提高激光干涉小角度测量系统测量精度及误差修正的研究

　　0　引言

　　小角度一般指小于1°的角度,本文中所说小角度则是指扩展后的±10°范围的角度,这是因为国内外商品化的激光干涉仪所具备的小角度测量范围都为±10°。在此范围内精度较高的小角度测量仪器主要有激光小角度测量仪。但是,目前商品化激光干涉仪小角度测量的不确定度仅为0·2%~0·6%,这就大大限制了其使用范围。由于这类仪器的测量均是基于正弦原理的特点,正确理解此类仪器的测量原理、使用特点,是提高系统测量精度的关键。

　　1　激光干涉小角度测量原理

　　激光小角度测量的光学原理如图1所示:激光头发出的准直光经过组合分光镜后分成上下两束平行光,分别打在间距固定的两立体反射镜上,随后都以平行于入射光的方向反射回来,再次通过组合分光镜并会聚在其分光面上,最后进入激光头被光电接收器所接收。在实际测量中,立体反射镜一般安装在被测的可动部件上,而激光头和组合分光镜则固定不动。

　　角度的测量是以激光测长为基础并基于正弦原理的,如图2所示:

　　当立体反射镜的上下两中心点连线与光轴垂直时,上下平行的两路光的光程差为零,此时依正弦原理为角度测量范围的零点位置,如被测角度产生变化即立体反射镜产生角偏移θ时,上下两路光就有光程差ΔL,并假设上下两立体反射镜的中心间距为H,则依正弦原理有:

　　这就是以正弦原理测角的计算公式。其中ΔL随被测角度大小而变化,H对于具体某一台激光干涉仪而言是一个固定的量值。

　　2　误差来源分析

　　2·1　原理误差

　　在前述原理公式(2)中,是对实际被测角度的一种近似,公式成立的前提条件是偏离角θ比较小,究竟到多小,采用该近似公式带来的误差可忽略?但近似就必然存在误差,在高精度测量中,近似产生的误差是不可能忽略。如表1所示,当被测角度为1°时,近似结果带来误差为0·18″,随着被测角度的增大,近似误差却急剧增大,被测角度为10°时,误差已达到185″,因此,在激光小角度的测量中近似求解的方法带来的原理误差已不容忽视。

　　2·2　零位误差

　　在原理误差的分析中,其实隐含着这么一个条件:假设实际测量时的起始位置与理论零位相一致。在实际测量中,这显然不易做到,因为在测量前,对光路的安装调整时一般无法保证光轴与立体反射镜中心线垂直,而且这种不垂直度的大小带有随机性。在测量起始位置,由于光轴与立体反射镜中心线的不垂直,就相当于实际测量使用的范围不在其误差曲线的对称中心位置,而是有一偏移,如图3所示。