光干涉测量几何长度的不确定度研究

张彤琛，冯潇，王铁良，杨栋

摘要：不确定度是计量学中的一个非常重要的概念，它的定义是用来表征合理地赋予被测量之值的分散性，与测得值相联系的参数。我们都知道，测量必然存在误差，因此就不难理解不确定度是用来表示所给出的测得值的可靠程度，是体现测得值水平的一个重要指标。同一个参量，实验室所给出的不确定度越小，表明测得值越接近真值，实验室的测量水平和质量越高。随着科学技术的进步，测量水平越来越高，市场上出现的测量仪器也越来越精密，对测量的要求也越来越高，促使计量工作者对不确定度的理解和应用不得不加以重视。

关键词：光干涉测量；几何长度；不确定度

引言

因为激光具备高度单色性、高强度以及及高方向性等优势，所以在当前市场中推广的多类激光干涉仪可以与反射镜、折射镜等积极配合来测量平行度、垂直度以及速度等信息，既属于精度测量工具，又属于测量仪器的校正仪器。

1激光干涉仪的基本原理

激光干涉仪实际工作的过程，激光器发出的激光通过分光镜形成两束光，一束直接照射到固定反射镜上出现参考光束，一束直接射到移动反射镜中产生测量光束，随后通过分光镜汇合后干涉。若两束光相位相反，出现暗条纹；若相位相同则出现明条纹。测量光路长度出现改变后，干涉光束的相对相位出现改变，将反射镜每移动一个波长的距离即会产生一个明–暗–明的光强度循环，依靠公式进行计算能够准确测量移动，从而了解机床的位置精度。对数控机床直线运动精度进行检测的过程中，把移动反射镜固定于机床导轨上并和导轨同时运动，对回转运动精度进行检测的过程中，角度反射镜相对角度干涉镜的旋转会导致两束光的光程出现变化，从而计算得到被测角度值。具体的检测步骤如下：（1）对激光器系统进行设置以做好线性测量准备；（2）确保激光束和机床的运动轴保持准直；（3）启动自动环境补偿功能同时保证在软件中输入准确的材料膨胀系数；（4）对机床线性误差实施测量和记录；（5）对采集的数据信息实施综合分析。

2 单双频激光干涉仪的概述

2.1单双频激光干涉仪

经过激光器发射出来的光束，在扩束准直以后，将会从分光镜处变成两路，而后会根据固定与可动的反射镜回到分光镜中，并由此得到干涉条纹。在可动反射镜发生位移的情况下，干涉条纹的光度强度变化将会结合接收器当中的光电转换元件和电子线路等转变成电脉冲信号，而后再利用整形与扩大，输入可逆计算器，并由此得到总脉冲数。同时，再利用电子计算机按照规定公示分析就能得到可动反射镜的位移数量。需要注意的是，在利用这类激光干涉仪进行操作时，必须要保障周边大气一直在稳定状态中，原因在于空气当中任何湍流变化都会导致直流点平发生改变，以此影响最终的测量结果。

2.2双频激光干涉仪

通过在氦氖激光器中添加一个大约为0.03特斯拉的转向磁场，受塞曼分裂和频率牵引所影响，激光器将会出现1到2个完全不同频率的左右旋圆偏振光。在经过1/4波片之后，将会得到两个彼此垂直的线偏振光，在经过分光镜后将会得到两个不同的路径：一方面偏振片将会成为包含频率为f1-f2的参考光束；另一方面则会又分成两条路径，前者为只包含f1的光束，而后者为只包含f2的光束。此时，△f代表可动反射镜在移动条件下受多普勒效应影响获取的附加频率，而正负号则代表移动方向。这一条路径上的光束和经过固定反射镜反射回来只包含f1的光束，将会在经过偏振片后整合成为f1-(f2±Δf）的测量光束。而其和参考光束可以在彼此的光电转换元件、整形器和放大器的影响后，经过减法器进行相减，最终可以得到只包含±Δf的电脉冲信号。在可动反射镜移动的状态下，只包含f2的光束可以在经过可动反射镜后，变成包含f2±△f的新光束。在可逆计数器之后，将会利用电子计算机实施换算，并由此的大可动反射镜的位移变化量。这类设备仪器主要利用频率变化来检测位移数量，且信息出现在f1和f2的频率差上，而因光度强度变化而引起的直流电平变化来说，并不是很敏感，且拥有极强的抗干扰性。因此，在当前市场应用中，主要用来检测加工中心、三坐标测量机等方面的坐标精度，也可以利用相关附件，实施平面度、直线度等方面的测量。

3 对比分析

从本质上讲，这种将激光波长看作已知条件，并运用迈克尔逊干涉系统实施位移测量的设备工具在当前系统工作中占据重要地位。结合上文对单频与双频激光干涉仪的概念分析可知，前者最早出现在上世纪六十年代中期，初期主要用来检测基准线纹尺，随着技术的不断发展才被运用到计量室当中作为通用长度测量工具。而后者最早出现在上世纪七十年代，主要用于车间工作。需要注意的是，不管哪种类型的激光干涉仪，在工作状态下都要保障温度在20℃，大气压力是101325帕，相对湿度为59%，CO2含量是0.03%，这样能从基础上提升实践测量精度。

结合具体案例分析可知，单频类的激光干涉仪最大的问题在于会受环境所影响。如果测量条件非常恶劣，且距离过长，那么这一问题将会表现的更加突出。出现这一现象的原因在于，这类设备仪器属于直流测量系统，其在工作状态下必然具备直流光平和电平零漂的问题。尤其是在可动反射镜发生位移的情况下，光电接收器将会发布信号，此时信号若是多过计数器的触发电平，那么就会被正常记录下来。但若是激光束的强度发生改变，那么很可能光电信号会小于计数器的触发电平，最终导致其难以正常计数工作。在这一过程中，导致激光器强度或干涉信号强度发生改变的根本原因在于空气当中存在湍流，抑或是切削屑过多或机床存在油雾灯，都会让光束发生位移，抑或是波面产生扭曲。而这种没有规律的变化很难利用触发电平的自动调整功能进行有效处理，因此最终限制了这类激光干涉仪的应用与研究范围。而随着近年来科研项目的增加，科研学者发现可以利用交流测量系统取代传统直流测量系统，这样能从基础上控制单频类激光干涉仪在工作中发生不必要的改变。

由此对比分析双频类激光干涉仪可知，其在工作中可以很好克服这一缺陷，原因在于其是以单频类为依据研发出的全新外差式干涉仪。结合实践案例分析，双频类激光干涉仪会运用波长作标准，对被检测长度实施度量。由此可知，在利用双频类激光干涉仪进行测量精度的工作时，可以利用倍数过大的交流放大器扩大获取的干涉信号，这样就算光强降低了90%，但依旧能得到适宜的信号。根据这一特征分析，双频类能在具有极强防震性、恒温性以及恒湿性的环境下正常检测刻尺、量块灯内容；也能在普通车间标定大型的机床刻度；抑或是精密测量手表零件等小型工件。除此之外，也可以利用双频激光干涉仪在特殊条件下，如半导体、计算机等实施光刻技术或间距测量等工作。

结语

综上所述，激光干涉仪作为测量精度的重要工具，不管是单频还是双频都具有独特的应用优势，且在不同条件下占据重要地位。因此，在实践测量中，工作人员要根据不同条件需要选择适宜的仪器设备，只有这样才能确保测量精度达到预期标准。

参考文献

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[2]刘海超,郭峰,黄柏林.润滑油膜光干涉测量系统与技术研究进展[J].润滑与密封.2016,(6).