东莞仪器检测校准计量中心——ISO/UL/3C/CQC/CE验厂证书

随着科学技术的发展，对计量技术的要求越来越高，尤其是当代宇航和天文等*技术的发展，要求计量向纳米技术发展，纳米计量和技术成为目前各学科必须解决的问题。因此国内外仪器计量部门都在研究和生产各种纳米级准确度的计量仪器，并探讨其和校正方法，以满足科学技术发展的需要。近几年来，世界各国相继研制*了各种纳米量级的测微仪，它们包括激光干涉仪、电容测微仪和电感测微仪，这些测微仪虽然已经在许多学科及部门得到了广泛应用，有的测微仪的准确度到底如何?就目前的方法是无法进行测定的。另外，还有一些微位移进给器件，例如压电陶瓷等，虽然应用范围很广，但其非线性和位移准确度如何?有时也没有可靠的检测手段。

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一、基于有基准的仪器校正技术

有基准方法是传统的对比仪器校正，此方法在仪器计量部门对各种新设备的、旧设备的校正以及各个学科的实际工程技术测量中都得到了广泛的应用。

有基准仪器校正法的基本原理是：对于任何被测量新的或在用过程中的检测设备，为了确定其测量结果的可靠性，通常采用比被测量准确度更高等级的检测设备，准确地其在测量范围内的测量准确度、分辨力、稳定性等性能指标。从该方法的原理看出，对于长度计量的位移传感器的仪器校正技术，必须解决两个关键性问题：一是具有更高等级准确度、更高分辨力的测微系统；二是能够提供足够小的达到测微系统分辨力的微位移机构。只有满足了上述两个条件，才能真正对测微系统的分辨力、准确度、稳定性等性能指标给予的评价。对于具有有效测量面积位移传感器的测微系统，采用这种原理进行的方法主要有以下几种：

1、小角度检查仪(正弦尺)方法

用小角度检查仪和标准量块对精密电容测微仪的方法是80年代末期，仪器计量部门针对具有有效测量面积的电容和电感测微仪而制定的一种方法，其具体的工作原理如图1-1所示。

 

在小角度检查仪左、右两端的指示计安装架中，分别装上接触式光干涉仪，并将事先经过调整或加工的孔距为50±0.02mm的夹具，装在接触式干涉仪上。在夹具左端的孔中装上被测微仪的传感器，经调整，使传感器测头轴心线端点与接触式干涉仪测头顶点在同一条直线上，且和桥形工作台纵向对称中线相重合，安装结果如图1-1所示。shitongyiqi654321小角度检查仪经过上述调整，构成了50：500即1:10的杠杆机构，借助框式水准器，调整桥形工作台使其台面基本水平。根据被测微仪的实际情况确定受检点的数值，以此为依据选用相应尺寸和等级的量块，如量程为±10mm的精密电容式测微仪时，则选用1，1.005和1.010mm的量块。仪器检测校准计量为使接触式干涉仪定位可靠，再选用一块不低于5等的1mm量块。

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分别将两块lm量块，椎入接触式干涉仪测头下面对零，将作为电容传感器测量极板的标准量块推入被传感器测头的下面，上下移动传感器测头调整好初始间隙，将电容式测微仪的输出显示调整到零。然后在小角度仪的右端推入1.005mm量块，换掉其接触式干涉仪下面l哪的量块，同时用右端的升降机构调整桥形工作台，使接触式干涉仪重新指示为零，这时读取电容测微仪的显示值。用同样方法，推入1.010mm的量块更换掉干涉仪下面1.005mm的量块，以10mm的受检点。这样我们对精密电容测微仪的正量程就完成了。这时用1．010mm的量块对电容测微仪进行调零，采用1.005mm和1m的量块分别电容测微仪-5mm和-10mm的受检点。通过上述两个步骤可对被检测微仪完成一次。当然对于被的测微系统的准确度和测量范围的不同，其受检的点数和受检的范围也各不相同，但其的方法完全一样。各受检点的测得值与受检点的标称值之*差值，即测量范围内的示值误差，其误差不得过测微系统的允许值。采用此方法也可以对同等准确度的激光干涉仪或同等准确度的其它计量器具进行。

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从上面的论述可以看出，采用这种装置和方法对被检测微系统的，其的准确度不仅取决于量块的精度等级，而且与小角度检查仪两端的干涉仪的准确度、小角度检查仪右端的升降机构的调整精度都密切相关。用这种方法的测微系统的精度*可达0.02um，完全可以满足许多测微系统的要求，但对精密测微系统采用此方法进行，其精度很难满足测微系统精度的需要。

 

