精密相移发生装置和精密长度测量系统及其测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供的精密相移发生装置是基于“压力扫描”原理而设计的“腔长可变式”标准具和柔性铰链微位移平台一体化装置。利用石英材料的低膨胀、高机械品质因素的特点，通过巧妙、精确的结构设计，在精密压力发生器的作用下，分别实现了标准具自身及柔性铰链微位移平台的位移扫描，从而实现物体长度的精密测量；此外“腔长可变式”标准具的设计解决了精密位移传感器的自校准难题，保证了精密相移发生装置相移测量的准确度。本发明专利技术还提供了由精密相移发生装置构成的精密长度测量系统及其测量方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及相移干涉测量领域，特别是涉及用于相移干涉测量的 精密相移发生装置，和利用该精密相移发生装置构成的精密长度测量 系统及其测量方法。
技术介绍
非接触、相移干涉测量是长度测量中最准确的方法。目前有两种主要测量方法积4成式扫描和激光变频法。前者利用枳4成扫描的 方式实现相移，测量待测物体表面与(法布里-珀罗)标准具之间的距 离，但是却因为标准具腔长固定而无法准确测量标准具之间的距离(只 能用Haidinger法测量)。因而该方法的测量准确度较低，并且没有继 续提高的潜力；后者利用改变光源频率实现相移，比前者具有更高的 准确度，是目前国际上主要的方法。澳大利亚科学院(Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation,简称CSIRO )于2001年 首先完成了激光变频法真空测长系统的建立，实现了单晶硅球密度 标准不确定度lxl(T7， 2004年日本计量研究所(National Metrology Institute of Japan, NMIJ)改进了机械式扫描测长干涉系统，也建立了 激光变频法真空测长系统，将硅球密度的测量准确度提高到0.9xl(T7。 从技术上讲，硅球密度的测量关键在于精确测量硅球的直径，目前有 两种主要测量方法平面波前激光干涉法和球面波前激光干涉法。图1 为利用平面波前激光干涉法测量硅球直径的光学系统示意图，El、 E2 为标准板，该方法是利用标准板和球面反射光两束光相干产生干涉条7紋，通过广义相移算法精确确定干涉条紋的小数部分,其最大特点是忽 略了标准板和硅球表面的多次反射以及透射光对干涉级次的影响，但是研究表明对高精度应用如精密测长干涉仪，特别是在反射面反射 率较高时，忽略多光束干涉的影响将是十分严重的。另一种球面波前 激光干涉法，如图2所示，图中F为标准具，与硅球同心的标准球面， 显然，硅球表面各点与标准具的距离是相等的。该方法考虑了标准具 与硅球表面多次反射对干涉级次的影响，其优点是一 次可同时测量多 个直径，具有较高的工作效率。不足之处在于，由于标准具与硅球对 激光的反射率相差太大而且难以进行调节(单晶硅折射率比任何透明 材料的折射率都高出很多)，致使相干光束能量相差悬殊，从而影响了 干涉条紋的清晰度，增大了 CCD的光强测量误差，降低了系统的准确 度；此外，该系统中对标准具加工精度要求极高，任何加工误差、光 学元件位置偏移、对准误差等等都将降低系统准确度。该两种方法限 于频i普宽度、变频范围、仪器噪声等因素的影响，测量准确度及提高 潜力也受到限制。目前用激光变频法可实现长度的最佳测量能力为 几个纳米，不能满足精密长度测量，如在长度计量中的量值溯源，固 体密度基准中单晶硅球直径的测量，阿伏加德罗常数关键技术研究， 材料体胀系数、压缩系数的精密测量和国防、航天、军事工业中各种 精密生产、加工技术及科学研究等等领域对长度测量准确度的需要。 在精密测长中难以再有实质性的进展。因此，要提高固体密度基准测 量准确度，实现建立摩尔基准、定义质量基准，必须研究新的技术原 理、利用新的技术方法和实验手段，才能从根本上提高固体密度基准 的测量准确度。