒng)通常采用激光干涉儀與高精度導(dǎo)向?qū)к壪嘟Y(jié)合來實(shí)現(xiàn)對(duì)大尺寸的高精度測量，其不 確定度主要來源是空氣折射率測量誤差、阿貝誤差、空氣擾動(dòng)不確定度因數(shù)。由于其測量范 圍大的原因，都采用開放式柔性組合系統(tǒng)，通過各部分的最佳集成來控制各部分的不確定 度的來源。
[0004] 高精度大長度激光干涉測量系統(tǒng)必須平衡各不確定度來源大小，來選擇測量方 式，使其最終的測量不確定度會(huì)制約在一定范圍內(nèi)。
[0005] 為了消除阿貝誤差，測量時(shí)要求被測光軸和標(biāo)準(zhǔn)光軸在同一直線上，一般同光路 和背對(duì)背測量方式。
[0006] 圖1是同光路的激光干涉測量系統(tǒng)示意圖，如圖所示，激光干涉儀1、分束鏡2、固 定反射鏡3、可動(dòng)反射鏡4和被測儀器6設(shè)置在光路中。激光干涉儀1發(fā)射激光光束，一部 分經(jīng)分束鏡2后一束被反射到固定反射鏡3作為參考光束，另一束被透射到可動(dòng)反射鏡4， 最后這兩束光又沿同一軸線射入位于激光干涉儀1內(nèi)的光電接收器形成測量信號(hào)；當(dāng)可動(dòng) 反射鏡在L范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí)，通過將測量信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算求得運(yùn)動(dòng)的位移值。被測 儀器的測量原理同上所述。
[0007] 同光路是激光儀器測量中最理想的方式，不僅消除了阿貝誤差，而且由于被測光 路和標(biāo)準(zhǔn)光路光程一致性，消除了空氣折射率測量誤差、空氣擾動(dòng)不確定度因數(shù)引入的不 確定度主要來源，可大大提高大長度激光干涉測量系統(tǒng)的測量不確定度。
[0008] 但實(shí)際場合中，絕大部分的儀器無法遵循阿貝原則實(shí)現(xiàn)同光路檢測，一般采用背 對(duì)背和平行光路的測量方式。
[0009] 圖2是背對(duì)背激光干涉測量系統(tǒng)的示意圖，如圖所示，激光干涉儀1、分束鏡2、固 定反射鏡3、可動(dòng)反射鏡4以及被測儀器6依次設(shè)置在光路中，激光干涉儀1與被測儀器6 設(shè)置在導(dǎo)軌5的兩端，激光干涉儀可動(dòng)反射鏡4與被測儀器的可動(dòng)反射鏡4固結(jié)安裝在一 起。激光干涉儀1的測量原理與同光路測量布置時(shí)相同；被測儀器測量時(shí)，其發(fā)射的激光光 束經(jīng)可動(dòng)反射鏡4反射后返回到被測儀器6上，依不同被測儀器的測量算法求得運(yùn)動(dòng)的位 移值。
[0010] 采用背對(duì)背可消除阿貝誤差，然而當(dāng)測量范圍大于30m甚至50m時(shí)，若采用背對(duì)背 測量，由于被測光路和標(biāo)準(zhǔn)光路光程不一致，就存在溫度變化狀況不一致，空氣擾動(dòng)因素不 一致和溫度差異，在長達(dá)幾十米的精密實(shí)驗(yàn)室（20°C ±0.3°C)，這些因素引起的不確定度 通常在5X10_7?1X10_6量級(jí)，有時(shí)由于空氣擾動(dòng)會(huì)更大。
[0011] 圖3是平行光路測量的示意圖，如圖所示，激光干涉儀1、分束鏡2、固定反射鏡3、 可動(dòng)反射鏡4,以及被測儀器6依次設(shè)置在光路中，激光干涉儀1與被測儀器6設(shè)置在導(dǎo)軌 5的一端。激光干涉儀1的測量原理與同光路布置時(shí)相同；被測儀器6的測量原理與背對(duì) 背測量布置時(shí)相同。平行光路由于不符合阿貝原則導(dǎo)軌直線度誤差引入一次測量誤差。這 勢必需要提高導(dǎo)軌的直線度，但對(duì)長30m至100m導(dǎo)軌必須由單根導(dǎo)軌拼接而成。單根導(dǎo)軌 的XX、YY兩方的直線度可加工至2 μ m/mm，但對(duì)十幾個(gè)導(dǎo)軌拼接而成的長導(dǎo)軌來說其每米 的導(dǎo)軌的直線度會(huì)大得多，尤其單根導(dǎo)軌拼接處的直線度會(huì)達(dá)5 μ m/mm?10 μ m/mm，甚至 會(huì)更大。因此對(duì)于平行光路測量方式，會(huì)因?qū)к壷本€度誤差而引入阿貝誤差。
