CN85101015A - 重力变形、温度变形、微气象变化补偿方法和补偿机构 - Google Patents

Abstract

本文介绍了在干涉测长中，因重力变形、温度变形、微气象变化而引起的零位漂移的补偿方法和机构。引起零位漂移的三种原因和补偿方法互不相同，但是本发明却把这三种补偿方法统一成一种机构——补偿机构。本发明的宗旨在于：变中求静。用参考棱镜跟踪零位，把零位漂移量以大小相等符号相反的量从参考臂输入干涉仪以达到完全补偿的目的。发明的进一步目的在于：把此种方法应用到非干涉测量的仪器和机床上。

Description

本发明涉及一个用于干涉测长中零位漂移误差的补偿方法及其机构。日本奥林巴斯厂的激光测长机，用自动跟踪的电器处理系统随机修正的方法。而西德leitg公司的比长仪，国内光电比长仪，则用多加一层底座的结构，把干涉仪（18）、参考棱镜（3）与一执行元件（15）放在同一不受重力变形影响的底座上。其原则在于“静中求静”。这种结构很复杂，很重、成本高。

本发明的特征在于“变中求静”。干涉仪、联结参考棱镜（8）与一执行元件（15）的支架（1），安置在受重力变形影响的床身（5）上。并通过结构的适当安排，各环节材料线胀系数的选择，以简单的结构，较少的花费，补长干涉测长中因重力变形、温度变形、微气象条件变化而产生的零位漂移误差，即把三种零位漂移误差的补偿，统一为一种补偿机构。同时减轻了自身的重量。发明的进一步目的在于，把此种方法应用到非干涉测量的仪器和机床上。

权项1及2的特征部分给出的方法与机构特征解决了此任务。

下面通过附图对本发明的方案作详细说明。

图1上半部分为激光测长机在零位时的正视图，下半部分为俯视图。从图中可以看到按权项2实施的补偿机构，此机构是按权项1特征部分给出的方法，对仪器结构进行安排实现的。

图中（5）为床身，可简化为在重力及与重力同方向外力作用下，只产生纯弯变形的简支梁（权项3的特征）。（1）为尾座，参考棱镜与一执行元件（测冒）（15）装在它上面。（14）为工作台，（17）为测量头部件，（18）为干涉仪，这些部件都装在床身（5）上。（权项1    ①的特征）

激光干涉仪的两个臂为图1中（11）、（12），位于同一水平面内。参考臂（12）内设有旋转式双光楔（6），以补偿二棱镜（3）、（4）的加工误差（权项4的特征）。干涉仪的测量臂（11）与仪器测量轴线重合，从而符合阿贝守则。

图1中（8）为分光镜，（7）、（10）为反光镜。在仪器的零位，测量臂自反光镜（7）至测量棱镜（4）的一段与参考臂自反光镜（7）至参考棱镜（3）的一段相互平行，并且几何距离相等。因在同一底座上，所以材料线胀系数相等。测量臂自分光镜（8）至反光镜（10）的一段与参考臂自分光镜（8）至反光镜（7）的一段，几何距离相等。因在同一底座上，所以材料线胀系数相等（权项2、①的特征）。因此测量臂各环节线胀量总和 $\underset{\mathrm{i\; =\; 1}}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}$ α_il_iΔt_i，与参考臂各环节线胀量总和 $\underset{\mathrm{j\; =\; 1}}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}$ α_jl_jΔt_j相等（Δt＝Δt_j＝Δt），即 $\underset{\mathrm{i\; =\; 1}}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}$ α_il_iΔt_i＝ $\underset{\mathrm{j\; =\; 1}}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}$ α_jl_jΔt_j（权项1、3）的特征。式中α为各环节的材料线胀系数，l为各环节长度，Δt为各环节温度变化量，m、n各环节数。

图1中（2）为参考棱镜架，（16）为尾管（测帽架），参考棱镜架（2）与尾管（16）的安装基面，位于垂直于测量轴线的同一平面（C）内。测量棱镜（4）与参考棱镜（3）的安装基面，位于垂直于测量轴线的同一平面（B）内。参考棱镜（2）材料的线胀系数α_参与测量轴线上从（B）面到（C）面之间这段材料的线胀系数α_执与二处温度变化量Δt_参、Δt_执成反比，即： (α_参)/(α_执) ＝ (△t_执)/(△t_参) （权项2、（2）的特征）。

