專利名稱：精密長度測量與控制實時綜合修正方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于計量技術控制技術領域，是一種實現(xiàn)對長度測量或位移控制時的He－Ne激光波長類長度基準器及測量系統(tǒng)和被測工件各實時影響因素進行總體性綜合修正的一種裝置，尤其適用于長度基準傳遞，位移控制和精密測量技術。調行國內傳統(tǒng)的長度測量設備是量塊比較裝置，國家制定了一至六等量塊傳遞的等級制度，任何等級的長度計量，必須用大量的系列量塊以供各種長度尺寸比較，操作繁、效率低、成本高。世界上先進的長度計量或控制設備中長度基準器多用He－Ne激光波長發(fā)生器或模擬He－Ne激光波長的計量光柵和感應同步器等。各國都規(guī)定了長度計量的標準環(huán)境條件，我國具體規(guī)定標準環(huán)境條件是溫度T為20℃，氣壓P為760毫米水柱等等。在其他環(huán)境條件下計量得到的實際長度都需要轉換成標準條件下的標準長度，以統(tǒng)一量衡，以供比較。He－Ne激光的真空波長λg為6329.9148埃，由于長度計量中激光束在空氣中傳播，激光實際波長λ＝λg／n，其中n為空氣折射系數(shù)，n因空氣溫度T、氣壓P及溫度F，CO2含量C等參數(shù)的變化而變化。標準空氣條件下的n約為1.00027，故He－Ne標準激光波長λ。為6328埃，實時中的He－Ne激光波長λp＝f(T、P、F、C)，所以，以He－Ne激光發(fā)生器作為長度基準器的長度計量或控制設備中，實時He－Ne激光波長λp受環(huán)境空氣條件制約，因環(huán)境空氣條件偏離于標準空氣條件而導致λp值相應偏離于λ0值。以模擬He－Ne激光波長的計量光柵和感應同步器為長度基準器的長度計量或控制設備中，一方面計量光柵、感應同步器在其制作時受到因環(huán)境空氣條件偏離導致He－Ne激光波長λp母體相應偏離于λ0值的影響；另一方面，實際使用環(huán)境溫度又對其He－Ne激光波長載體材料和被測工件的線膨脹量產生影響；再一方面，長度測量或控制系統(tǒng)是一個光、機、電的復雜組合系統(tǒng)，會產生一些線性系統(tǒng)誤差。為保證長度計量的精確性、標準性，或必須苛刻要求長度計量設備必須嚴格置于標準環(huán)境條件下制造和使用，并修正其系統(tǒng)線性誤差；或設法修正上述長度基準器和被測工件的誤差，以及測量設備的系統(tǒng)誤差。傳統(tǒng)設備采用的方法一是耗費大量能源，使環(huán)境條件趨同于標準條件，這種保持標準狀態(tài)下恒溫恒壓恒溫度的方法成本高，能源費，控制復雜，設備龐大；二是在穩(wěn)定的環(huán)境條件下分別使用傳感器測取環(huán)境溫度T，氣壓P、濕度F、CO2含量C等實時參數(shù)，然后進行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)有關公式或曲線對相應的有關誤差量進行修正。美國HP公司的雙頻激光干涉儀就是采用后一種方法，使用傳感器采集溫度T，氣壓P等實時參數(shù)，輸入微機進行數(shù)據(jù)處理修正誤差的。這種設備系統(tǒng)復雜、并受傳感器精度影響，精度不高，操作不便，費用很大。上述二種設備都無法實現(xiàn)精度較高的大量程長度計測和在線測量，不利于廣泛應用。此外，計量光柵和感應同步器在制作時采用了整數(shù)米制單位園整分格，導致一定誤差，影響了制作精度。傳統(tǒng)上對于模擬He－Ne激光波長He－Ne激光波長載體和被測工件的線膨脹量，長度計量設備的系統(tǒng)誤差量，大多不加修正或粗略修正，造成總體測量精度不高。
本實用新型的目的就是提供一種與傳統(tǒng)方法迥異不同的、進行總體性實時綜合修正的一種裝置，這種修正裝置始終溯源于He－Ne激光波長，不使用任何傳感器，能一并綜合修正因環(huán)境使用溫度T、氣壓P、濕度F等因素對He－Ne激光波長影響產生的誤差和因環(huán)境使用溫度對He－Ne激光載體和被測工件線膨脹量影響產生的誤差以及設備的系流誤差，直接測定和顯示被測工件的標準長度值。
