激光干涉儀使用方法

1、用激光干涉儀系統(tǒng)進行精確的線性測量最佳操作及實踐經(jīng)驗1 簡介 本文描述的最佳操作步驟及實踐經(jīng)驗主要針對使用激光干涉儀校準(zhǔn)機床如車床、銑床以及 坐標(biāo)測量機的線性精度。但是，文中描述的一般原則適用于所有情況。與激光測量方法相 關(guān)的其它項目，如角度、平面度、直線度和平行度測量不包括在內(nèi)，用于實現(xiàn) 0.1 微米即 0.1 ppm 以下的短距離精度測量的特殊方法（如真空操作）也不包括在內(nèi)。 微米是極小的距離測量單位。（ 1 微米比一根頭發(fā)的 1/25 還細。由于太細，所以肉眼無 法看到，接近于傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的極限值）?？蓪崿F(xiàn)微米級及更高分辨率的數(shù)顯表的廣泛 使用，為用戶提供了令人滿意的測量精度。盡管測量

2、值在小數(shù)點后有很多位數(shù)，但并不表 明都很精確。（在許多情況下精度比顯示的分辨率低 10-100 倍）。實現(xiàn) 1 微米的測量分 辨率很容易，但要得到 1 微米的測量精度需要特別注意一些細節(jié)。本文描述了可用于提高 激光干涉儀測量精度的方法。2 光學(xué)鏡組的位置 光學(xué)鏡的安放應(yīng)保證其間距變化能夠精確地反映待校準(zhǔn)機器部件的線性運動，并且不受其 它誤差的影響。方法如下：2.1 使 Abbe （阿貝）偏置誤差降至最低 激光測量光束應(yīng)當(dāng)與需要校準(zhǔn)的準(zhǔn)線重合（或盡量靠近）。例如，要校準(zhǔn)車床Z 軸的線性定位精度，應(yīng)當(dāng)對測量激光光束進行準(zhǔn)直，使之靠近主軸中心線。（這樣可以極大降低機 床俯仰 （pitch） 或扭擺

3、（yaw） 誤差對線性精度校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的影響。2.2 將光學(xué)鏡組固定牢靠 要盡量減小振動影響并提高測量穩(wěn)定性，光學(xué)鏡組應(yīng)牢牢固定所需的測量點上。安裝支柱 應(yīng)盡可能短，所有其它緊固件的橫截面都應(yīng)盡量牢固。磁力表座應(yīng)直接夾到機床鑄件上。 避免將其夾到橫截面較薄的機器防護罩或外蓋上。確保緊固件表面平坦并沒有油污和灰 塵。2.3 將光學(xué)鏡組直接固定在相關(guān)的點上 材料膨脹補償通常只應(yīng)用在與測量激光距離等長的材料路徑長度上。如果測量回路還包括 附加的結(jié)構(gòu)，該 “材料死程 ”的任何熱膨脹或收縮或因承載而發(fā)生的偏斜都將導(dǎo)致測量誤 差。為盡量減少此類誤差，最好將光學(xué)鏡組直接固定到所需的測量點上。在機床校準(zhǔn)中， 一個

4、光學(xué)鏡通常固定在工件夾具上，而另一個光學(xué)鏡組則固定在刀具夾具上。激光測量將 會精確地反映刀具和工件之間發(fā)生的誤差。 即使機器防護系統(tǒng)和機器蓋導(dǎo)致難于接近，也 一定要盡量將干涉鏡和角錐反射鏡都固定到機器上。不要將一個光學(xué)鏡安裝在機器內(nèi)部而 另一個安裝在外部如支在機器外地面的三腳架上，因為整臺機器在地基上的移動可能導(dǎo)致 校準(zhǔn)無效。然而，是否拆下導(dǎo)軌防護罩時需仔細考慮，因為這可能改變機器性能。2.4 使干涉鏡保持靜止不動 在安放激光頭和光學(xué)鏡的位置時，盡量使干涉鏡在測量時處于靜止?fàn)顟B(tài)。這樣可以避免由 于移動干涉鏡可能使光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)而出現(xiàn)的誤差。2.5 光學(xué)鏡應(yīng)在運動軸的一端盡可能靠近 調(diào)整光學(xué)鏡組的

