CN104215181A - 一种消除阿贝误差的大长度激光干涉测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无阿贝误差的激光干涉测长系统。该系统由3路独立的激光干涉测长系统和高精度长导轨构成。利用3路呈任意三角形放置的独立激光测长系统，可以构造一路起点在初始平面内任意位置的等效测量光路，由于其与待测仪器同光路，消除了不满足阿贝原则引起的测量不确定度。该技术原理简单、成本低、操作性强，提高了大长度激光干涉测量系统的精度。

Description

一种消除阿贝误差的大长度激光干涉测量系统

技术领域

本发明涉及一种测试、计量技术领域，特别涉及一维、测量范围几米、几十米的多功能的、消除了阿贝误差的大长度激光干涉测量系统。

背景技术

激光跟踪、激光扫描、雷达扫描及计算机等技术的发展，使得几何量计量技术得到不断的提高，精密测量技术从常规的尺寸不断向宏观尺寸发展；由于大型制造工业发展需求，对大型制造工业的测量提出了更高的要求，为各类不同原理的大尺寸测量系统的应用提供广阔的市场需求。

同时对于大尺寸测量系统的量值溯源测量装置的精度要求越来越高，长达几十米的大型高精度测量装置，一直是计量领域活跃研究的方向。目前，高精度大长度激光干涉测量系统通常采用激光干涉仪与高精度导向导轨相结合来实现对大尺寸的高精度测量，其不确定度主要来源是空气折射率测量误差、阿贝误差、空气扰动不确定度因数。由于其测量范围大的原因，都采用开放式柔性组合系统，通过各部分的最佳集成来控制各部分的不确定度的来源。

高精度大长度激光干涉测量系统必须平衡各不确定度来源大小，来选择测量方式，使其最终的测量不确定度会制约在一定范围内。

为了消除阿贝误差，测量时要求被测光轴和标准光轴在同一直线上，一般同光路和背对背测量方式。

图1是同光路的激光干涉测量系统示意图，如图所示，激光干涉仪1、分束镜2、固定反射镜3、可动反射镜4和被测仪器6设置在光路中。激光干涉仪1发射激光光束，一部分经分束镜2后一束被反射到固定反射镜3作为参考光束，另一束被透射到可动反射镜4，最后这两束光又沿同一轴线射入位于激光干涉仪1内的光电接收器形成测量信号；当可动反射镜在L范围内移动时，通过将测量信号与参考信号进行运算求得运动的位移值。被测仪器的测量原理同上所述。

同光路是激光仪器测量中最理想的方式，不仅消除了阿贝误差，而且由于被测光路和标准光路光程一致性，消除了空气折射率测量误差、空气扰动不确定度因数引入的不确定度主要来源，可大大提高大长度激光干涉测量系统的测量不确定度。

但实际场合中，绝大部分的仪器无法遵循阿贝原则实现同光路检测，一般采用背对背和平行光路的测量方式。

图2是背对背激光干涉测量系统的示意图，如图所示，激光干涉仪1、分束镜2、固定反射镜3、可动反射镜4以及被测仪器6依次设置在光路中，激光干涉仪1与被测仪器6设置在导轨5的两端，激光干涉仪可动反射镜4与被测仪器的可动反射镜4固结安装在一起。激光干涉仪1的测量原理与同光路测量布置时相同；被测仪器测量时，其发射的激光光束经可动反射镜4反射后返回到被测仪器6上，依不同被测仪器的测量算法求得运动的位移值。

采用背对背可消除阿贝误差，然而当测量范围大于30m甚至50m时，若采用背对背测量，由于被测光路和标准光路光程不一致，就存在温度变化状况不一致，空气扰动因素不一致和温度差异，在长达几十米的精密实验室(20℃±0.3℃)，这些因素引起的不确定度通常在5×10^-7～1×10^-6量级，有时由于空气扰动会更大。