本實用新型建立在總體性的實時綜合修正方法上，該方法的主要思路是假設要求長度計量的誤差的誤差量不大于確定值Y，如前所述，He－Ne激光波長受空氣折射系數(shù)n的影響，n又是環(huán)境空氣溫度T、氣壓P、溫度F、CO2含量C的函數(shù)。所以實際工況下的實時激光波長λp為λp＝f1(n)＝f2(T.P.F.C) (1)在標準空氣條件附近，一般T、P、F、C對n的影響大致為dn／dt＝－0.93×10－6／℃dn／dp＝0.36×10－6／mmHg (2)dn／df＝－0.5×10－7／mmHgdn／dc＝0.1×10－7／CO2含量每變化0.01％由于F、C對n的變化率僅為T、P對n的變化率的幾十乃至幾百分之一，而且在實際工況下F、C的變化率相對較小。所以，可忽略不計F、C對n的影響。于是，反映空氣折射系數(shù)n的Edlin公式可簡化為(n－1)×10－8＝A＋K7(T－20)＋Kp(P－760) (3)式中A－－變化率補充系數(shù)，A－27128，K7－－溫度變化率系數(shù)，K7＝－93，
Kp－－氣壓變化率系數(shù)，Kp＝36，則n＝1628－93T＋36P(4)可看出，K7＝25.kp，即n(T.P)＝n(T＋1，P＋2.5)，從而可得，(n－1)×108具有斜方對稱性，采用(3)式或(4)式，精度誤差為被測長度的1×10－7。
基于上述分析，可用近似線性化辦法進行下列數(shù)據(jù)處理，以允許誤差量Y為實用顯示長度單元ε，設式(5)式中Y－－允許誤差量(微米)ε－－實用顯示長度單元(微米)m－－以ε為單元的脈沖訊號數(shù)q－－溯源長度單元，q＝ (λ0)/8 ＝0.07910微米。
f－－以q為單元的原始脈沖訊號數(shù)。
采用逐步近似法滿足(5)式，使誤差小于實用顯示長度單元ε，即允許誤差量Y，(因ε＝Y，下面也稱允許誤差ε)。
有零級近似 f0＝m＝f (6)一級近似則有 f1＝f0＋ (f0)/(C1) (7)二級近似則有 f2＝f1＋ (f1)/(C0) ＝f0＋ (f0)/(C1) ＋ (f0)/(C2) ＋ (f0)/(C1C2) (8)三級近似則有f3＝f2＋ (f2)/(C3) ＝f0＋ (f1)/(C3) ＋ (f0)/(C2) ＋ (f0)/(C3) ＋ (f0)/(C1C2) ＋ (f0)/(C2C3) ＋ (f0)/(C1C3) ＋ (f0)/(C1C2C3) (9)N級近似則有fN＝fN－1＋ (fN - 1)/(CN) ＝f0＋ (f0)/(C1) ＋ (f0)/(C2) ＋……＋ (f0)/(CN) ＋ (f0)/(C1CN) ＋ (f0)/(C2CN) ＋……＋ (f0)/(CN - 1CN) ＋……＋ (f0)/(C1C2C3) ＋ (f0)/(C1C2CN) ＋……＋ (f0)/(C1C2C3…CN) (10)需求解式中的近似修正系統(tǒng)C1、C2、C3……CN，將(6)式代入(7)式，將(11)式代入(5)式，得
采用這一近似方法，其誤差不會超過，即不會超過設定的允許誤差值Y。
倘設定N級近似，則有fN＋1－fN＝fN· 1/(CN + 1) (15)即(Df)/(fN) ＝ 1/(CN + 1) (16)由此可見，N級近似的結果誤差小于｜ 1/(CN + 1) ｜，即小于第(N＋1)級修正系數(shù)的倒數(shù)。
當C數(shù)改變一個單位量時，結果的誤差量為多少呢？對(14－1)式實行微分，(dfN)/(dcN) ＝ 1/(CN2) (17)設(dfN)/(fN - 1) ＝ (dcN)/(CN2) (18)利用(18)式，可求得當CN每改變一個單位量時，表示影響誤差結果程度的修正當量系數(shù)E，E與實際測量的長度值L的乘積就是長度計量時的長度修正當量EL。
假如，設定允許誤差量Y為0.1微米，即實用顯示單元ε為0.1微米，則代入(14－2)式，可求得各級標準修正系數(shù)C10、C20、C30、C40……，C10＝3 C20＝－19C30＝1232 C40＝－4.8×107……若設定三級近似(N＝3)，三級近似的結果誤差，被測長度的｜ 1/(C40) ｜，｜ 1/(C40) ｜＝｜－ 1/(4.8×107) ｜＝2.1×10－8公式(19)說明，標準狀態(tài)下取三級近似運算，結果誤差極小，例如測量一米長度，其結果誤差近為0.021微米。