[0012] 高精度大長度激光干涉測量系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)多功能測量，滿足不同類型的大長度線紋 量具及儀器的測量需求，無法都滿足阿貝原則，同時(shí)由于導(dǎo)軌的加工、拼接、變形等誤差因 素，其測量不確定度制約在5 X ΚΓ7的量級(jí)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述存在問題，提出一種消除阿貝誤差的大長度激光干涉 測量系統(tǒng)，來提高大尺寸測量時(shí)的測量準(zhǔn)確度。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0014] 本發(fā)明一種消除阿貝誤差的大長度激光干涉測量系統(tǒng)，包括激光干涉儀、分束鏡、 反射鏡、移動(dòng)平臺(tái)和導(dǎo)軌，其中包括3路獨(dú)立的激光干涉光路，3個(gè)光路在空間上形成三棱 柱形，被測被測儀器6的光路設(shè)置在所述三棱柱形成的區(qū)域內(nèi)，上述每個(gè)光路沿光軸方向 依次設(shè)置激光干涉儀、分束鏡、固定反射鏡和可動(dòng)反射鏡，其中分束鏡和固定反射鏡固定安 裝，可動(dòng)反射鏡設(shè)置在移動(dòng)平臺(tái)上，移動(dòng)平臺(tái)安裝在導(dǎo)軌上，激光干涉儀發(fā)射激光光束，一 部分經(jīng)分束鏡后一束被反射到固定反射鏡作為參考光束，另一束被透射到可動(dòng)反射鏡作為 測量光束，最后這兩束光又沿同一軸線射入位于激光干涉儀內(nèi)的光電接收器形成測量信 號(hào)；當(dāng)可動(dòng)反射鏡移動(dòng)時(shí)，通過將測量信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算求得運(yùn)動(dòng)的位移值。
[0015] 本發(fā)明一種消除阿貝誤差的大長度激光干涉測量系統(tǒng)，其中3個(gè)光路形成任意三 棱柱形。
[0016] 本發(fā)明一種消除阿貝誤差的大長度激光干涉測量系統(tǒng)，其中每個(gè)光路包括激光干 涉儀、分束鏡、反射鏡，還包括光接收器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
[0017] 本發(fā)明一種消除阿貝誤差的大長度激光干涉測量系統(tǒng)，其中包括環(huán)境參數(shù)補(bǔ)償系 統(tǒng)，該系統(tǒng)由40路高精度溫度傳感器、1路氣壓傳感器、和1路濕度傳感器構(gòu)成。
[0018] 本發(fā)明一種消除阿貝誤差的大長度激光干涉測量系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)軌為高精度長 導(dǎo)軌，其直線度可滿足激光干涉儀的測量需求。
[0019] 本發(fā)明一種消除阿貝誤差的大長度激光干涉測量方法，其中包括以下步驟：
[0020] S1將3路激光干涉光路以任意三棱柱的形式放置，被測儀器光路設(shè)置在所述三 棱柱形成的區(qū)域內(nèi)；
[0021] S2測量所述三棱柱端面的三角形的各邊邊長及被測儀器在全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo) 值；
[0022] S3啟動(dòng)環(huán)境參數(shù)補(bǔ)償系統(tǒng)；
[0023] S4在起始測量位置，將3路激光干涉儀與被測儀器的示值清零。
[0024] S5通過移動(dòng)平臺(tái)將3路激光干涉儀與被測儀器的可動(dòng)反射鏡移動(dòng)至目標(biāo)測量位 置，測量各可動(dòng)反射鏡移動(dòng)的位移值，并通過環(huán)境參數(shù)測量系統(tǒng)校正3路激光干涉儀與被 測儀器的測量值。
[0025] S6將3路激光干涉儀經(jīng)校正后的測量值與被測儀器在全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)代入 到本發(fā)明提出的算式（4)中：
[0026]

【權(quán)利要求】