5、位置，使干涉鏡和角錐反射鏡在運動軸的一端靠近。這樣調(diào)光更容易，并 極大降低空氣死程（見下文）。2.6 避免局部熱源 避免使光學(xué)鏡組或激光束靠近任何局部熱源。熱源可能造成光學(xué)鏡組膨脹或激光光束中出 現(xiàn)空氣擾動。2.7 使用轉(zhuǎn)向鏡 在某些復(fù)雜的設(shè)定中，用轉(zhuǎn)向鏡將激光光束發(fā)送到需要的位置。確保位于激光頭和干涉鏡 之間的所有光學(xué)鏡只將光束轉(zhuǎn)向平行軸或垂直軸，以避免干擾激光光束的偏振狀態(tài)。還要 確保任何位于測量光路上的光學(xué)鏡都安裝牢固，以避免出現(xiàn)測量誤差。3 光束準(zhǔn)直 為了盡可能減低余弦誤差，必須將激光測量光束調(diào)整為與運動軸平行。在長于 1 米的軸 上，通過肉眼就比較容易實現(xiàn)。對于較短的軸難度會相應(yīng)增大

6、。要將余弦誤差降到0.5 ppm 以下，需要將光束準(zhǔn)直到 1 毫米 /米以下?？刹捎孟率龇椒▋?yōu)化準(zhǔn)直光路，并使 余弦誤差降至最低：3.1 將干涉鏡放置于測量位置進行準(zhǔn)直 將干涉鏡放置于測量位置進行準(zhǔn)直。這樣在準(zhǔn)直光路時可以確保照顧到干涉鏡引起的任何 光束偏轉(zhuǎn)。它的另一個優(yōu)勢是可以通過系統(tǒng)光強顯示器顯示不同光強來協(xié)助準(zhǔn)直過程。3.2 先使光學(xué)鏡組彼此靠近 如果首先將干涉鏡和角錐反射鏡放到軸的一端比較靠近的位置，準(zhǔn)直會更容易。這樣就可 通過肉眼使光學(xué)鏡組外殼的外表面準(zhǔn)直，然后開始精確的激光光束準(zhǔn)直。余下的準(zhǔn)直工作 僅需調(diào)整激光頭。3.3 不要完全依賴光強讀數(shù) 不要以為在整個軸行程上光強保持不變就意

7、味著準(zhǔn)直已臻完美。大多數(shù)光強顯示器的靈敏 度和分辨率不足以保證短軸的精確準(zhǔn)直。3.4 再次檢查激光頭處的準(zhǔn)直情況 檢查移動角錐反射鏡處的準(zhǔn)直情況后，再次檢查激光頭處返回光束(的準(zhǔn)直情況)。任何 光束的光路未準(zhǔn)直誤差所造成的影響都在激光頭處加倍，因此比較容易檢測到。另外還可 以核實返回到激光頭上參考光束和測量光束間的重合程度。3.5 使用小直徑輸出光束 如果激光頭有一個允許選擇小直徑輸出光束的光閘，則應(yīng)利用它進行短軸準(zhǔn)直。光束的直 徑越小，越容易發(fā)現(xiàn)任何光路未準(zhǔn)直的情況。另外一個優(yōu)勢是把光強降到低于 100% ，因 此更容易發(fā)現(xiàn)光強變化。3.6 實現(xiàn)最大激光測量讀數(shù) 如果激光測量存在余弦誤差，激

8、光讀數(shù)將比應(yīng)有讀數(shù)小。因此，在短軸上消除余弦誤差是 行得通的，方法是：仔細調(diào)整激光頭的俯仰和扭擺，直到獲得最大激光讀數(shù)。具體步驟如 下：a) 通過肉眼沿運動軸準(zhǔn)直光束。b) 移動軸，使光學(xué)鏡組之間間隔最近，并將激光讀數(shù)清零。c) 移動軸，使光學(xué)鏡組之間間隔最遠。d) 仔細調(diào)整激光頭的俯仰和扭擺，以獲得最大(絕對)激光測量值。 注：此步驟要求精細操作，但會非常有效。如果激光頭放在三腳架上，可能需要做一系列 的精細調(diào)整，做完每次調(diào)整需要將手從三腳架調(diào)節(jié)螺釘上拿開，然后觀察對激光讀數(shù)的影 響。也可能需要平移激光頭以保持準(zhǔn)直。最好重復(fù)以上步驟，確認(rèn)已經(jīng)準(zhǔn)直。在此過程 中，也可能需要選擇激光讀數(shù)的最高分