2、杠杆式比例斜面位移放大机构方法

随着精密测微系统研制和其在计量生产各部门的广泛应用，对这些测微系统的问题显得愈来愈尖锐。因此仪器计量部门对其也进行了研究，在九十年代初期推出了杠杆式斜块测微仪器，其具体的工作原理如图1—2所示。首先将精密测微系统的传感器，根据其测量范围和分辨力装入器的支架孔中，按照杠杆原理以一定的比例缩小被检测微系统的位移量，以便提高的准确度。调整被检传感器的安装位置，使精密测微仪的示值在测量范围的下限，待测微仪示值稳定后即可记下测微仪的读数，作为被检测微仪的受检起始点。根据被检精密测微系统的测量范围和分辨力确定其受检点数和受检数值，以此为依据单向微动器上的微位移微分筒，并观察微分筒鼓轮上的读数到达第二个受检点位置，待测微仪示值稳定后记录其示值；依此类推，对其它受检进行检测实现对测微仪的全量程。各受检点的测得值与受检点标称值的比例缩小值之间的*差值，即为测微系统在测量范围内的示值误差，其误差不得过其系统的允许值。

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另外，在杠杆式斜块测微仪器上还可以测微仪的分辨力。根据测微仪的分辨力指标将传感器安装到器的支架孔中，调整传感器位置使其示值在测量范围中间位置，单向微动器的微分筒，待受检测微仪的示值稳定后，在器的微分筒鼓轮上读数。继续单向微动器微分筒，同时观察测微仪的示值变化。当刚使测微仪的示值发生变化时，再次在器微分筒鼓轮上读数。两次读数之差，即为精密测微系统的分辨力。

从杠杆式斜块测微仪器的工作原理可以看出，其的准确度，不但与器上微位移微分筒的度有关，而且杠杆位移缩小的比例、杠杆刚度、杠杆支点的刚度等因素将直接影响其的准确度。

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3、纳米激光偏振干涉仪方法

在八十年代末九十年代初，由于高精度轴系和精密微位移测量的要求已越来越高，仪器检测校准计量国内对分辨力达0.01um的各类微位移测量仪的应用己日趋普遍。

为了解决这类测微仪的需要，北京航天部*计量测试研究所和上海机床厂磨床研究所，相继研制出纳米级激光偏振干涉仪和0.001微米位移比对仪，其*分辨力达到0.1纳米、准确度达到3纳米。并在此基础上研制了相应的装置，其工作原理如图1—3所示。

由图可知，该装置由干涉仪主体部件、角度测量部件、微位移部件三个主要部分组成，具体工作原理如下：

 

1)干涉系统是干涉仪的主体组成部件，在过程中产生干涉条纹。其具体工作原理是：当可动镜6(如图1—3)位移入/2时，偏振光的偏振面旋转1800的转角，此时干涉条纹的明暗变化一个周期，利用此关系可对干涉条纹进行细分。得到很高的分辨率。

 

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2)角度测量部件(由图1—3中的9、10、11、12组成)的工作原理如图1-4所示，是细分干涉条纹的机构，其中1、3、4、5、7、8组成测角系统，2、6、9组成寻找偏振面系统。当可动镜位移时。干涉条纹发生明暗变化，可用检偏器2随光栅盘后的位置，从而测出偏振面旋转角所转过的角度，由可逆记数器输出位移量。

 

3)微位移部件是装置不可缺少的组成部分，其工作原理如图1-5所示。它是可动镜产生位移的驱动机构，可动镜1(图1-3中的6)安装在片簧导轨2上，镜框后面安装了被检传感器5(图1-3中的7)和电致伸缩器4，当用连续可调直流电源给其施加电压时，即可使可动镜产生位移，同时在干涉仪和被检传感器上可把位移量显示出来，实现的目的。

 

用该仪器进行检测时，首先将仪器调整到正常工作状态，将被检传感器安装在被系统中(如图1-3中7的位置)，调整连续可调直流电源给电致伸缩器施加电压，可动镜产生位移，通过调整主机上检偏器的位置，寻找偏振面的旋转角度，仪器检测校准计量由可逆记数器(如图1—3中8)显示可动镜的位移量，与此同时被检传感器也检测出了可动镜的位移量，两者之间的*差值即为的示值误差。

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上述分析可以看出，采用这种方法对精密测微仪进行时，具有许多优点：①直接采用激光(6328埃)光波作基准与被测量进行比较，消除了传动链长、接触刚性差等传递误差，大大提高了的准确度；②基准测微仪利用偏振光干涉法，因而可以利用测角仪测量偏振面的旋转角得到干涉条纹的小数，使其分辨力大大提高；⑧利用该装置还可以对同等准确度的其它传感器以及压电陶瓷微位移驱动器的非线性等进行，如果对工作台和导轨稍加改进，还可以扩大其应用范围，充分发挥其作用。