雷尼紹XL-80激（jī）光幹涉儀為線紋尺測量係統提供精準可靠的（de）位置補償解決方案
2019-6-20 來源： 雷尼紹 作者：-
全自動線（xiàn）紋尺檢測設備
線紋（wén）尺 (Line scale) 一（yī）般由玻璃製（zhì）成，表（biǎo）麵上準確地刻有等間距平行線，通常配置（zhì）在比（bǐ）長儀、顯微鏡、測量儀器等長度測量設備上，作為測量（liàng）距離和行程精度的重要參考基準。測量線紋尺上的刻度距離需要高精度儀（yí）器，測量分辨率往往要求達到納米級，任何（hé）微小的環境因（yīn）素所造成的誤差都會影響測量結果（guǒ）的準確性。附屬於（yú）香港特別（bié）行（háng）政區政府創新科技署的標（biāo）準及校正實驗（yàn）所 (SCL) 設計（jì）並製造了一台全新線紋尺（chǐ）測量係統，其采用雷尼紹XL-80激光幹（gàn）涉儀補（bǔ）償測量過程中因測量機台（tái）架設位置偏移所導致的誤（wù）差。
案例分析： 雷尼紹XL-80 係列激光幹涉儀
香（xiāng）港特別行（háng）政區政府創（chuàng）新科技署轄下的標準及（jí）校正實驗所負責製定和維護香港地區的（de）物理測量（liàng）參考標準，並為本地（dì）的測量標準（zhǔn）及測（cè）量儀器使用者提供（gòng）校正服務，以（yǐ）確（què）保其準確執行測量（liàng）工（gōng）作（zuò），且能正確溯（sù）源至（zhì）相關標準。除此之外，標準及校正實驗所還為檢測及認證行業實驗室（shì）提供能力驗證服務，以證明（míng）他們具備相應的技（jì）術能（néng）力。
線紋尺（chǐ）測量係統的工（gōng）作原理和結（jié）構
測量（liàng）線紋尺上的刻（kè）度精（jīng）度簡單來說就是測量被測線與參考線（一般（bān）是零位）之間的距離，結合影像分析和激光補償技術，係統可計算並調整數據（線紋）讀取（qǔ）位置，從而減少阿貝誤差 (Abbe error)。不過在實際操作中，該係統往往需要將（jiāng）更多實（shí）際環境因素（sù）以及其他不確定性計算在內，因此在設計時（shí）必須有效地對各種環境和（hé）人（rén）為因素所引起（qǐ）的誤差進行補償。SCL所研（yán）發的線（xiàn）紋尺測量係統（tǒng）主要由（yóu）光學防震平台（tái）、移動平台、攝像頭、顯微鏡、像素計算程序、光學鏡組（包括分光鏡、反射鏡）及雷尼紹激光幹涉儀（yí）組成。線紋尺的長度測量範圍（wéi）為0.01 mm到750 mm，而係（xì）統（tǒng）的測量不確定度僅為0.15 - 0.41 nm。
案（àn）例分（fèn）析： 條紋尺（chǐ）測量（liàng）平台
線紋尺測量（liàng）係統配置了一台雷尼紹XL-80激光幹涉儀，用於對係統中出現的阿貝誤差進行補（bǔ）償。係統中的移動平台采用以壓電電機驅動的空（kōng）氣軸承平（píng）台，全長800 mm行程的直線度為0.9 um，重複精度達20 nm；最大扭擺、俯仰和滾擺角誤差分別為（wéi）+/-0.5角秒。由於SCL位於大廈的35層，風和道路交通引起的振動會影響測量精確度，因此必須將係統放置在光學防震平台（tái）上。在環境補償方麵，係統配置了空（kōng）氣（qì）壓力、空氣溫度、材料溫度和濕度傳感器。被測線紋尺（chǐ）放置（zhì）在以光學（xué）平台為基體的固定式獨立測量平台上，而攝像頭和顯微鏡則架設在可移動龍（lóng）門式平台上，目的是協助係統準確定位線紋的位置。因為每（měi）條線紋都有一定的寬度，以線紋（wén）的中心線（xiàn）作為其位置可提升整體測量精度。換句話說，借助影像技術，係統可找出（chū）線紋的中心線並（bìng）定義為線紋最終位置。