9、辨率，并將 “平均”設(shè)定為 “開”。3.7 使用激光準(zhǔn)直傳感器 激光準(zhǔn)直傳感器可用于檢查光束準(zhǔn)直。有各種類型的適用傳感器，包括四象限光敏元件 （“Quad cell ）”、位置傳感器（ PSD ）、光電耦合器件或 CCD 攝像頭。一定要確保與光 束直徑、波長和功率相適應(yīng)。還要注意干涉鏡上的散射光束反射和環(huán)境光散射的影響。3.8 自動反射法如果機器軸很短并且已知有平面與運動軸正好垂直或平行（在 0.05 之內(nèi)），則自動反射 法很有用。具體步驟如下：a）通過肉眼沿運動軸檢查光束準(zhǔn)直。b）將鋼質(zhì)塊規(guī)放到激光光束路徑上（在干涉鏡之后）并緊靠一個或多個平面上。c）調(diào)整激光頭進行俯仰和扭擺準(zhǔn)直，使塊規(guī)表面

10、反射的光束回到激光頭的輸出光孔中。 當(dāng)激光頭與干涉鏡相隔一定的距離時，這種方法尤其有效。3.9 使干涉鏡滾擺、俯仰和扭擺誤差降至最低 大多數(shù)干涉鏡包含極化分光面，必須根據(jù)激光光束狀態(tài)精確準(zhǔn)直。如果準(zhǔn)直不正確，信號 之間可能出現(xiàn)混淆。這可能導(dǎo)致精度降低，并可能因光束被阻擋而導(dǎo)致檢測失敗。一般說 來，在滾擺、俯仰和扭擺方向上，最好使干涉鏡的準(zhǔn)直角度小于2。這通?？梢酝ㄟ^目測完成，不過使用上述的自動反射法也很有效。詳情請參閱激光系統(tǒng)手冊。要檢驗干涉鏡 準(zhǔn)直是否令人滿意，值得進行這樣一項測試，即阻擋干涉鏡和角錐反射鏡之間的光束，確 認(rèn)系統(tǒng)顯示 “光束阻擋錯誤 ”標(biāo)記。4 波長補償 激光速度和波長取決于

11、光束經(jīng)過的空氣的折射率?？諝庹凵渎手饕S氣溫、壓力和相對濕 度的變化而變化。如果不對波長的變化進行補償，激光線性測量誤差可能達到 50 ppm 。 測量俯仰、扭擺或直線度時，通常不使用補償。4.1 使用波長補償 若不使用波長補償，在大氣中采用激光干涉法進行線性距離測量不會準(zhǔn)確。即使在溫控室 內(nèi)，日常的空氣壓力變化也可能使波長變化達 20 ppm 以上。大多數(shù)激光系統(tǒng)，或提供手 動或提供自動的補償功能，取決于其不同制造商，該功能叫作 “環(huán)境、波長或 VOL （光 速）補償 ”。要在大氣中用激光干涉儀實現(xiàn)精確的線性測量，必須使用此功能。4.2 自動波長補償 大部分激光系統(tǒng)使用傳感器測量氣溫、氣壓和

12、濕度，然后通過埃德倫公式計算空氣的折射 率（及激光波長）。有些激光系統(tǒng)使用空氣折射計直接測量折射率。這樣，激光讀數(shù)自動 得到調(diào)整，對激光波長的任何變化進行補償。自動系統(tǒng)的優(yōu)點是無需用戶干預(yù)而且經(jīng)常進 行補償更新。4.3 手動波長補償 在手動補償中，使用者從各個儀器上讀取空氣溫度、壓力和濕度數(shù)值，然后用鍵盤或控制 開關(guān)將這些值手工輸入激光校準(zhǔn)軟件中。然后系統(tǒng)開始進行補償。由于系統(tǒng)為手動操作， 一般情況下經(jīng)常進行補償更新是不切實際的。4.4 選擇手動傳感器 如果要手動進行補償，必須選擇具有適當(dāng)測量精度的環(huán)境傳感器。要確保每一個傳感器的 波長補償誤差都小于 0.5 ppm ，推薦使用表 1中所列的傳