图3是平行光路测量的示意图，如图所示，激光干涉仪1、分束镜2、固定反射镜3、可动反射镜4，以及被测仪器6依次设置在光路中，激光干涉仪1与被测仪器6设置在导轨5的一端。激光干涉仪1的测量原理与同光路布置时相同；被测仪器6的测量原理与背对背测量布置时相同。平行光路由于不符合阿贝原则导轨直线度误差引入一次测量误差。这势必需要提高导轨的直线度，但对长30m至100m导轨必须由单根导轨拼接而成。单根导轨的XX、YY两方的直线度可加工至2μm/mm，但对十几个导轨拼接而成的长导轨来说其每米的导轨的直线度会大得多，尤其单根导轨拼接处的直线度会达5μm/mm～10μm/mm，甚至会更大。因此对于平行光路测量方式，会因导轨直线度误差而引入阿贝误差。

高精度大长度激光干涉测量系统要实现多功能测量，满足不同类型的大长度线纹量具及仪器的测量需求，无法都满足阿贝原则，同时由于导轨的加工、拼接、变形等误差因素，其测量不确定度制约在5×10^-7的量级。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在问题，提出一种消除阿贝误差的大长度激光干涉测量系统，来提高大尺寸测量时的测量准确度。本发明的技术方案如下：

本发明一种消除阿贝误差的大长度激光干涉测量系统，包括激光干涉仪、分束镜、反射镜、移动平台和导轨，其中包括3路独立的激光干涉光路，3个光路在空间上形成三棱柱形，被测被测仪器6的光路设置在所述三棱柱形成的区域内，上述每个光路沿光轴方向依次设置激光干涉仪、分束镜、固定反射镜和可动反射镜，其中分束镜和固定反射镜固定安装，可动反射镜设置在移动平台上，移动平台安装在导轨上，激光干涉仪发射激光光束，一部分经分束镜后一束被反射到固定反射镜作为参考光束，另一束被透射到可动反射镜作为测量光束，最后这两束光又沿同一轴线射入位于激光干涉仪内的光电接收器形成测量信号；当可动反射镜移动时，通过将测量信号与参考信号进行运算求得运动的位移值。

本发明一种消除阿贝误差的大长度激光干涉测量系统，其中3个光路形成任意三棱柱形。

本发明一种消除阿贝误差的大长度激光干涉测量系统，其中每个光路包括激光干涉仪、分束镜、反射镜，还包括光接收器、数据处理系统。

本发明一种消除阿贝误差的大长度激光干涉测量系统，其中包括环境参数补偿系统，该系统由40路高精度温度传感器、1路气压传感器、和1路湿度传感器构成。

本发明一种消除阿贝误差的大长度激光干涉测量系统，其中所述导轨为高精度长导轨，其直线度可满足激光干涉仪的测量需求。

本发明一种消除阿贝误差的大长度激光干涉测量方法，其中包括以下步骤：

S1 将3路激光干涉光路以任意三棱柱的形式放置，被测仪器光路设置在所述三棱柱形成的区域内；

S2 测量所述三棱柱端面的三角形的各边边长及被测仪器在全局坐标系下的坐标值；

S3 启动环境参数补偿系统；

S4 在起始测量位置，将3路激光干涉仪与被测仪器的示值清零。

S5 通过移动平台将3路激光干涉仪与被测仪器的可动反射镜移动至目标测量位置，测量各可动反射镜移动的位移值，并通过环境参数测量系统校正3路激光干涉仪与被测仪器的测量值。

S6 将3路激光干涉仪经校正后的测量值与被测仪器在全局坐标系下的坐标代入到本发明提出的算式(4)中：

$l_I^{\′}=l_E+\frac{(l_E-l_F)\·H_z\·a-(l_G-l_F)(H_z\·c\·\cos \mathrm{\β}-H_x\·c\·\sin \mathrm{\β})}{a\·c\·\sin \mathrm{\β}}$

其中l’_I为被测仪器的可移动反射镜4的起始测量位置到移动位置的距离,l_E,,l_F,l_G,，为3个激光干涉仪的可移动反射镜4的起始测量位置到移动位置的距离，H_Z,H_X为被测仪器6的测量轴心的坐标，a,b,c是三棱柱端面的三角形的各边边长，β为所述三角形AB和BC的夹角。