固体密度基准研究主要是测量硅球的密度，密度等于质量除以体积，因此固体密度基准的研究主要归结为对硅球质量和体积的精密测 量，其中体积测量是课题研究的重点，包括硅球直径测量，温度测量 和表面氧化层厚度测量等，其中温度测量和表面氧化层厚度测量是为 了进行直径修正，从而更准确的提高直径测量准确度。直径测量采用目前通用的非接触测长方法相移法测长法，其基本原理如图3所 示，测量过程包括对标准具之间的距离L，待测物体表面与标准具的间 距L1、 L2的初测，即通过小数重合法或准确度稍低的其他测量方 法实现干涉级次的整数部分N的测量(N的测量可用常规测量技术， 易于实现，不是本专利技术讨论的范围)；本专利技术的主要目的是实现对L， Ll, L2的精确测量，即精确测定干涉级次小数部分s;球直径的计算 D=L-L1-L2= (N+s) V2，其中X为激光波长。鉴于国际上两种主要的相移测量方法机械扫描法和激光变频 法都因其各自的局限性难以在精密测长中有实质性的突破。本专利技术的 精密相移发生装置基于新的技术原理和新的测量方法，以压力扫描 式相移法突破目前长度精密测量方法之局限，为实现亚纳米级长度测 量奠定了基础。
技术实现思路
鉴于现有技术的缺陷，为了稳定而准确地实现标准具之间、待测 物体与标准具之间的微位移测量的目的，本专利技术也是基于非接触测长方法相移法测长法的基本原理，测量过程包括对图3中标准具之 间的距离L，待测物体表面与标准具的间距L1、 L2的初测，即通过小 数重合法或准确度稍低的其他测量方法实现干涉级次的整数部分N 的测量；本专利技术的主要目的是实现对L， Ll， L2的精确测量，即精确 测定千涉级次小数部分s。这里测量的关键技术是稳定而准确地实现标准具之间、待测物体与标准具之间的微位移。因而本专利技术提供了 压 力扫描式精密相移发生装置，和由该精密相移发生装置构成的精密 长度测量系统及其测量方法。本专利技术提供的精密相移发生装置，包括框体，铰链微位移平台， 两块标准板，还包括精密电容式微位移传感器和精密压力发生器，所述标准板设置在所述框体相对两底壁的内侧突起面上，形成腔体；在设置所述标准板的所述框体的两底壁的壁中央设置有光路通孔，光束通过所述光路通孔到达所述标准板，由所述标准板进行反射与透射； 在所述框体的前端外侧壁上设置有精密压力发生器P，所述精密压力发 生器P对所述框体的侧壁外侧施加压力，改变所述腔体的腔长；所述微位移平台与所述框体连接点的正下方设置有对所述铰链微位移平台 施加推力的精密压力发生器P，，在所述框体后端下部正中位置设置有 测量所述腔体的腔长变化及所述铰链微位移平台位移的所述精密微位 移传感器的左极板，右极板通过支座固定在所述铰链微位移平台的基 座上，两极板间距15微米且彼此严格正对且平行。所述精密电容式微 位移传感器的分辨率为0.01nm,测量范围15微米，线性度优于0.001%。 待测物体置于所述框体中间，与所述框体相分离。优选地，所述框体与所述铰链微位移平台一体成型，当精密压力 发生器P，对所述铰链微位移平台施压时，避免所述框体与所述铰链微 位移平台之间出现滞后和蠕变的现象。优选地，所述框体由石英制成，当撤销所述精密压力发生器P对 所述框体的侧壁施加的压力时，所述腔体的腔长恢复到原来的长度。优选地，所述框体设置有所述标准板的两底壁向内凸出且对称， 以防止其加压变形；优选地，所述框体的两侧壁的内侧呈弧形面结构且对称，以便在 加压时，实现需要的腔长变化。优选地，所述框体内侧4个角落分别设置一角孔。优选地，所述标准板通过3个螺旋杆旋4丑固定在所述框体相对两 底壁的内侧壁上，可以通过该3个螺旋杆旋钮调节所述标准板的方位。优选地，所述铰链微位移平台为双层结构，包括下部基座和上部 平台，所述下部基座和所述上部平台通过一体成型的细条部连接。