一等大量块(125~1000mm)检定装置

　　1　概　述

　　我国的量块传递系统始建于1955年,同年检出了我国的第一副一等小量块(0.5 ~100 mm),1958年将一台柯氏干涉仪改造成卧式干涉仪(即1 m干涉仪),并检出了我国的第一副一等(均指当时的一等,其测量不确定度相当于现在的二等)大量块(125~1000 mm),达到了当时的国际先进水平。上述方法一直沿用至今无大的改变。本工作开始前,中国计量院有两台柯氏干涉仪和一台1 m干涉仪,分别用于检定二等小量块和二等大量块,其测量不确定度为U99=0.05μm+0.5×10-6L。我国的量块测量曾在相当长的时间内处于国际先进水平,并能满足工业生产的需要。但上世纪90年代以来,由于种种原因,量块的测量水平停滞不前,即使在亚太地区也已沦为中下游水平。

　　1994年我国颁布实施了新的量块国家检定规程JJG 146-1994,一等量块的长度测量不确定度规定为0.02μm+0.2×10-6L,而我国当时还没有对一等量块的测量手段。在这种情况下,我们实施了新量块工作基准的建立工作,目标是实现一等量块的检定和传递,提高我国的量块测量水平。

　　2　原　理

　　如图1所示,将量块和平晶研合在一起的组合体放在迈克尔逊干涉仪的测量光路中,量块和平晶分别与参考镜干涉,得到干涉条纹图像。由于量块长度为L,两组干涉条纹相差2L/λ个条纹,从干涉图象中只能得到相差的条纹宽度数的小数部分,采用多个波长的光波就可得到多个小数。由于L可以预知在一定偏差范围内,所以其整数部分可以唯一确定。从而实现了量块长度的测量。

　　3　结　构

　　仪器主要由7部分组成:光源、干涉仪、电路及气路控制、温度控制、温度及环境参数(即气压p、空气温度t、空气湿度m)测量、计算机采集处理部分和气动上盖开启机构。结构如图2。下面只对光源、温度控制及计算机采集处理部分作一简介。

　　3. 1　光源部分

　　采用碘稳频633 nm He-Ne激光器和热稳频543 nmHe-Ne激光器系统各一套,其真空波长值的相对不确定度分别优于1×10-9、k= 3 (对633 nm)和2×10-8、k=3(对543 nm)。两个光波波长是否能满足小数值的重合的要求,以及两个光源如何进入干涉仪,是一个关键点也是难点。首先由于小数重合法需要预测量块的长度值,预测值能达到的测量不确定度是U99=(0.05μm +0.5×10-6L),即最大对1000mm量块是0.55μm。所选两个激光波长再次重合长度(或称合成波长)约为1.9μm,预测值误差应小于其1/3,即0.63μm。另外相邻两个干涉级次间条纹小数相差约0.17个干涉条纹,考虑到波长的不确定度约占0.7个干涉条纹,因此小数读数精度要小于0.05个干涉条纹才能满足小数重合的要求。而我们的小数测量不确定度可以达到0.02个干涉条纹,从而很好地解决了这个难题。