即为在被测仪器安装位置处的消除了阿贝误差的标准值，可用该标准值对被测仪器进行校准。

本发明优点在于：

原理简单、成本低、操作性强，提高了大长度激光干涉测量系统的精度，可适用于机械加工、工业制造和计量科学等行业中相关的测量装置、计量标准装置、校准装置的研制和生产。

附图说明

图1是现有同光路的激光干涉测量系统的示意图。

图2是背对背的激光干涉测量系统的示意图。

图3是平行光路的激光干涉测量系统的示意图。

图4是本发明消除阿贝误差的大长度激光干涉测量系统的各组件空间位置示意图。

图5是本发明消除阿贝误差的大长度激光干涉测量系统的3路独立激光干涉仪中每一路干涉仪的光路示意图。

图6是本发明消除阿贝误差的大长度激光干涉测量系统采用3路独立激光干涉仪消除阿贝误差的原理示意图。

图7是本发明消除阿贝误差的大长度激光干涉测量系统的具体实施方式中实例的环境参数补偿系统的组成示意图。

其中，1-激光干涉仪，2-分束镜，3-固定反射镜，4-可动反射镜，5-导轨，6-被测仪器，7-移动平台

具体实施方式

下面结合附图和实例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图4是本发明消除阿贝误差的大长度激光干涉测量系统的各组件空间位置示意图，包括3个激光干涉仪1以及，3个激光干涉仪可以以任意三角形的形式设置，被测仪器6设置在所述三角形区域内的任意位置。如图5是本发明消除阿贝误差的大长度激光干涉测量系统的3路独立激光干涉仪中每一路干涉仪的光路示意图，沿光轴方向依次设有激光干涉仪1、分束镜2、固定反射镜3，可动反射镜4，其中分束镜2和固定反射镜3固定安装，而可动反射镜4则安装在移动平台7上，移动平台7安装在导轨6上。激光干涉仪1发射激光光束，取小部分作为参考信号，另一部分经分束镜2后一束被反射到固定反射镜3，另一束被透射到可动反射镜4，最后这两束光又沿同一轴线射入位于激光干涉仪1内的光电接收器形成测量信号；当可动反射镜4移动时，通过将测量信号与参考信号进行运算求得运动的位移值。

如图6是本发明消除阿贝误差的大长度激光干涉测量系统采用3路独立激光干涉仪消除阿贝误差的原理示意图。A、B、C分别为光路1、光路2、光路3的起点，ΔABC的边长为a、b、c，β为边AB和BC的夹角。设B点为全局坐标系的原点，以矢量为X轴，矢量为Y轴。3路激光干涉仪1测得其可移动反射镜4从平面E₀F₀G₀至平面E_iF_iG_i的位移值记为l_E、l_F和l_G。被测仪器6测得其可移动反射镜4从起始测量位置至目标测量位置的位移值记为l_I。E₀、F₀、G₀分别为光路1、光路2、光路3对应的可移动反射镜4在起始测量位置的轴心，平面E₀F₀G₀与平面ABC间距为l₀。E_i、F_i、G_i分别为光路1、光路2与光路3对应的可移动反射镜4在目标测量位置的轴心。H为被测仪器6的测量轴心，H点在全局坐标系下的坐标记为(H_x,0,H_z)。I₀为被测仪器6在起始测量位置的轴心，I_i为被测仪器6在目标测量位置的轴心。

由于4个可移动反射镜4均固定在同一刚体上，且3路激光干涉仪1与被测仪器6在测量起始位置处均将示数清零，故E_i、F_i、G_i、I_i等效于安装在同一平面上。若系统存在阿贝误差，将直接导致l_E、l_F和l_G位移值不同，反映为平面E_iF_iG_iI_i与平面ABC平面存在夹角，夹角的大小直接反映了阿贝误差的大小。为消除阿贝误差，可利用3路激光干涉仪构造出一路与被测仪器6同光路的虚拟干涉仪，记该虚拟干涉仪在I₀I_i段测得的位移值为l_I′，l_I′值将通过下述算法给出。由于虚拟干涉仪与被测仪器同光路，故采用l_I′对l_I进行校准，可从原理上避免阿贝误差。

