基于LM20测头的接触式干涉仪智能化改造

　　量块的检定，是长度计量的一项重要内容。以标称尺寸与之相同的高等级量块为标准，用具有一定测量不确定度的比较仪将被测量块与之比较，从而确定被测量块的等级。传统比较法检定量块的仪器有投影立式光学计，结构设计紧凑，数据稳定可靠，但是其精度只能用来检定低等级量块。目前省级计量部门使用的接触式干涉仪是更高档次的检测仪器，这是六、七十年代的产品。虽然也有一些研究机构对它进行了改造，但并未取得明显效果。德国 SIOS 公司研制开发的接触式激光干涉测头LM20，用激光干涉原理，测量量块长度差，通过激光波长溯源至长度基本单位，以此提高比较检定的溯源性;并且 LM20 具有量程大、分辨力高、测杆导向性好、测量力恒定、空气折射率自动补偿等特性。用 LM20 测头和信号处理电箱以及计算机代替原测头和人工读取长度变化量的光学镜头，适用于 JJG146-2003 所规定的新二等量块检定新三等量块的要求;构成“一对多”比较法，大幅减少标准量块，降低检定成本;并能用 Delphi 软件对测量进行控制，存储测量数据，打印检定记录、证书[1]。

　　1　原接触式干涉仪原理及结构

　　常用的 JDS-1 型接触式干涉仪 ( 如图 1)

　　干涉仪是根据迈克尔逊干涉原理设计的，以光波波长为基准的测量仪器[2]。其缺点是：容易产生干涉条纹不清晰，示值不稳定，分划板移动不平稳，摆动反射镜容易失灵等;由于检定人员通过显微目镜读取数据时，易引入瞄准读数误差;此外，在量块检定工作中，测量数据繁多，手工计算量很大，一副 83 块组量块有 83×6=498 个数据。

　　2　改造后的干涉仪系统的软、硬件设计

　　2.1　硬件设计

　　改进后的干涉仪是在原结构的基础上，将原干涉仪测头换成 LM20。LM20 的光路结构为改进的Michelson 干涉仪，系统结构如图 2 所示。电气箱内激光器发出的 He-Ne 激光，波长为 633nm、波长相对不确定度为 4×10-7，由光纤导入干涉仪，由分光镜分成测量光束和参考光束，分别射向测量和参考用角隅棱镜，两者在分光镜内相遇并转为同向，实现干涉，干涉光束由反射棱镜导向输出耦合器，并由光纤传回电器箱的信号处理单元，在光电探测器转换成电信号，进行电子细分及后续处理。

　　用于辨向的正、余弦信号由输出耦合器将间距为条纹节距 1/4 的两处光强耦合入两条光纤得以实现的。与测量用角隅棱镜相粘接的测杆，在干涉仪内部电机的驱动下，实现测头对被测物表面的触测。

　　改进后的检定装置仍然保留了原干涉仪机械性能好，测头和九筋玛瑙台垂直度高的优势 ( 如图 3)。九筋玛瑙台上最中间的一根筋条比周围平面高出0.3μm, 与上测头配合使用，形成“点对点”的测量。