根據(jù)公式(18)，當取三級近似時，在量程L小于4.8×107×ε范圍內每改變一個單位量，對最后修正結果的影響為6×17，這一數(shù)值遠小于各種材料的線膨脹量及測量系統(tǒng)誤差量，所以，可以通過逐步改變C30數(shù)值的辦法來補償這些誤差量的影響，實現(xiàn)總體性的實時綜合修正。
這一方法的實現(xiàn)途經是采用長度基準始終溯源于He－Ne激光波長的長度基準器，如He－Ne激光發(fā)生器和或以八分之一He－Ne激光波長值為單元，分別取其80、100、1000倍或其他需要的整數(shù)倍值而刻制的計量光柵和感應同步器；不使用傳感器，通過對長度標準器直接標定的方法來求得實時綜合修正系數(shù)Ckp，一并綜合修正溫度、氣壓、濕度等環(huán)境因素對He－Ne激光波長的影響，環(huán)境溫度對計量光柵或感應同步器載體和被測工件的線膨脹量的影響，以及整個測量設備的系統(tǒng)誤差，直接測定和顯示被測工件的標準長度值。
實現(xiàn)這一方法的具體步驟為設定N級近似(一般三級近似已能保證相當高的精度)，設定允許誤差Y＝ε和長度單元q，求得標準條件下的標準修正系數(shù)Cko和Cko每改變一個單位量時的標準修正當量系數(shù)E；在相對穩(wěn)定的環(huán)境條件下，對本測量系統(tǒng)中最大量程的長度基準器進行直接標定，標定時先預置標準修正系數(shù)Cko，測得相應的長度標準器之實測長度Lp與標定值L的偏離量ΔL；再用ΔL除以標準修正當量系數(shù)Eo與L的乘積值，得到綜合修正補充系數(shù)W，Cko加上W即為逼近實時綜合修正系數(shù)Ckb；再置定Ckb，依上法求得新的偏離量ΔL，同時取得Ckb每改變一個單位量時的逼近修正當量系數(shù)Eb，用ΔL除以Eb與L的乘積值，得到逼近綜合修正系數(shù)Wb，令Ckb加上Wb得到新的Ckb，求得新一輪偏離量ΔL……，如此循環(huán)逼近，直至ΔL趨近于零，則相應的Ckb即可視為真實的實時綜合修正系數(shù)Ckp。
不難看出，Ckp已兼顧了環(huán)境空氣因素的He－Ne激光波長的影響和環(huán)境溫度對模擬He－Ne激光載體，被測工件的線膨脹量的影響，以及測量設備系統(tǒng)誤差等綜合誤差。
本實用新型是實現(xiàn)上述實時綜合修正方法的一種裝置，主要由長度基準訊號變換系統(tǒng)Ⅰ、實時修正數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)Ⅱ、終端顯示記錄控制系統(tǒng)Ⅲ組成，取三級近似(N＝3)，具體結構參見附圖
一。長度基準訊號變換系統(tǒng)Ⅰ包含有長度基準器，例如直接溯源于He－Ne激光波長的激光干涉儀，光柵讀數(shù)頭，感應同步器裝置之類位移傳感器1，四相訊號接收轉換器2，運算放大器3，舒密特整形器4，倍頻器5和主要由模擬訊號發(fā)生器構成的調試檢測器6組成；實時修正數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由四進制可逆計數(shù)器構成的一級近似器7，與運算器8，六進制可逆計數(shù)器構成的二級近似器9，或運算器10，四只十進制可逆計數(shù)器構成的三級近似器11，四位十進制撥碼盤12，譯出器13，取數(shù)器14，總輸出器15和循環(huán)計數(shù)復位控制器16組成；終端顯示記錄控制系統(tǒng)Ⅲ由顯示記錄器17或再加上終端數(shù)據(jù)處理記錄器18組成。
裝置對最大量程的長度標準器進行直接標定，以按照前述方法獲得實時綜合徑正系數(shù)Ckp。
位移傳感器1測定的長度標準器的長度訊號為四相訊號接收轉換器2所接收轉換成四相正弦波訊號，送入運算放大器3放大，再經舒密特放大器4整形，接著送入倍頻器5實行電子細分后輸出長度單元訊號f，調試檢測器6可產生模擬測量訊號對裝置系統(tǒng)進行調試和檢測。