由于ΔABC的边长a、b、c是可提前测得的已知数，故β可由余弦定理求得，如式(1)所示。

$\mathrm{\β}=\arccos \frac{c^2+a^2-b^2}{2\mathrm{ca}}...\left(1\right)$

在测量起始位置，3路激光干涉仪1与被测仪器6的示数被清零后，可记l₀＝0，则E_i点坐标(E_ix,E_iy,E_iz)＝(c·cosβ,l_E,c·sinβ)，F_i点坐标(F_ix,F_iy,F_iz)＝(0,l_F,0)，G_i点坐标(G_ix,G_iy,G_iz)＝(a,l_G,0)；I_i点坐标若以被测仪器6的测量值表示，可记为(I_ix,I_iy,I_iz)＝(H_x,l_I,H_z)，若以虚拟干涉仪的测量值表示，则I_i点坐标可记为(I_ix,I_iy,I_iz)＝(H_x,l_I′,H_z)，其中位移值l_I′是待估计的值。

平面E_iF_iG_i的三点式方程如式(2)所示：

$\left|\begin{array}{ccc}x-E_{\mathrm{ix}}& y-E_{\mathrm{iy}}& z-E_{\mathrm{iz}}\\ F_{\mathrm{ix}}-E_{\mathrm{ix}}& F_{\mathrm{iy}}-E_{\mathrm{iy}}& F_{\mathrm{iz}}-E_{\mathrm{iz}}\\ G_{\mathrm{ix}}-E_{\mathrm{ix}}& G_{\mathrm{iy}}-E_{\mathrm{iy}}& G_{\mathrm{iz}}-E_{\mathrm{iz}}\end{array}\right|=0...\left(2\right)$

由于I_i与平面E_iF_iG_i共面，故其坐标也满足(2)式，将各已知点坐标和I_i点坐标(I_ix,I_iy,I_iz)＝(H_x,l_I′,H_z)代入(1)式，有：

$\left|\begin{array}{ccc}{H}_x-c\·\cos \mathrm{\β}& l_I^{\′}-l_E& H_z-c\·\sin \mathrm{\β}\\ -c\·\cos \mathrm{\β}& l_F-l_E& -c\·\sin \mathrm{\β}\\ a-c\·\cos \mathrm{\β}& l_G-l_E& -c\·\sin \mathrm{\β}\end{array}\right|=0...\left(3\right)$

可解得l_I′为：

$l_I^{\′}=l_E+\frac{(l_E-l_F)\·H_z\·a-(l_G-l_F)(H_z\·c\·\cos \mathrm{\β}-H_x\·c\·\sin \mathrm{\β})}{a\·c\·\sin \mathrm{\β}}...\left(4\right)$

当ΔABC为等边三角形时，l_I′可简化为：

$l_I^{\′}=\frac{3a-3H_x-\sqrt{3}{H}_z}{3a}{l}_G+\frac{3H_x-\sqrt{3}{H}_z}{3a}{l}_F+\frac{2\sqrt{3}{H}_z}{3a}{l}_E...\left(5\right)$

经式(4)或式(5)求得的即为在以被测仪器测量轴心为起点的消除了阿贝误差的标准值，可通过该标准值对被测仪器进行校准。

如图4中。3路独立的激光干涉仪1可以以任意三角形的形式放置，实例中以第4路激光干涉仪作为被测仪器6，被测仪器6设置在上述激光干涉仪形成的三角形的区域内。每一路激光干涉仪的光路均依照图5进行布置，4个可动反射镜均安装在移动平台上，移动平台安装在导轨上。导轨为80米气浮导轨，由20件花岗岩子导轨组成，每件子导轨直线度优于10微米，80米导轨整体直线度优于400微米。移动平台7为气浮移动平台，采用柔性连接和二级传动。40路高精度温度实时测量系统，温度传感器沿80m测量光路均匀布置在光路附近，以消除温度梯度引起的测量误差。步进电机带动摩擦轮驱动移动平台7在80米导轨上运动。通过3路独立的激光干涉仪的测量值，构造一路与被测仪器同光路的虚拟干涉仪，从而在原理是消除阿贝误差。