优选地，还包括压力加载件，所述压力加载件为弓形结构，套在 所述框体设置有所述标准板的任一底壁的外侧上；所述精密压力加载 件的中部开设有与所述框体的底本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种精密相移发生装置，包括框体，铰链微位移平台，两块标准板，其特征在于，还包括精密电容式微位移传感器和精密压力发生器，所述标准板设置在所述框体相对两底壁的内侧壁上，形成腔体；　在设置所述标准板的所述框体的两底壁中设置有光路通孔，激光束 通过所述光路通孔到达所述标准板，由所述标准板进行反射与透射；　在所述框体的另两壁的任一外侧壁上设置有精密压力发生器Ｐ，所述精密压力发生器Ｐ对所述框体的侧壁外侧施加压力，改变所述腔体的腔长；　所述框体与所述铰链微位移平台通过前端中 部连成一体结构，在所述铰链微位移平台与所述框体连接点的正下方设置有对所述铰链微位移平台施加推力的精密压力发生器Ｐ’；　在所述框体后端下部正中位置设置有测量所述腔体的腔长变化和所述铰链微位移平台的位移的所述精密电容式微位移传感器的左极板 ，右极板设置在所述铰链微位移平台上的支座上。

【技术特征摘要】
1、一种精密相移发生装置，包括框体，铰链微位移平台，两块标准板，其特征在于，还包括精密电容式微位移传感器和精密压力发生器，所述标准板设置在所述框体相对两底壁的内侧壁上，形成腔体；在设置所述标准板的所述框体的两底壁中设置有光路通孔，激光束通过所述光路通孔到达所述标准板，由所述标准板进行反射与透射；在所述框体的另两壁的任一外侧壁上设置有精密压力发生器P，所述精密压力发生器P对所述框体的侧壁外侧施加压力，改变所述腔体的腔长；所述框体与所述铰链微位移平台通过前端中部连成一体结构，在所述铰链微位移平台与所述框体连接点的正下方设置有对所述铰链微位移平台施加推力的精密压力发生器P’；在所述框体后端下部正中位置设置有测量所述腔体的腔长变化和所述铰链微位移平台的位移的所述精密电容式微位移传感器的左极板，右极板设置在所述铰链微位移平台上的支座上。2、 根据权利要求1所述的精密相移发生装置，其特征在于，所述框体与所述铰链微位移平台 一体成型。3、 根据权利要求1或2所述的精密相移发生装置，其特征在于，所述框体由石英制成，当撤销所述精密压力发生器P对所述框体的侧壁施加的压力时，所述腔体的腔长恢复到原来的长度。4、 根据权利要求1所述的精密相移发生装置，其特征在于，所述框体设置有所述标准板的两底壁向内凸出且对称。5、 根据权利要求1所述的精密相移发生装置，其特征在于，所述框体的两侧壁的内侧呈弧形面结构且对称。6、 根据权利要求1所述的精密相移发生装置，其特征在于，所述框体内侧4个角落分别设置一角孔。7、 根据权利要求1所述的精密相移发生装置，其特征在于，所述标准板通过3个螺旋杆旋钮固定在所述框体相对两底壁的内侧突起面上。8、 根据权利要求1所述的精密相移发生装置，其特征在于，所述铰链微位移平台为双层结构，包括下部基座和上部平台，所述下部基座和所述上部平台通过一体成型的细条部连接。9、 根据权利要求1所述的精密相移发生装置，其特征在于，所述左才及4反和所述右才及氺反两寺反严才各正对且平4亍，且相3巨15樣i米。10、 根据权利要求1所述的精密相移发生装置，其特征在于，还包括压力加载件，所述压力加载件为弓形结构，套在所述框体前端外侧上；所述弓形压力加载件的中部开设有与所述框体底壁中的光路通孔相通的光路通孔；所述精密压力发生器P置于所述弓形压力加载件一端的开槽中。11、 一种包括权利要求1所述的精密相移发生装置的精密长度测量系统，还包括光源，光学器件，精密温控装置和计算机控制系统，所述精密相移发生装置置于所述精密温控装置内部，所述光学器件包含分光器件，反光镜，分光棱镜和CCD,所述光源发出的激光束由所述分光器件分成两路后，分别经两侧所述反光镜进入分别的所述分光棱镜，所述激光束分别由所述分光棱镜透射后进入所述精密温控装置，射到所述精密相移发生装置的标准板上，再分别由所述标准板分成反射光束和透射光束，所述透射光束经置于所述板反射的反射光束发生干涉；所述精密相移发生装置中的精密压力发生器p对所述精密相移发生装置中的框体的侧壁外侧施加的压力...

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