一級近似器7對來自倍頻器5的訊號f計數(shù)，產生1／4f訊號，與運算器8對自倍頻器5的f訊號和來自一級近似器7的1／4f訊號實現(xiàn)f－1／4f＝3／4f訊號的與運算，二級近似器9對來自一級近似器7的1／4f訊號進行計數(shù)，產生1／24f訊號，或運算器10對來自二級近似器的1／24訊號和來自與運算器8的3／4f訊號實現(xiàn)1／24f＋3／4f＝19／24f訊號的加運算，三級近似器11對此19／24f訊號進行計數(shù)，并在撥碼盤12上預置標準實時修正系數(shù)C30數(shù)，C30數(shù)經譯出器13譯出，并與來自或運算器10的19／24f在取數(shù)器14的與非門中相與，取出C30加1單位量的邏輯修正系數(shù)C30′，C30′一路輸送至循環(huán)復位控制器16，控制三級近似器11復位，C30′另一路輸入總輸出器15的與非門中，和二級近似器輸送的19／24f相與，實現(xiàn)(19／24f－1／C30′)的與運算取得總輸出脈沖值m，m＝(f－1／4f)＋1／24f－1／C30′f＝19／24f－1／C30′f；隨之將信息和結果送至顯示記錄器17或。終端數(shù)據(jù)處理器18，得出實測長度Lp；進而將標準長度值L減去實測長度值Lp得到偏離量ΔL，再將ΔL除以標準修正當量系數(shù)E和L的乘積，得到綜合修正補充系數(shù)W，令C30加上W即成逼近實時綜合系數(shù)C3b；再在撥碼盤12上置定C3b值；重復對長度標準器直接測量，如此循環(huán)往復，直至ΔL趨近于0，則此時相應的C3b′值即為實時綜合修正系數(shù)C3p。確定了C3p值后，在同一實時條件下，在直接標定的長度標準器最大量程內，可用該裝置即時測出任意長度的被測工件的標準長度值。
在實際應用中，長度基準器可直接采用He－Ne激光發(fā)生器，設定ε為0.1微米，q為八分之一λ0值，即0.07910微米，用以制作測量范圍為零至4.8米的直接式精密激光端度計量儀，如立式或臥式的測長儀，孔經測量儀、座標測量儀、大尺寸標準尺類等等。
另一實際應用是同樣采用He－Ne激光發(fā)生器直接作長度基準器，設定ε為0.01微米，q取八分之一λ0值，即0.00791微米，主要用來制作測量范圍為零至480毫米的高精密直接式激光量塊檢查儀。
實際應用的又一方面是主要用于制作測量范圍為零至4.8米的精密端度計量儀器和長度檢測與控制設備，其采用直接溯源于He－Ne激光波長的計量光柵作長度基準器，棚距一般取λ0的10倍值，約為6.328微米，ε為0.1微米。
還有一種實際應用方法，同樣采用直接溯源于He－Ne激光波長的計量光柵作長度基準器，棚距A取的12.5倍值，約為7.910微米，ε為1微米，主要用于制作測量范圍在零至48米的在線長度檢測與控制設備。
可以直接溯源于He－Ne激光波長的感應同步器為長度基準器，其間距h分別取12.5λ0值(7.910微米)或125λ0值(79.10微米)，ε相應分別為1或10微米，可用于制造測量范圍分別為零至48米或零至480米的數(shù)控機床或設備行程控制用的感應同步器數(shù)字顯示表等等。
本裝置還可用于現(xiàn)有以模擬He－Ne激光波長的計量光柵或感應同步器為長度基準器的長度計量與控制裝置的改裝，只須將本發(fā)明中始終直接溯源中He－Ne激光波長的計量光柵或感應同步器取代原有的整數(shù)米制單位園整分格的計量光柵或感應同步器，同時加裝本發(fā)明所述的實時綜合修正裝置即可改裝成實時綜合修正長度計量與控制設備。
本實用新型創(chuàng)造性地提供了實時綜合修正其裝置，為精密長度測量與控制技術的發(fā)展與進步提供了有效的設備。與國內現(xiàn)有的量塊比較裝置相比，本實用新型具有應用廣，精度高，操作簡便，技術先進，效率提高，成本降低等一系列積極效果。與世界上當前以溫度、氣壓傳感器采樣，經過數(shù)據(jù)處理來補償因環(huán)境條件偏離而產生的誤差的He－Ne激光波長類長度基準的長度計量與控制設備相比，本實用新型具有不需要使用傳感器，長度基準始終直接溯源于He－Ne激光波長，環(huán)境要求低，計量精度高，可以制作大尺寸的高精度計量光柵與感應同步器，為大量程長度或行程測量和控制技術提供了有效的工具，而且還有成本代價小，經濟效益大等一系列顯著效果，能積極推動長度基準傳遞，位移控制與精密測量技術的進步。