13、感器精度。傳感器推薦的精度空氣壓力 1.5 mBar ( 1 mm Hg)空氣溫度 0.5 C ( 1 F)空氣濕度 20% RH表1注： 補償所需的氣壓值并非氣象學(xué)家所指的海平面壓力，而是在當(dāng)前海拔高度上的實際壓力。 如果壓力取自普通氣壓計或當(dāng)?shù)靥鞖鈭蟾?，必須修正至?dāng)?shù)睾０胃叨取＃ㄔ?0-1000 米 內(nèi)，氣壓大約下降 0.115 毫巴 /米）。溫傳感器元件應(yīng)具有較低熱質(zhì)，確保對氣溫變化迅速做出反應(yīng)。 濕度變化對激光測量幾乎沒有影響（尤其氣溫較低時）。在某些情況下，可能不需要傳感 器，手工估計可能足以滿足需要。4.5 自動補償與手動補償間的對比 如果校準(zhǔn)環(huán)境的空氣條件很可能在測試過程中發(fā)生變

14、化，我們強烈建議進行自動補償。如 果可以快速校準(zhǔn)或在溫控室內(nèi)進行校準(zhǔn)，手動補償是可以接受的。4.6 空氣傳感器的放置位置 對于精確的波長補償，空氣傳感器（或折射儀）必須放在靠近激光光束的位置。通常空氣 溫度傳感器（或折射儀）大致處于運動軸的中間位置即可。壓力傳感器和濕度傳感器的位 置不那么重要。避免把傳感器安裝在局部熱源例如電機或冷氣流附近。在測量長軸時，應(yīng) 檢查是否存在氣溫梯度的情況。如果沿軸方向的氣溫變化超過1C，應(yīng)使用風(fēng)扇使空氣流通。（測量長垂直軸尤其應(yīng)該注意，因為在這種情況下更可能存在氣溫梯度）。在校準(zhǔn)長 度超過 10 米的垂直軸時，我們也建議將壓力傳感器放在運動軸的中間位置。請遵照制

15、造 商針對傳感器方向給出的建議。（某些傳感器可能包含有源電子裝置，使用時某個方向必 須朝上，以確保電子裝置產(chǎn)生的熱量不影響讀數(shù)）。避免讓傳感器信號導(dǎo)線靠近大的電子 干擾源，例如高功率電機或直線電機。5 材料熱膨脹補償 材料熱膨脹補償不當(dāng)是導(dǎo)致在非溫控環(huán)境中激光距離測量誤差的主要原因之一。這是因為 與空氣折射誤差和準(zhǔn)直誤差有關(guān)的因數(shù)相比，普通工程材料的膨脹系數(shù)所帶來的誤差相對 較大。因此了解材料膨脹及其補償?shù)脑矸浅Ｖ匾?.1 什么是熱膨脹補償 校準(zhǔn)行業(yè)使用的國際基準(zhǔn)溫度是 20C （68F） 。在理想環(huán)境下，所有機器均在此溫度下校 準(zhǔn)和使用。然而，大多數(shù)機器都放置在普通車間環(huán)境（無法進行精確

16、的溫度控制），因此 校準(zhǔn)通常在其它溫度下進行。由于大多數(shù)機器會隨溫度而膨脹或收縮，因此可能導(dǎo)致校準(zhǔn) 為避免此類校準(zhǔn)誤差，被稱為熱膨脹補償或 “歸一化 ”的數(shù)學(xué)修正值被應(yīng)用到線性激光校準(zhǔn) 讀數(shù)中。這個修正值的目的是假定在 20C （68 F） 溫度下進行機器校準(zhǔn)時能得到預(yù)期的激 光校準(zhǔn)結(jié)果。 注：此補償結(jié)果必須視為一個預(yù)估值，因為最終精度高度依賴對材料熱膨脹系數(shù)和機器溫 度的了解程度。5.2 什么是材料熱膨脹系數(shù) 大多數(shù)材料隨溫度變化而膨脹或收縮的量很小。因此，熱膨脹系數(shù)的單位通常為百萬分之 一/ 攝氏度或華氏度（ ppm/C 或 ppm/F）。這些系數(shù)指定了溫度上升或下降1 度時材料的膨脹或收