图6中，A、B、C分别为光路1、光路2、光路3的起点，ΔABC的边长为a、b、c，β为边AB和BC的夹角。设B点为全局坐标系的原点，以矢量为X轴，矢量为Y轴。3路激光干涉仪测得其可移动线性反射镜从平面E₀F₀G₀至平面E_iF_iG_i的位移值记为l_E、l_F和l_G。被测仪器测得其可移动线性反射镜从起始测量位置至目标测量位置的位移值记为l_I。E₀、F₀、G₀分别为光路1、光路2、光路3对应的可移动线性反射镜在起始测量位置的轴心，平面E₀F₀G₀与平面ABC间距为l₀。E_i、F_i、G_i分别为光路1、光路2与光路3对应的可移动线性反射镜在目标测量位置的轴心。H为待测量激光干涉仪的测量轴心，H点在全局坐标系下的坐标记为(H_x,0,H_z)。I₀为待测量激光干涉仪在起始测量位置的轴心，I_i为待测量激光干涉仪在目标测量位置的轴心。

由于4个可移动线性反射镜均固定在同一刚体上，且4路激光干涉仪在测量起始位置处均将示数清零，故E_i、F_i、G_i、I_i等效于安装在同一平面上。若系统存在阿贝误差，将直接导致l_E、l_F和l_G位移值不同，反映为平面E_iF_iG_iI_i与平面ABC平面存在夹角，夹角的大小直接反映了阿贝误差的大小。为消除阿贝误差，可利用3路激光干涉仪构造出一路与被测仪器同光路的虚拟干涉仪，记该虚拟干涉仪在I₀I_i段测得的位移值为l_I′，l_I′值将通过下述算法给出。由于虚拟干涉仪与待测量激光干涉仪同光路，故采用l_I′对l_I进行校准，可从原理上避免阿贝误差。

由于ΔABC的边长a、b、c是可提前测得的已知数，故β可由式(1)所示的余弦定理求得。在测量起始位置，3路激光干涉仪与待测量激光干涉仪的示数被清零后，可记l₀＝0，则E_i点坐标(E_ix,E_iy,E_iz)＝(c·cosβ,l_E,c·sinβ)，F_i点坐标(F_ix,F_iy,F_iz)＝(0,l_F,0)，G_i点坐标(G_ix,G_iy,G_iz)＝(a,l_G,0)；I_i点坐标若以被测仪器的测量值表示，可记为(I_ix,I_iy,I_iz)＝(H_x,l_I,H_z)，若以虚拟仪器的测量值表示，则I_i点坐标可记为(I_ix,I_iy,I_iz)＝(H_x,l_I′,H_z)，其中位移值l_I′是待估计的值。

平面E_iF_iG_i的三点式方程如式(2)所示，由于I_i与平面E_iF_iG_i共面，故其坐标也满足(2)式，且本实例中ΔABC为等边三角形，将各已知点坐标和I_i点坐标(I_ix,I_iy,I_iz)＝(H_x,l_I′,H_z)代入(5)式，即可解得l_I′。

采用上述方法，在沿光轴方向上，依次取一系列目标测量点进行测量，记录4路激光干涉仪测量值l_F,i、l_G,i、l_E,i、l_I,i，并计算各点上的l′_I,i。即可采用l′_I,i值对l_I,i进行校准。