测量棱镜（4）与一执行元件（13）相刚联。执行元件（13）在测长机中为测帽;在线纹尺测量中为刻线本身;在丝杠测量中为螺纹本身。测量棱镜与执行元件（13）要靠近（因结构限制不能完全重合）。参考棱镜（3）与另一执行元件（15）相刚联。另一执行元件（15）在测长机中为另一测帽;在线文尺测量中为光电显微镜;在丝杠测量中为测头。

本发明的效果如下：

在测量过程当中，当测量头部件（17）由零位（起始状态，即图1所示位置）移动到把工件放入的测量状态（终了状态），由于测量头部件（17）的移动、工作台部件（14）的移动，工件的放入，使这些部件作用到底座（5）上力的作用点及力（重力）都发生了变化（工件的放入）。因而导致了底座弯曲变形的变化（相对于起始状态）。这样就产生了尾座上测帽（15）工作面（线、点）（即零位）相对于干涉仪分光镜（8）沿测量线的相对位移：即零位漂移。这一位移直接引入测量误差。由于参考棱镜（3）与另一执行元件、尾座上测帽（15）相刚联，而底座（5）在重力作用下为纯弯变形，所以参考棱镜（3）相对于干涉仪分光镜（8）也有一个与测帽（15）相同的位移。而这一位移是从参考臂输入干涉仪的，所以符号相反。这样，以后者的位移补偿了前者的位移，即用简单机构补偿了因重力变形引起的零位漂移。

干涉仪的两臂安装在金属支架上，由于起始状态与测量状态尽管都是平衡状态，但是平衡温度难以相同，而且各部位的平衡温度由于热惯性的影响也不尽相同。则测量臂就会产生热胀量 $\underset{\mathrm{i\; =\; 1}}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}$ α_il_iΔt_i参考臂就会产生热胀量 $\underset{\mathrm{j\; =\; 1}}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}$ α_il_jΔt_j。要使 $\underset{\mathrm{i\; =\; 1}}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}$ α_il_iΔt_i＝ $\underset{\mathrm{j\; =\; 1}}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}$ α_jl_jΔt_j，零位才不会因温度变形（热变形）而漂移。本结构在零位从分光镜（8）到二反射镜（7）（10）沿光轴的几何距离相等。在同一底座上材料的线胀系数相同，温度变化亦相同（Δt_i＝Δt_j＝Δt）。因此干涉仪两臂在上述各段中的线胀量相同。从参考棱镜（3）的安装基面（13）到其镜架（2）的安装基面（C）的距离l_bc与测量棱镜安装基面（B）到尾座上测帽架（16）的安装基面（C）的距离l_bc相等，但是由于参考棱镜架在底座后上方，一枝突出，又很单薄，热惯性小（热容量小），所以易受周围空气温度变化影响很产生温度波动（变化），即Δt参较大。因此参考棱镜架应用线胀系数较小的材料制成，即使 (α参)/(α执) ＝ (Δt执)/(Δt参) 。这样在基面（B）与基面（C）之间的两段线胀量相等，即α参·Δt参·l_bc＝α执·Δt执·l_bc。综上所述，补偿了因温度变形（热变形）而产生的零位漂移。

由于测量初始状态（零位）与终了状态微气象条件的改变：Δt（温度改变量）、ΔP（气压改变量）、Δf（湿度改变量），会引起空气折射率的改变。因为干涉仪两臂光程相等，所以由Δt、Δp、Δf引起的附加光程也相等，且符号相反，因此补偿了因微气象条件改变而引起的零位漂移。

在本机构的实施一例中， (Δt参)/(Δt执) ＝1.6，参考棱镜架用Ni58的材料制成，其线胀系数为α参＝7·10^-6。测量棱镜架（19）、测帽及测帽架用铬钢制成，其线胀系数为2执＝11·5·10^-6。 (α执)/(α参) ＝1.6。