17、縮量。例如，假定熱膨脹系數(shù)為 +11 ppm/C。這意味著材料溫度每上升 1 攝氏度，材料將膨脹 11 ppm ， 相 當(dāng) 于 每 米 材 料 膨 脹 11 微 米 ， 或 者 每 英 寸 材 料 膨 脹 11 微 英 寸 （0.000011 ）。5.3 應(yīng)使用什么膨脹系數(shù) 在用激光進行線性精度校準(zhǔn)過程中，一定要特別注意使用正確的膨脹系數(shù)。在大多數(shù)情況 下，可使用該軸反饋系統(tǒng)的膨脹系數(shù)。在每次校準(zhǔn)開始前，一定要確保選擇了正確的系 數(shù)。表 2 列出了制造機床及其位置反饋系統(tǒng)所用的不同材料的典型膨脹系數(shù)。材料應(yīng)用膨脹系數(shù)ppm/ Fppm/ C鐵/鋼機器結(jié)構(gòu)組件、機架和小齒輪驅(qū)動、滾珠螺桿6.51

18、1.7鋁合金輕型坐標(biāo)測量機 (CMM) 的結(jié)構(gòu)1222玻璃玻璃直線光柵611花崗巖機器結(jié)構(gòu)和工作臺4.58混凝土機器地基612因鋼低膨脹光柵 /結(jié)構(gòu)12Zerodur 零膨脹 微晶玻璃“零 ”膨脹光柵 /結(jié)構(gòu)0.10.2表2注： 因為材料膨脹系數(shù)會隨材料成分和不同處理方式而變化，這些值僅供參考， 并且應(yīng)當(dāng)只在不知道制造商所用資料的情況下使用。注：1. 在確定膨脹系數(shù)時，對于兩種膨脹系數(shù)不同的材料固定在一起的地方要特別注意。例如，對于機架 和小齒輪反饋系統(tǒng)，膨脹系數(shù)可能更接近于固定在機架上的鑄鐵軌。對于帶有地板安裝式軌道的大 型龍門機床，軌道的膨脹系數(shù)可能因混凝土地基的限制作用而降低。2. 材料

19、膨脹系數(shù)因材料成分和熱處理方式的不同而各異。因此通常要獲得高精確值很困難。然而，校 準(zhǔn)環(huán)境的溫度離 20C 越遠，此系數(shù)的精度就越重要。要盡可能降低這些誤差，請嘗試找出正確的 膨脹系數(shù)。如有可能，在接近 20C 的溫度下校準(zhǔn)。3. 如果一臺機床總是加工膨脹系數(shù)與反饋系統(tǒng)相差很大的工件材料，例如鋁合金、碳合成材料、陶瓷 等，使用工件的膨脹系數(shù)可能比使用機床反饋系統(tǒng)的膨脹系數(shù)更合適。(盡管此校準(zhǔn)不能代表機床 在 20C 下的性能，但是當(dāng)工件返回到 20C 時測量時能夠提高工件精度)。5.4 選擇材料傳感器 材料傳感器需要的精度取決于相關(guān)材料的熱膨脹系數(shù)以及歸一化所需要的精度。但是，一 般說來，建議

20、材料溫度傳感器精度為0.1C (0.2 F) 或更高。5.5 安裝材料傳感器 在激光校準(zhǔn)過程中材料傳感器放置在機床的什么位置一直是個爭議頗多的話題。 首先要確定進行材料膨脹補償?shù)闹饕繕?biāo)。它通常是以下四個可能目標(biāo)中的一個。 目標(biāo) 1 按國家或國際機器驗收標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進行校準(zhǔn)。目標(biāo) 2 估計在 20C 環(huán)境溫度下操作機器時可獲得的線性定位精度。這通常是機器制 造、簽核、調(diào)試或重新校準(zhǔn)時的目標(biāo)，在很大程度上與“目標(biāo) 1”相同。目標(biāo) 3 估計機器反饋系統(tǒng)處于 20C (68 F) 環(huán)境溫度時，機器反饋系統(tǒng)可能達到的線 性定位精度。這對診斷反饋系統(tǒng)故障很有用。目標(biāo) 4 估計當(dāng)機器制造的工件返回 20C 環(huán)

