基于激光干涉可消除阿贝误差的步距规校准方法及系统技术方案

本发明专利技术主要涉及长度测量技术领域，提供了一种基于激光干涉可消除阿贝误差的步距规校准系统，包括：在空间上可形成任意三棱柱形的3路激光干涉光路，和设置于空间内并与3路激光干涉光路平行的用于波长补偿的第四激光干涉光路，激光器发射的激光光束一部分经分光镜后反射到干涉镜作为参考信号，一部分被投射到反射镜反射后入位于干涉镜内形成测量信号，被测步距规发生位移时，通过测量信号和参考信号并根据测量模型计算得到被测步距规的消除了阿贝误差的位移值，将3路激光光路合成到被测步距规测量线上的测量模型，无论步距规安装在坐标测量机测量平台的任何位置，都可以非常方便地实现基于阿贝原则的激光干涉法步距规测量精度。

Calibration method and system of step gauge based on laser interference to eliminate Abbe error

【技术实现步骤摘要】
基于激光干涉可消除阿贝误差的步距规校准方法及系统
本专利技术涉及长度测量
，尤其涉及一种基于激光干涉可消除阿贝误差的步距规校准方法及系统。
技术介绍
步距规作为一种通用的长度实物计量器具，由于步距规具有精度高、一致性好等特点，因此，国际计量局(BIPM)把步距规列入了国际长度量的关键比对项目，使之成为衡量一个国家几何量校准实验室能力的重要标志。广泛应用于坐标测量机、数控机床、光仪量具等高精度仪器的精度校准及量值传递。因此，日本国家计量院(简称NMIJ)在坐标测量机的基础上，通过架设4路激光干涉测长系统实现大位移测量，通过采集坐标测量机的测头偏置电压得到微位移量，从而得到被测步距规各个尺寸值。该装置可以实现的测量不确定度为U＝(0.06+0.22L)μm。芬兰国家计量院(简称MIKES)采用基于阿贝原则的四光路激光干涉仪实现高精度位移测量，其中一路激光监测感应测头的位移，用来瞄准，其他三路激光经空气折射率补偿后实现位移精确测量。该装置可以实现的测量不确定度为U＝(0.064+0.088L)μm。美国国家计量院在坐标测量机的基础上，设计了基于电感式位移传感器座位测头，实现了低至7nm的测量重复性。但是，上述三种测量系统是在三维坐标测量原理的基础上建立的，不可避免会引入阿贝误差。由此，德国国家计量院在纳米比较仪的基础上，通过增加Z向位移台和接触式测头实现步距规端面上测量点的瞄准，从而实现纳米量级的测量精度。该装置可以实现的测量重复性优于7nm。该系统采用基于真空干涉原理的位移测量方法，精度高，但系统结构比较复杂，不易实现。
技术实现思路
基于上述现有技术中存在的技术问题，本专利技术提供一种基于激光干涉可消除阿贝误差的步距规校准方法及系统，通过增加四路激光干涉仪，构建三路激光的空间相互位置关系模型，将三路激光的合成光路平移到被测步距规的测量线上，极大的降低了坐标测量机的阿贝误差，而且系统结构简单易实现。第一方面，本专利技术提供了一种基于激光干涉可消除阿贝误差的步距规校准系统，所述系统具体包括激光器、干涉测量单元、被测步距规和数据处理单元；所述干涉测量单元包括在空间上可形成任意三棱柱形的第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路，以及第四激光干涉光路，每一路激光干涉光路沿光轴方向依次均设置分光镜、干涉镜和反射镜，所述分光镜、干涉镜和反射镜均固定设置在坐标测量机尾部的大理石平台上，所述第四激光干涉光路分别与所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路平行，所述第四激光干涉光路包括设置于第四干涉镜和第四反射镜之间的波长补偿标准具，用于补偿所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路的波长；所述被测步距规设置于所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路形成的棱柱形空间内，并将所述被测步距规安装在所述大理石平台上的运动平台上，在所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路形成的棱柱形空间内设置有自准直仪，用于测量所述运动平台的俯仰角度和偏摆角度；所述激光器用于发射激光光束，一部分经分光镜后反射到干涉镜作为参考光束，在干涉镜内形成参考信号，一部分被投射到反射镜作为测量光束，所述参考光束和所述测量光束沿同一轴线入位于干涉镜内形成测量信号，当所述被测步距规发生位移时，所述数据处理单元用于通过接收到的测量信号和参考信号通过测量模型可计算所述被测步距规的消除了阿贝误差的位移值，所述测量模型为oo`为所述被测步距规的位移值，所述x、y、z分别为所述被测步距规移动到目标坐标点o`时的x轴、y轴、z轴的坐标值，o点为所述被测步距规的起始坐标点。优选的，所述系统还包括设置于所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路形成的棱柱形空间内的环境参数补偿单元，包括空气测量传感器，用于监测所述第一、第二和第三路激光干涉光路中的空气温度、空气湿度和气压。优选的，所述被测步距规的两端分别设置材料温度传感器，用于测量所述被测步距规的温度。第二方面，本专利技术还提供了一种基于激光干涉可消除阿贝误差的步距规校准方法，所述方法包括：将第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路以任意三棱柱形的形式设置在坐标测量机尾部的大理石平台上，被测步距规设置在所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路形成的三棱柱形的任意空间内；在所述被测步距规位于起始测量位置处时，将所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路中的干涉镜与所述被测步距规的示值清零；通过大理石平台上设置的运动平台将所述被测步距规移动至目标测量位置，测量所述被测步距规在所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路形成的三棱柱形的任意空间内的移动坐标值，根据所述移动坐标值，通过测量模型计算所述被测步距规的消除了阿贝误差的位移值oo`为所述被测步距规的位移值，所述x、y、z分别为所述被测步距规移动到目标坐标点o`时的x轴、y轴、z轴的坐标值，o点为所述被测步距规的起始坐标点。优选的，所述在所述被测步距规位于起始测量位置处时，将所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路中的干涉镜与所述被测步距规的示值清零，之后还包括：启动环境参数补偿单元，所述环境参数补偿包括空气温度、气压和空气湿度参数。优选的，所述通过大理石平台上设置的运动平台将所述被测步距规移动至目标测量位置，测量所述被测步距规在所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路形成的三棱柱形的任意空间内的移动坐标值，之后还包括：通过环境参数补偿单元校正所述被测步距规在所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路形成的三棱柱形的任意空间内的移动坐标值，得到校正后的移动坐标值。有益效果：本专利技术主要提供了一种基于激光干涉可消除阿贝误差的步距规校准系统，包括在空间上可形成任意三棱柱形的3路激光干涉光路，和设置于空间内并与3路激光干涉光路平行的用于波长补偿的第四激光干涉光路，激光器发射的激光光束一部分经分光镜后反射到干涉镜作为参考信号，一部分被投射到反射镜反射后入位于干涉镜内形成测量信号，被测步距规发生位移时，通过测量信号和参考信号并根据测量模型计算得到被测步距规的消除了阿贝误差的位移值，将3路激光光路合成到被测步距规测量线上的测量模型，无论步距规安装在坐标测量机测量平台的任何位置，都可以非常方便地实现基于阿贝原则的激光干涉法步距规测量精度。本专利技术的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例提供的一种基于激光干涉可消除阿贝误差的步距规校准系统的结构框图；图2为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于激光干涉可消除阿贝误差的步距规校准系统，其特征在于，所述系统包括激光器、干涉测量单元、被测步距规和数据处理单元；/n所述干涉测量单元包括在空间上可形成任意三棱柱形的第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路，以及第四激光干涉光路，每一路激光干涉光路沿光轴方向依次均设置分光镜、干涉镜和反射镜，所述分光镜、干涉镜和反射镜均固定设置在坐标测量机尾部的大理石平台上，所述第四激光干涉光路分别与所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路平行，所述第四激光干涉光路包括设置于第四干涉镜和第四反射镜之间的波长补偿标准具，用于补偿所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路的波长；/n所述被测步距规设置于所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路形成的棱柱形空间内，并将所述被测步距规安装在所述大理石平台上的运动平台上，在所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路形成的棱柱形空间内设置有自准直仪，用于测量所述运动平台的俯仰角度和偏摆角度；/n所述激光器用于发射激光光束，一部分经分光镜后反射到干涉镜作为参考光束，在干涉镜内形成参考信号，一部分被投射到反射镜作为测量光束，所述参考光束和所述测量光束沿同一轴线入位于干涉镜内形成测量信号，当所述被测步距规发生位移时，所述数据处理单元用于通过接收到的测量信号和参考信号通过测量模型可计算所述被测步距规的消除了阿贝误差的位移值，所述测量模型为...

