大尺寸绝对距离测量的现状及发展

　　一、引　言

　　所谓大尺寸,通常是指基本尺寸在500mm以上的尺寸。在重型机器制造业中,许多配合尺寸和重要尺寸一般都远远超出500mm,如葛州坝水电站水轮机的定子和转子的尺寸都在16m以上。要制造出高精度的大尺寸零件,必须在加工过程中不断进行检测,因而测量精度的高低对零件的制造起着非常重要的作用。大尺寸测量多为现场在线测量,条件较差,如温度的变化、冲击、振动等的影响都经常存在,且零件尺寸超出一般测量器具的测量范围。因此,大型零件在加工过程中的尺寸检测,是一件十分重要而又困难的工作。

　　大尺寸测量可分为位移测量和绝对距离测量。以双频激光干涉仪为典型代表的位移型测量仪器虽然精度较高,但必须具有长度至少等于被测距离的高精密度导轨,这样的导轨不仅笨重、价格昂贵、本身的生产加工难度大,而且在有些场合根本不可能架设导轨。为了解决这一难题,大尺寸绝对距离测量即无导轨测量技术便应运而生,并显示出强大的生命力。对大型零件尺寸的绝对距离测量包括定位和测量两大部分,其中定位部分需要根据具体测量环境来定,我们仅就测量部分加以讨论。

　　二、国内外现状

　　大尺寸绝对距离的理论基础来自小数重合法[1],是70年代末期才开始研究和发展起来的一项精密测试技术。其主要思想是合成波长链的形成和逐级精化。根据干涉计量的基本原理可知:

　　式中:L为被测长度,N和ε分别为被测长度内所包含的整数级次和小数级次。干涉仪只能测量小数级次,整数级次可根据粗测值通过计算得到。只要上一级测量的不确定度小于下一级合成波长的四分之一,即可沿合成波长链向下逐级精化。1977年,C.R.Tilford[2]提出一套完整的利用多波长尾数决定未知被测长度的分长度的分析方法,只是由于近年来多波长、稳频激光器的出现,这一理论才得以发展和利用。

　　近年来,这一理论又有了新的进展。根据干涉计量原理,对波长为λ的光,其最大可确定距离为λ/2,由此人们想到采用合成波长的理论。如果两列波的波长相差很小时,则其合成波长远大于其中任何一个波长,从而将可确定距离提高到λs/2(λs为合成波长,λs=λ1λ2/(λ1-λ2))。在激光器确定的情况下,则其合成波长为定值,即可确定距离最大不能超过半个合成波长。为了突破这一极限,1994年美国人Peter J.deGroot基于合成波长的思想,提出一种提高可确定距离的算法[3]。利用该算法,在合成波长链不变的情况下,其可确定距离可提高Nr倍。

　　大尺寸绝对距离的实现,从根本上依赖于谱线分布适中的稳频激光器。目前所使用的激光器主要有CO2激光器、He-Ne激光器、半导体激光器和Nd:YAG激光器。