仪器精度设计

1、仪器精度设计仪器精度设计可调整光程的激光测长机（1）测量装置及测量过程（2）测长机测量结果不确定度分析2021-11-172021-11-17可调整光程的激光测长可调整光程的激光测长机机测长机：以线纹尺的刻度或光波波长作为已知长度，利用机械测头进行接触测量的光学长度测量工具。测长机具有能在3个坐标内移动和2个坐标内转动的可调工作台，还有不同测头和附件，常用于检定大尺寸量块和测量多种工件的内、外尺寸。测长机有1米、3米、6米等几种范围，分度值通常为1微米。测量范围在1米以内的习惯上称为测长仪。激光测长机：以激光波长作为长度基准，采用激光干涉系统进行长度测量的测长机，其示值可以在数显表或电脑上显示

2、。2021-11-17可调整光程的激光测长可调整光程的激光测长机机1 1测量装置测量装置1.11.1激光干涉仪原理激光干涉仪原理激光干涉仪原理如图l所示。从激光光源发射出标称波长为633nm的激光光束，波长稳定性小于0.0510-6。光束通过线性干涉镜组件，被分成反射光束和透射光束。图1激光干涉仪原理2021-11-17可调整光程的激光测长可调整光程的激光测长机机图1激光干涉仪原理这两束光经各自的线性反射镜反回线性干涉镜组件中，被探测器接收。如果两束光的光程差发生变化，探测器将观察到相长干涉和相消干涉两端之间的信号变化。由此计算两光程差的变化。测量的长度d可表示为：d=nd=nA A2 2式中

3、：n为条纹数；A为激光波长。2021-11-17可调整光程的激光测长可调整光程的激光测长机机1.21.2测长机系统结构测长机系统结构图2测长机装置结构图2中：l为激光器；2为移动工作台；3为线性干涉镜组件；4为线性反射镜；5为三维调整附件；6为尾座；7为调节转台；8为被测件；9为头座；10为高精度测头；11为基座；12为温度及空气传感器；13为计算机。2021-11-17可调整光程的激光测长可调整光程的激光测长机机在测长机尾座上安装线性反射镜及三维调整附件。实际安装测量组件时，测量轴线与激光干涉仪光轴的重合性调整至1mm以下较为困难。因此，设计了三维调整附件，如图3所示。线性反射镜安装于三维调

4、整附件的可调平板上，使线性反射镜在横向、纵向和俯仰方向精确移动，保证测量轴线与激光干涉仪光轴的重合，使测量系统符合阿贝原则，并减小余弦误差。对零装置使用分度值为0.01um的数显电感测微仪，也可使用高精度线位移传感器代替。2021-11-17可调整光程的激光测长可调整光程的激光测长机机1.3 1.3 测量过程测量过程测量时，将移动工作台放置于测长机导轨上，将激光器固定在移动工作台上，用移动工作台的辅助装置对激光器进行位移和角度的微调整。移动工作台在测长机导轨上的位置，可根据被测长度的大小进行调整，并保证线性干涉镜组件与线性反射镜保持最佳测量距离。通过以上措施，在被测长度范围内，可大幅度减小环境

5、参数对激光干涉仪光程的影响，进一步提高测长机的测量准确度。图2测长机装置结构2021-11-17可调整光程的激光测长可调整光程的激光测长机机2. 2. 测长机测量结果不确定度分析测长机测量结果不确定度分析以测量4等量块的中心长度为例，进行测长机测量结果不确定度的分析。4等量块中心长度的测量不确定度为0.2um+2lO-6L，为能够对其直接测量，需对测量中产生的各项误差进行分析，消除或减小其中影响较大的误差。并根据分析结果，对各测长机各组成部分进行精度分配，以达到设计指标的要求。现对优化后的测长机进行测量不确定度分析。2021-11-17可调整光程的激光测长可调整光程的激光测长机机2.12.1激

6、光干涉仪引入的不确定度分量激光干涉仪引入的不确定度分量u1u1激光器测量组件可根据被测量块的尺寸大小，改变其光程，提高测量准确度。根据Edlen公式可得激光干涉仪位移量为：LPIF=L+93.0(T-20)-0.2683(P-101325)+0.0371(F-1333)10-8式中：L为激光干涉仪标称波长在测量环境下测得的位移值；为光路平均温度；P为光路气压Pa；F为光路中空气水蒸气分压Pa。根据上面公式，得激光干涉仪长度测量的误差为：-61=0.510L2021-11-17可调整光程的激光测长可调整光程的激光测长机机2.2 2.2 测头装置分辨力测头装置分辨力/ /重复性引入的不确定度分量重

7、复性引入的不确定度分量U2U2(1)测头装置分辨力引入的不确定度分量U2a采用分度值为0.01um的数显电感测微仪，由于为两次读数，则有：该误差服从三角形分布，得：2=20.010.02um2a0.02=0.016um2021-11-17可调整光程的激光测长可调整光程的激光测长机机(2)测头装置重复性引入的不确定度分量U2b采用长度为l000mm的3等量对激光i赆0长机进行重复性实验，并计算实验标准偏差。因此，取U2=U2b=0.11um。2021-11-17可调整光程的激光测长可调整光程的激光测长机机2.3 2.3 测长机导轨直线度引入的不确定度分量测长机导轨直线度引入的不确定度分量U3U3

8、当实际调整时，不可能使测量轴线与激光干涉仪光轴完全重合，故引起误差：式中： 为偏离测长机测量轴线产生的误差；L为测量轴线与激光干涉仪光轴的偏离距离； 为以弧度表示的测长机导轨直线度。因此，得：-53=13.88100.04mL33= L 30.04=0.023m2021-11-17可调整光程的激光测长可调整光程的激光测长机机2.4 2.4 球面测帽引起的不确定度球面测帽引起的不确定度U4U4式中：a为测帽变形系数；r1、r2为球面测帽半径，r1=r2=20mm；p为测力值，p=O.29.8N。按三角形分布得：2341211=arrp660.3=0.1266uum2021-11-17可调整光程的激光测长可调整光程的激光测长机机2.5 2.5 合成标准不确定度合成标准不确定度UcUc和扩展不确定度和扩展不确定度U U当各不确定度分量之间不存在相关性时，合成标准不确定度为：取包含因子k=2扩展不确定度，则扩展不确定度为：2021-11-17可调整光程的激光测长可调整光程的激光测长机机3.3.结论结论该激光测