【技术特征摘要】
1.一种基于激光干涉可消除阿贝误差的步距规校准系统，其特征在于，所述系统包括激光器、干涉测量单元、被测步距规和数据处理单元；
所述干涉测量单元包括在空间上可形成任意三棱柱形的第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路，以及第四激光干涉光路，每一路激光干涉光路沿光轴方向依次均设置分光镜、干涉镜和反射镜，所述分光镜、干涉镜和反射镜均固定设置在坐标测量机尾部的大理石平台上，所述第四激光干涉光路分别与所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路平行，所述第四激光干涉光路包括设置于第四干涉镜和第四反射镜之间的波长补偿标准具，用于补偿所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路的波长；
所述被测步距规设置于所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路形成的棱柱形空间内，并将所述被测步距规安装在所述大理石平台上的运动平台上，在所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路形成的棱柱形空间内设置有自准直仪，用于测量所述运动平台的俯仰角度和偏摆角度；
所述激光器用于发射激光光束，一部分经分光镜后反射到干涉镜作为参考光束，在干涉镜内形成参考信号，一部分被投射到反射镜作为测量光束，所述参考光束和所述测量光束沿同一轴线入位于干涉镜内形成测量信号，当所述被测步距规发生位移时，所述数据处理单元用于通过接收到的测量信号和参考信号通过测量模型可计算所述被测步距规的消除了阿贝误差的位移值，所述测量模型为oo`为所述被测步距规的位移值，所述x、y、z分别为所述被测步距规移动到目标坐标点o`时的x轴、y轴、z轴的坐标值，o点为所述被测步距规的起始坐标点。


2.根据权利要求1所述的基于激光干涉可消除阿贝误差的步距规校准系统，其特征在于，所述系统还包括设置于所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路形成的棱柱形空间内的环境参数补偿单元，包括空气测量传感器，用于监测所述第一、第二和第三路激光干涉光路中的空气温度、空气湿度和气压。


3.根据权利要求1或2所述的基于激光干涉可消除...

【专利技术属性】
技术研发人员：任国营，
申请(专利权)人：中国计量科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11