1. 一種消除阿貝誤差的大長度激光干涉測量系統(tǒng)，包括激光干涉儀、分束鏡、反射鏡、 移動(dòng)平臺(tái)和導(dǎo)軌，其特征在于包括3路獨(dú)立的激光干涉光路，3個(gè)光路在空間上形成三棱 柱形，被測被測儀器6的光路設(shè)置在所述三棱柱形成的區(qū)域內(nèi)，上述每個(gè)光路沿光軸方向 依次設(shè)置激光干涉儀、分束鏡、固定反射鏡和可動(dòng)反射鏡，其中分束鏡和固定反射鏡固定安 裝，可動(dòng)反射鏡設(shè)置在移動(dòng)平臺(tái)上，移動(dòng)平臺(tái)安裝在導(dǎo)軌上，激光干涉儀發(fā)射激光光束，一 部分經(jīng)分束鏡后一束被反射到固定反射鏡作為參考光束，另一束被透射到可動(dòng)反射鏡作為 測量光束，最后這兩束光又沿同一軸線射入位于激光干涉儀內(nèi)的光電接收器形成測量信 號(hào)；當(dāng)可動(dòng)反射鏡移動(dòng)時(shí)，通過將測量信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算求得運(yùn)動(dòng)的位移值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除阿貝誤差的大長度激光干涉測量系統(tǒng)，其特征在于3個(gè) 光路形成任意三棱柱形。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的消除阿貝誤差的大長度激光干涉測量系統(tǒng)，其特征在于每個(gè) 光路包括激光干涉儀、分束鏡、反射鏡。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的消除阿貝誤差的大長度激光干涉測量系統(tǒng)，其特征 在于測量系統(tǒng)包括光接收器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的消除阿貝誤差的大長度激光干涉測量系統(tǒng)，其中測量系統(tǒng)還包括 環(huán)境參數(shù)補(bǔ)償系統(tǒng)，該系統(tǒng)由40路高精度溫度傳感器、1路氣壓傳感器和1路濕度傳感器構(gòu) 成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或3或5所述的消除阿貝誤差的大長度激光干涉測量系統(tǒng)，其特征 在于所述導(dǎo)軌為高精度長導(dǎo)軌，其直線度可滿足激光干涉儀的測量需求。
7. -種消除阿貝誤差的大長度激光干涉測量方法，其特征在于包括以下步驟： S1將3路激光干涉光路以任意三棱柱的形式放置，被測儀器光路設(shè)置在所述三棱柱 形成的區(qū)域內(nèi)； S2測量所述三棱柱端面的三角形的各邊邊長及被測儀器在全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值； S3啟動(dòng)環(huán)境參數(shù)補(bǔ)償系統(tǒng)； S4在起始測量位置，將3路激光干涉儀與被測儀器的示值清零。 S5通過移動(dòng)平臺(tái)將3路激光干涉儀與被測儀器的可動(dòng)反射鏡移動(dòng)至目標(biāo)測量位置， 測量各可動(dòng)反射鏡移動(dòng)的位移值，并通過環(huán)境參數(shù)測量系統(tǒng)校正3路激光干涉儀與被測儀 器的測量值。 S6將3路激光干涉儀經(jīng)校正后的測量值與被測儀器在全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)代入到本 發(fā)明提出的算式（4)中：
其中為被測儀器的可移動(dòng)反射鏡4的起始測量位置到移動(dòng)位置的距離，1E，，1F，1&， 為3個(gè)激光干涉儀的可移動(dòng)反射鏡4的起始測量位置到移動(dòng)位置的距離，HZ，Hx為被測儀器 6的測量軸心的坐標(biāo)，a，b，c是三棱柱端面的三角形的各邊邊長，β為所述三角形AB和BC 的夾角。 即為在被測儀器安裝位置處的消除了阿貝誤差的標(biāo)準(zhǔn)值，可用該標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)被測儀器進(jìn) 行校準(zhǔn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的消除阿貝誤差的大長度激光干涉測量方法，其中環(huán)境參數(shù)補(bǔ)償包 括環(huán)境溫度、氣壓和濕度參數(shù)。
【文檔編號(hào)】G01B11/02GK104215181SQ201410449884
【公開日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年9月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月4日
【發(fā)明者】李建雙, 赫明釗, 繆東晶, 李連福, 鄧向瑞, 汪濤 申請(qǐng)人:中國計(jì)量科學(xué)研究院