21、境下進行檢測時的工件精度。這對在非溫控 車間制造精密有色金屬零件尤其重要，因為機器反饋和工件膨脹系數(shù)相差很大。 這些目標(biāo)之間通常有很大差異，尤其是在機器運行期間(例如滾珠絲杠)機器位置反饋系 統(tǒng)變熱的情況下，或者在工件膨脹系數(shù)與位置反饋系統(tǒng)膨脹系數(shù)相差明顯的情況下，例如 鋁工件和玻璃直線光柵的膨脹系數(shù)相差非常大。正確的材料熱膨脹修正值是決定激光校準(zhǔn) 有效性的最重要因素之一。因此，正確理解此處所述的目標(biāo)和方法非常關(guān)鍵。以下描述了 針對上述不同目標(biāo)所應(yīng)采取的相應(yīng)措施。目標(biāo) 1 按照國家或國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定校準(zhǔn)機器的精度。應(yīng)該遵照標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的步驟。這應(yīng) 當(dāng)包括放置材料傳感器的位置、需使用的膨脹系數(shù)和要執(zhí)行

22、的機器預(yù)熱循環(huán)等。如果標(biāo)準(zhǔn) 中還規(guī)定了熱漂移測試，它也應(yīng)包括在內(nèi)。目標(biāo) 2 預(yù)測機床在 20C 環(huán)境溫度下運行時的精度。要實現(xiàn)這一目標(biāo)，材料溫度傳感器 應(yīng)放置在機床工作臺上或其它 不 靠近熱源（例如電機、齒輪箱等）的機器大結(jié)構(gòu)部件上。 材料膨脹系數(shù)應(yīng)設(shè)為與反饋系統(tǒng)的相同。注：通常有一種誤解，認(rèn)為一定要將材料傳感器放在滾珠絲杠或反饋系統(tǒng)上。但情況未必 總是如此，如下舉例說明。假定機器校準(zhǔn)時的車間溫度是25C，由于機器運行產(chǎn)生的熱量，滾珠絲杠的溫度將提高5C ，即達到 30C。如果材料傳感器放置（或緊靠）在滾珠絲杠上，將對激光讀數(shù)進行 補償，以預(yù)測滾珠絲杠在20C 下運行時可能得到的激光讀數(shù)。但是

23、，如果機器是在20C 環(huán)境下運行，則滾珠絲杠的溫度將不是20C 。螺桿和電機運行產(chǎn)生的熱量仍然存在，因此滾珠絲杠的溫度仍將比周圍溫度高 5C （25 C）。因此，材料傳感器放在滾珠絲杠 上將導(dǎo)致過度補償。比較理想的方法是，將傳感器放在機器的大部件上，以提供與過去幾 個小時內(nèi)機器平均環(huán)境溫度相關(guān)的溫度讀數(shù)。目標(biāo) 3 估計機器反饋系統(tǒng)在 20C 溫度下運行時的精度。此程序常用作診斷用途。機器 校準(zhǔn)可能無法達到目標(biāo) 1 或 2，那么現(xiàn)在需要檢查反饋系統(tǒng)在 20C 時的精度。要實現(xiàn)此 目標(biāo)，應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)直激光光束，使之盡量靠近反饋系統(tǒng)的軸（以盡量降低Abb 偏置誤差）。材料溫度傳感器應(yīng)當(dāng)放在（或緊靠）反饋系

24、統(tǒng)上，膨脹系數(shù)應(yīng)當(dāng)設(shè)定為與反饋系統(tǒng)的一 樣。目標(biāo) 4 在精確到 20C 的環(huán)境溫度下制造有色金屬零件。材料熱膨脹系數(shù)應(yīng)當(dāng)設(shè)定為與 工件的一樣。材料溫度傳感器應(yīng)當(dāng)放在能夠測量到類似工件預(yù)期溫度的位置上。（這個位 置通常是在機床工作臺上，但是還需要考慮其它因素，例如所使用的冷卻系統(tǒng)類型和金屬 切削速度。）還應(yīng)注意的是，要在典型條件下進行此類校準(zhǔn)，而且只有在溫度和各個工件 的膨脹系數(shù)相對穩(wěn)定的情況下才真正有效。其它注意事項一定要保證材料溫度傳感器與被測材料之間具有良好的熱接觸。 如果氣溫與機器溫度有明顯差異，很可能材料的表面溫度與中心溫度也有明顯差異。在此 情況下，應(yīng)當(dāng)仔細安排材料溫度傳感器的位置，

