量块双频激光干涉坐标测量系统的设计

　　0 引言

　　量块是用耐磨材料制造，并由一对相互平行测量面构成的实物长度量具。由于量块的中心长度可以通过干涉系统溯源至激光波长，因此量块被视为长度计量中最基本的实物量具之一[1]。作为长度计量中的重要计量标准器，量块的检定一直是国家计量部门和各级计量室的重要工作。量块检定的方法主要分为光干涉直接测量法和比较测量法[2]。目前，对于尺寸小于 300 mm 四等及以下的量块可以采用高精度万能测长仪测量，而对于尺寸大于 300 mm 的量块，则没有很好测量方法。本文研究的双频激光干涉坐标测量系统可以用于 300 mm以上非标尺寸量块的直接测量。

　　1 系统设计

　　1. 1 测量系统硬件组成

　　双频激光干涉仪是一种增量式的测长仪器。它以激光波长作为长度测量基准，线性精度可达 0. 1 μm。测量时，可动反射镜与被测对象固定连接在一起，并随着移动机构平稳运动。通过可动反射镜相对于参考反射镜的位移来反映被测长度。该系统由工控机、激光头、固定反射镜、可动反射镜、被测工件、三坐标测量机移动工作台、温度传感器、三坐标测量机计算机控制系统等组成。

　　基于坐标测量机的双频激光干涉坐标测量系统结构如图 1 所示。

　　双频激光干涉仪是利用光干涉原理和多普勒效应产生的频差来进行长度的测量[3]。工作时，激光头产生两束振幅相同、但频率不同的左旋圆偏振光 f1和右旋圆偏振光 f2。两路光束经过检偏器、滤光器、固定反射镜、可动反射镜等光学元件的光路转换，产生明暗相间的干涉条纹。干涉条纹由光电元件接收并转换为电信号，经放大器的信号放大进入计算机，通过减法器相减计算出信号差值 ± Δf( 正负号表示工作台 6 的移动方向) ，由计数器计数可得到信号的脉冲数 N。按下面的公式可计算出可动反射镜移动速度 v 和移动距离 l( 即被测工件的长度) 。

　　式中: λ 为激光的波长; Δf 为可动反射镜移动产生的频差; t 为实时测量时间; N 为计算机记录的脉冲数。

　　1. 2 测量系统软件设计

　　激光信号采集系统采用 Visual C + + 语言编程定义各环境参数，如温度、压强、湿度等，端口操作函数通过 Visual C + + 语言建立动态库来实现。工控机同时与坐标测量机的 quindos 软件相结合，编程实现对量块的自动测量，系统流程如图 2 所示。

　　2 测量难点及解决方法

　　测量系统的关键是得到测量过程中激光波长 λ的精确值。波长 λ 与空气折射率 n 有关[4]，同时空气折射率受测量现场环境参数的影响，如测量时环境温度 t、气压 p 和湿度 f 等的影响。它们之间的数学表达式如下: