超级千分表的发展

　　1　引　　言

　　千分表是测量长度的通用量具,它通过机械机构将长度量放大指示到刻度盘上。1890年美国人B.C.Ames造出了最早的原型,19世纪20年代以后很多国家纷纷开始制造这类量具,数量越来越大,品种越来越多,百分表、杠杆千分表、内径千分表、扭簧表…等,形成了一个指示表类量具的庞大家族。千分表这类量具有着许多独特的优点,例如:结构简单、小巧灵活、使用方便等。但是,随着时代的前进人们需要不断提高测量工具的灵敏度和精度,从百分表发展到千分表,接下来发展到万分表、十万分表…,然而,由于千分表这类量具是纯机械性质的,它的发展就必然遭遇到难以逾越的基本困难,例如:精度很难再提高;并且灵敏度越高,测量范围往往就越小,测量力往往就越大等。

　　作者及其同事们一直从事精密刻划与线纹计量的研究工作,计量光栅的制造及应用是其中的重点,并以光栅刻划机研制、光栅制造工艺、光栅检验仪器、光栅测量技术等4个方面为主攻方向。从微米量级一直提高到纳米量级[1 7]。20世纪80年代开始研究发展光电测长仪(光电线性规)并获得了国家专利[8],在这之后,对这类仪器从原理、结构、制造技术直到批量生产工艺及质量保证体系进行了系统地摸索研究,并成功地将这类仪器从微米量级、亚微米量级一直提高到纳米量级和亚纳米量级。其中,特别将量程为10mm的光电测长仪统称为“超级千分表”,这是因为有意识地将它在外形大小、安装夹持、使用方法、测量范围等方面都设计得与普通千分表十分相似,这为了延续一个世纪时间国内外大量入群对千分表的使用习惯,便于使用者理解掌握,便于推广应用。

　　将超级千分表分为3个档次,其中:分辨率为10-4mm称为“万分表”;分辨率为10-5mm称为“十万分表”;分辨率为10-6mm称为百万分表(或纳米表,纳米测长仪)。如图1所示的是5个量级的表类量具,他们构成了一个完整的长度量具系列。

　　2　基本原理

　　超级千分表的工作原理如图2所示。透射型纳米光栅[9]安装在一个活动框架上,活动框架连着上下两根精密小轴,这两根小轴好像经过“断肢再植”又形成了一个共同的轴线而将中央部位空开让光栅的刻线面与中心轴线严格重合,这样的结构保证了严格符合阿贝(Abbe)原理,保证了超级千分表能够达到很高的测量精度。下轴的端部安装有一块红宝石测头或超硬合金测头,其外表面是经过精密抛光的球面。光源系统产生的光照射在纳米光栅表面,形成莫尔条纹后,由读数系统读取得到4路正弦形光电信号,其相互间相位差各为90°,经过差分放大、整形、微分、判向、可逆记数等电路获得莫尔条纹的整数信息,再经过A/D转换、CPU运算获得莫尔条纹的细分信息,这两组信息综合代表了纳米光栅的位移量。电子线路与数据处理部分　　可以装成一个小数显箱,显示出长度量和位移量,也可以装成一块数显数控卡插入计算机内。电子线路(包括各种功能按钮)必须与传感器测头分为两体,才能保证测头体积小巧,才能保证测量的高精度。