如图7本发明具体实施方式中实例的环境参数补偿系统的组成示意图。在本实例中，实例在地下标准实验室内进行，该标准实验室具备稳定的环境条件及高精度的环境参数测量系统，该系统中还包括测量单元，光接收器，P/T/F测量单元，和数据处理系统。测量单元与激光干涉仪、光接收器和数据处理系统连接，用于对激光干涉仪发出指令并接收激光干涉仪的信号反馈给数据处理系统，光接收器接收测量系统的干涉光信号，将所接收的信号传递给测量单元，P/T/F测量单元用于接收数据处理系统的指令控制承载4个可动反射镜的移动平台的运动。

Claims (8)

1.一种消除阿贝误差的大长度激光干涉测量系统，包括激光干涉仪、分束镜、反射镜、移动平台和导轨，其特征在于包括3路独立的激光干涉光路，3个光路在空间上形成三棱柱形，被测被测仪器6的光路设置在所述三棱柱形成的区域内，上述每个光路沿光轴方向依次设置激光干涉仪、分束镜、固定反射镜和可动反射镜，其中分束镜和固定反射镜固定安装，可动反射镜设置在移动平台上，移动平台安装在导轨上，激光干涉仪发射激光光束，一部分经分束镜后一束被反射到固定反射镜作为参考光束，另一束被透射到可动反射镜作为测量光束，最后这两束光又沿同一轴线射入位于激光干涉仪内的光电接收器形成测量信号；当可动反射镜移动时，通过将测量信号与参考信号进行运算求得运动的位移值。

2.根据权利要求1所述的消除阿贝误差的大长度激光干涉测量系统，其特征在于3个光路形成任意三棱柱形。

3.根据权利要求2所述的消除阿贝误差的大长度激光干涉测量系统，其特征在于每个光路包括激光干涉仪、分束镜、反射镜。

4.根据权利要求1或2或3所述的消除阿贝误差的大长度激光干涉测量系统，其特征在于测量系统包括光接收器、数据处理系统。

5.根据权利要求4的消除阿贝误差的大长度激光干涉测量系统，其中测量系统还包括环境参数补偿系统，该系统由40路高精度温度传感器、1路气压传感器和1路湿度传感器构成。

6.根据权利要求1或3或5所述的消除阿贝误差的大长度激光干涉测量系统，其特征在于所述导轨为高精度长导轨，其直线度可满足激光干涉仪的测量需求。

7.一种消除阿贝误差的大长度激光干涉测量方法，其特征在于包括以下步骤：

S1 将3路激光干涉光路以任意三棱柱的形式放置，被测仪器光路设置在所述三棱柱形成的区域内；

S2 测量所述三棱柱端面的三角形的各边边长及被测仪器在全局坐标系下的坐标值；

S3 启动环境参数补偿系统；

S4 在起始测量位置，将3路激光干涉仪与被测仪器的示值清零。

S5 通过移动平台将3路激光干涉仪与被测仪器的可动反射镜移动至目标测量位置，测量各可动反射镜移动的位移值，并通过环境参数测量系统校正3路激光干涉仪与被测仪器的测量值。

S6 将3路激光干涉仪经校正后的测量值与被测仪器在全局坐标系下的坐标代入到本发明提出的算式(4)中：

$l_I^{\′}=l_E+\frac{(l_E-l_F)\·H_z\·a-(l_G-l_F)(H_z\·c\·\cos \mathrm{\β}-H_x\·c\·\sin \mathrm{\β})}{a\·c\·\sin \mathrm{\β}}$

其中l’_I为被测仪器的可移动反射镜4的起始测量位置到移动位置的距离,l_E,,l_F,l_G,，为3个激光干涉仪的可移动反射镜4的起始测量位置到移动位置的距离，H_Z,H_X为被测仪器6的测量轴心的坐标，a,b,c是三棱柱端面的三角形的各边边长，β为所述三角形AB和BC的夹角。

即为在被测仪器安装位置处的消除了阿贝误差的标准值，可用该标准值对被测仪器进行校准。

8.根据权利要求7的消除阿贝误差的大长度激光干涉测量方法，其中环境参数补偿包括环境温度、气压和湿度参数。