温度变形补偿结构也可应用到He-Ne激光器（9）的支架上，以稳定腔长。

图2为He-Ne激光器的大致结构及与稳频器的联系。

激光管、谐振腔支承在4根铟钢支架（21）上。铟钢的线胀系数（α＝1.5·10^-6）小，可以减小因温度变形而引起腔长的变化。补偿环（22）的作用在于进一步缩小这种影响以减轻压电陶瓷稳定腔长的负担。当温度升高时，较长的铟钢架（21）会带动谐振腔使之伸长，压电陶瓷（20）和补偿环（22）反而带动谐振腔使之缩短。适当选择补偿环（22）材料的线胀系数和长短，可使谐振腔在温度变化时基本上保持不变。其关系式为：α架·l·Δt架＝α陶·l·Δt陶+α补·l·Δt补。其中α架、α陶、α补分别为铟钢架，压电陶瓷和补偿环材料的线胀系数;L、e、l分别为铟钢架，压电陶瓷、补偿环的长度;Δt架、Δt陶、Δt补，分别为三者温度变化量，Δt架、Δt陶、Δt补，分别为三者温度变化量，Δt架＝Δt陶＝Δt补＝Δt。所以上式简化为：α架·l＝α陶·l′+α补·l。腔长的精确稳定还要靠压电陶瓷的调节作用。在不要精确稳频的情况下，可去掉压电陶瓷及稳频系统，而使激光保持以一个纵模输出。（腔长要小于250毫米）。

实施一例如下：

铟钢架（2）α铟＝1.5·10^-6，长l＝260毫米（从安装基面算起）。压电陶瓷（20）2陶＝9·10^-6，长l′＝25毫米。补偿环（22）α补＝11.5·10^-6，长l＝14.35毫米。α架·l＝1.5·10^-6·260＝3.9·10^-4，α陶·l′+α补·l＝9·10^-6·25+11.5·10^-6·14.35＝3.90025·10^-4。之差为0.025·10^-6Δt＝±10℃腔长变化为±0.25μ，在半腔长0.3μ范围之内。

重力变形与温度变形补偿机构及方法，也可以用在非干涉测量的仪器和机床上。

Claims (5)

1、在干涉测长中，为补偿因床身(5)因重力变形产生的误差，激光比长仪把干涉仪(18)(不包括两个棱镜)与参考棱镜(3)一执行元件(15)安置在不受底座变形影响的基座上，即“静中求静”。本发明的宗旨是“变中求静”，其方法特征在于：

(1)干涉仪(18)、把参考棱镜(3)与一执行元件(15)相刚联的支架(1)，安置在同一底座-床身(5)上。

(2)在零位测量臂(11)的光程与参考臂(12)的光程相等，两臂光路相对于分光镜对称分布。

(3)测量臂各环节线胀量总和 $\underset{\mathrm{i\; =\; 1}}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\alpha }_{i}l{}_i\mathrm{△\; t}{}_i$ 与参考臂各环节线胀量总和 $\underset{\mathrm{j\; =\; 1}}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\alpha }_{j}l{}_j\mathrm{△\; t}{}_j$ 相等。即 $\underset{\mathrm{i\; =\; 1}}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\alpha }_{i}l{}_i\mathrm{△\; t}{}_i=\underset{\mathrm{j\; =\; 1}}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\alpha }_{j}l{}_j{\mathrm{△\; t}}_j$ 。

2、干涉测长中，补偿机构的特征在于：

（1）干涉仪光路各段：从分光镜（8）到二反光镜（7）（10），沿光轴的几何距离相等，因在同一底座上，材料线胀系数相等。从二反光镜（7）（10）到两个棱镜（8）（4）的几何距离相等，因在同一底座上，材料线胀系数相等。

（2）参考棱镜架（2）与一执行元件架（16）的安装基面，位于垂直于测量轴线的同一平面（C）内。测量棱镜的安装基面与参考棱镜的安装基面，位于垂直于测量轴线的同一平面（B）内。参考棱镜架（16）的线胀系数α_参与测量棱镜架（19）、一执行元件、一执行元件（14）及架（16）的材料线胀系数α_执和二处温度变化量Δt_参、Δt_执，成反比，即： (α_参)/(α_执) ＝ (△t_执)/(△t_参) 。

3、补偿机构按权项2，其特征在于：床身为一在重力及与重力同方向外力作用下，只产生纯弯变形的简支梁。

4、补偿机构按权项2，参考臂内设旋转式双光楔（6）。

5、补偿机构按权项2，温度补偿机构应用到稳定He-Ne激光器腔长上，其特征在于：支架（21）长度L和补偿环（20）（22）长度l，与二者线胀系数α_架、α_补成反比，即： (L)/(l) = (α_补)/(α_架) 。

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