執行測量時，移動平台根據係統發（fā）出的信號移動並停留在（zài）被測線（xiàn）紋的默認位置。停頓（dùn）後，激光幹涉儀讀（dú）取位置數據，同時攝像頭拍攝目標線紋的影像進行分析（xī），得出當前位置（以像素值顯示與零位的（de）距離）並與實際計算距離進行（háng）比對（duì），係統根據差值指示（shì）移（yí）動平台進行（háng）位置微調。幹（gàn）涉（shè）儀再次讀取位置數據。整個（gè）程序需要重複多次直到差值在特定像素值範圍內，從而得出（chū）最終的線紋位置。
XL-80在（zài）係統中的應用
阿貝誤差簡單來說就是測（cè）量軸與被測工件運動軸之間的偏移所產生的誤差，我們日常所用的遊標卡尺是典型（xíng）例子之一。在使用遊標卡尺進行測量時，夾住被（bèi）測物的兩個端點與測量軸之間一定會出現偏移情況，從而產生誤差。對於千分表來說，由於測量軸和被測（cè）工件的軸在同一條線上，因此阿貝誤差為零。
案例分析： 條紋尺測量係統
雷尼紹XL-80激光幹涉儀在係統中所扮演的角色是補（bǔ）償測量係統中的誤差（chà），無論是移動平台的直（zhí）線度、線紋尺的放置位置，還是反射鏡的位置等，在架設時都難免（miǎn）會存（cún）在角度偏（piān）擺，導致在測量時出現所謂的阿貝誤差。係統在設計上使用激（jī）光幹（gàn）涉儀（yí），以對稱形式在移動平（píng）台兩邊的軸上進行測量，任何因（yīn）角（jiǎo）度偏移所導致的（de）阿貝誤差值改（gǎi）變都會被（bèi）另一邊軸的激光所補償。而幹涉（shè）儀的架設采用了典型的線性測量配（pèi）置，激光束通過分光鏡S分（fèn）成兩路（lù），一路形成參考光束（shù）經轉向鏡T及反射鏡R回到激光源探測器，另（lìng）一路則通過轉向鏡T1、T2、T3及反（fǎn）射鏡R形成（chéng）長度變化的測量光束。另外，XL-80幹涉儀在測量過程中也補償（cháng）了因環境造成的潛在誤差，其內置的壓力和濕度傳感器精度分別達1 mbar和6% RH，外置的材料和空氣傳感器精度分別（bié）達0.1和0.2度。數據顯示，在幹涉儀的幫助下，係統整體減少約95%的阿貝誤差。
案例分析： 條紋尺運動平台（tái）
選擇合適的激光幹（gàn）涉儀（yí）
就激光幹涉儀而言，線性（xìng）測量的精度不僅與激光頻率的穩定性（xìng）有關，同時也取決於激光波長的已知精度（dù）。而在實（shí）際（jì）應用環境中，激光束通過空氣時，空氣折射率往往（wǎng）會對激光波長產生影響，由於折射率隨著空氣（非真空環境）的溫度、氣壓和濕度而變化，因此必須對激光波長進行補償以（yǐ）降低最終的測量誤差。補償器通過傳感器測量工作環境的各個參數（shù），自動計（jì）算這些參數對空氣（qì）折射率的（de）影響（xiǎng），並調（diào）整激光（guāng）讀數以補償激（jī）光波長的變化，無需（xū）用戶幹預和經常對補償進行更新。
雷尼紹XL-80激光幹涉儀是目前市場上真正快速、精確、便攜的校準（zhǔn）係統。精確穩（wěn）定的激光源和準確的XC-80環境補償器，保證了±0.5 ppm（在空氣（qì）環境中（zhōng））的線性測量精度。係統以高達50 kHz的頻率（lǜ）讀取數據，最高線性測量速度可（kě）達4 m/s，即使在最高速度下（xià）線（xiàn）性分（fèn）辨率仍可（kě）達1 nm。所有測量選項（xiàng）（不僅是（shì）線性）均采用幹涉法測（cè）量，確保所記錄數據的精度。XL-80配備先進（jìn）、易用的人性化操作軟件，為用戶提供最全麵（miàn）的機器校準方案。
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