權利要求1.一種以He-Ne激光波長或模擬He-Ne激光波長的計量光柵、感應同步器為長度基準器，主要用于修正長度基準傳遞、位移控制和精密測量過程中計量誤差的裝置，其特征在于，由長度基準始終符合溯源原則并為三級近似的長度基準訊號變換系統(tǒng)Ⅰ、實時修正數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)Ⅱ，終端顯示記錄控制系統(tǒng)Ⅲ組成，a.長度基準訊號變換系統(tǒng)Ⅰ包含He-Ne激光類長度基準器，如激光干涉儀，光柵讀數(shù)頭，感應同步器裝置之類位移傳感器1、四相訊號接收轉換器2、運算放大器3、舒密特整形器4、倍頻器5和主要由模擬訊號發(fā)生器構成的調試檢測器6組成，b.實時修正數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)Ⅱ由四進制可逆計數(shù)器構成的一級近似器7、與運算器8、六進制可逆計數(shù)器構成的二級近似器9、或運算器10，四只十進制可逆計數(shù)器構成的三級近似器11，四位十進制撥碼盤12、譯出器13、取數(shù)器14、總輸出器15和循環(huán)計數(shù)復位控制器16組成，終端顯示記錄控制系統(tǒng)Ⅲ由顯示記錄器17或再加上終端數(shù)據(jù)記錄四18組成，
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于長度基準器采用He－Ne激光發(fā)生器，ε為0.1微米，q取八分之一標準He－Ne激光波長，約為0.0791微米，用于制作測量范圍為零至4.8米的直接式精密激光端度計量儀，如立式或臥式的測長儀、孔徑測量儀、座標測量儀，大尺寸標準尺類等。
3.如權利要求1所述的裝置，其特征在于長度基準器采用He－Ne激光發(fā)生器，ε為0.01微米，q取 值的八十分之一，為0.00791微米，主要用于制作測量范圍為零至480毫米的高精度直接式激光量塊檢查儀。
4.如權利要求1所述的裝置，其特征在于長度基準器用直接溯源于He－Ne激光波長的計量光柵，柵距A取 的10倍值，約為6.328微米，ε為0.1微米，用于制作測量范圍在零至4.8米的精密端度計量儀器和長度檢測、控制設備。
5.如權利要求1所述的裝置，其特征在于長度基準器用直接溯源于He－Ne激光波長的計量光柵，柵距A取 值的12.5倍值，為7.910微米，ε為1微米，主要用于制作測量范圍在零至48米的在線長度檢測和控制設備。
6.如權利要求1所述的裝置，其特征在于長度基準器用直接溯源于He－Ne激光波長的感應同步器，其間距h分別取 值的12.5倍值，為7.910微米或125倍值，為79.10微米，ε相應分別為1或10微米，可用于制造測量范圍分別為零至48米或零至480米的數(shù)控機床行程控制用的感應同步器數(shù)字顯示表。
7.如權利要求10所述的裝置，其特征在于可加裝于現(xiàn)有以模擬He－Ne激光波長的計量光柵或感應同步器為長度基準器的長度測量和控制裝置，將本實用新型始終直接溯源于He－Ne激光波長的計量光柵或感應同步器取代原有計量光柵或感應同步器，即可對被測工件進行實時綜合修正。
專利摘要本實用新型屬于計量技術與控制技術領域，是一種對長度測量和位移控制時的He—Ne激光波長類長度基準器及其測長系統(tǒng)以及被測工件的各實時影響因素進行不用傳感器采樣的總體性綜合修正的裝置。主要由長度基準訊號交換系統(tǒng)，實時修正數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，終端顯示記錄控制系統(tǒng)組成，其始終直接溯源于He—Ne激光波長，能即時直接測量和顯示被測工件的標準長度值。具有不需要傳感器、量程大、精度高、操作便、應用廣成本低等系列積極效果。
文檔編號G01B11/02GK2035868SQ8821162
公開日1989年4月12日 申請日期1988年4月8日 優(yōu)先權日1988年4月8日
發(fā)明者張學能, 劉洪圖 申請人:上海第二光學儀器廠