用于一等量块检定的柯氏干涉仪改造

　　0 引 言

　　量块是几何量中通用的实物量具，它是将长度自然基准过渡到机械产品中的实物载体。我国颁布的JJG146—2003《国家量块检定规程》规定一等量块的测量不确定度为 U99=(0.02+0.2L)μm，而原有的一等量块检定装置柯氏干涉仪降为二等量块的检定装置。在柯氏干涉仪原有基础上引用现代技术实施技术改造,是实现一等量块检定方法的研究方向之一。具　　体技术改造主要从以下几个方面开展。

　　(1) 光源。原有柯氏干涉仪的氪灯干涉能力较差，干涉条纹的对比度差，发光强度也很低，用肉眼读数难度比较大，很难判读条纹带来的不确定度。改用稳频激光作光源后，可以解决上述问题，这也是提高系统测量不确定度的基础。

　　(2) 计算方法。改变以往小数重合法进行计算，用单波长法进行测量。

　　(3) 读数系统。干涉条纹的读数系统采用 CCD采集图像来判别读数，代替用眼睛读数，避免了读数的人为误差，大大提高了读数准确度，最终测量不确定度得到提高，这也是系统改造的关键。

　　环境条件的测量。一等量块的测量对热膨胀和空气折射率的修正都更加严格，因此对温度、湿度、压力、二氧化碳参数的测量要求更加严格，这些参数测量不确定度最终都会影响系统测量不确定度。

　　1 测量原理

　　利用等厚干涉的原理检定量块长度的基本数学模型为：

　　原有的干涉仪测量长度计算是利用 4 种谱线读取的干涉条纹小数，根据它们之间的关系，推算出干涉条纹整数 N，即采用小数重合法来实现的。这种方法至少需要 3 种或 3 种以上波长来参加测量，而且需根据各波长的分布，进行相应准确度要求的预测。当改换成单一波长 He-Ne 稳频激光，就无法用小数重合法来确定干涉条纹整数 N。而由干涉的理论可知，对单一波长的光源，就需要有更高不确定度的预测值，才能准确得到整数部分 N，再通过直接读取的小数ε，并对环境条件进行测量，计算出修正量 C，就可以得到量块的测量长度。

　　2 干涉条纹整数部分 N 的确定

　　改造后的干涉仪是用单一波长的 He-Ne 稳频激光作为光源，真空波长为 0.632 8 μm，不能用原四波长小数重合法来计算整数 N。对单波长法，在确定 N之前，要对量块长度进行预测。

　　根据公式(1)，N 每变化 1 测量长度就会变化半个波长。假设预测值的测量不确定度为 U，则有：

　　为保证预测值与实际值相差不到半个波长，则有N 1= N2，ε 1- ε2< 1，所以：

　　综合考虑测量不确定度各因素的影响，确保 N为保证值，在测量前开展的预测测量不确定度实际控制在λ/5≈0.13 μm内，便可得到被测量块预测值L′。根据量块检定系统图，对 25 mm 以下的量块，利用 3等量块比较测量法便可基本上解决其预测的问题;对25～100 mm 的量块来说，则需要用测量二等量块的方法来得到预测值 L′。所以，根据公式(1)确定　N=2(L′-C)/λ (取计算结果的整数部分)。