25、使其能夠測量中心溫度。在操作過程中機 床的溫度通常會升高。建議您在開始校準(zhǔn)前執(zhí)行移動的預(yù)熱步驟，以使校準(zhǔn)中包括這種影 響。6 空氣擾動6.1 確認(rèn)空氣擾動 當(dāng)在正常車間環(huán)境中測量超常距離、角度或直線度時，激光讀數(shù)中可能有明顯的不穩(wěn)定 量。如果這種不穩(wěn)定性表現(xiàn)為激光讀數(shù)非常慢的隨機“跳動 ”，則可能是激光光束正在受到空氣擾動的影響。如果這種不穩(wěn)定性只表現(xiàn)為讀數(shù)的高頻率“閃爍 ”，則更有可能是機械振動（見下一節(jié)）對測量造成了影響。還有一種方法可確認(rèn)存在擾動或振動，就是利用激光系統(tǒng)的“動態(tài) ”測量功能（如有的話）記錄幾分鐘內(nèi)高頻率 （1000 Hz） 下的激光讀數(shù)。機械振動通常顯示為介于 1 100

26、0 循環(huán)/ 秒之間的一兩個明確定義的頻率。另一方面，空氣擾動不會正常顯示任何明確定義的頻 率，但顯示為讀數(shù)中的隨機波動，頻率從 1-0.001 個循環(huán) / 秒。6.2 空氣擾動為何造成激光讀數(shù)的不穩(wěn)定性 移動的暖氣團和冷氣團會造成空氣擾動。當(dāng)這些暖氣團和冷氣團移動通過測量激光光束， 氣團中的激光波長也隨之變化。假設(shè)從激光光束中冒出一個暖氣團 “氣泡 ”。如果這個氣泡 的溫度比周圍空氣高 0.1 C，寬 1 米，將會導(dǎo)致線性激光讀數(shù)變化大約0.1 微米。（請注意：如果此時激光系統(tǒng)正在測量長距離直線度，那么直線度讀數(shù)變化將會因為激光讀數(shù)經(jīng) 處理后計算直線度的方式而高出 100 倍）。這些氣溫波動通

27、常太快或太局限于特定區(qū)域而 無法被空氣折射補償系統(tǒng)檢測到。6.3 如何降低空氣擾動的影響 在均勻溫度下在非常靜止的空氣中（此時沒有擾動），或空氣劇烈攪動時或通過風(fēng)扇循環(huán) 時非常適合進行干涉測量法。（干涉測量的最差條件介于這兩種大暖氣團和冷氣團可以慢 慢漂移進及漂移出激光光束的極端條件之間）。因此，要提高激光讀數(shù)的穩(wěn)定性，最好將 環(huán)境修改為接近任一個極端條件。 實現(xiàn)靜止空氣的方法包括關(guān)門、關(guān)窗、關(guān)閉電扇和加熱器以及把激光光束封入塞子、管道 或?qū)Ч苤?。在短的測量距離上容易獲得靜止、均勻溫度的空氣，而在長距離上則可能不切 實際。 通過把電扇放在測量路徑上可獲得攪動空氣。此方法有兩種實現(xiàn)方式。首先，空

28、氣攪動會 將暖氣和冷氣混合到一起，減小氣團大小和溫度變化。第二，這些氣團由于體積變小而且 移動更快，因此穿過激光光束的速度加快了。這兩種影響降低了振幅，提高了激光讀數(shù)種 任何變化的頻率，因此可以更有效地使用讀數(shù)平均功能。為了實現(xiàn)最佳測量結(jié)果，選擇激 光系統(tǒng)讀數(shù)上可用的最長期平均（濾波），或在每一個目標(biāo)位置上執(zhí)行多次測量。 避免使激光光束經(jīng)過任何熱源如加熱器或電機之上。從這些熱源發(fā)出的熱氣可能導(dǎo)致激光 讀數(shù)發(fā)生劇烈變化，甚至可能導(dǎo)致光束嚴(yán)重偏離，使光強消失。當(dāng)進行短距離線性測量（ 1 米）時，空氣折射計也可能提高度數(shù)穩(wěn)定性。這是因為某些 空氣折射計可以快速補償空氣折射誤差。只有在暖氣團或冷氣團同

29、時穿過折射計樣品腔和 激光測量光束時這種方法才會有效。折射計應(yīng)盡量靠近激光光束的測量路徑。遺憾的是， 折射計在較長距離上優(yōu)勢甚微，不適用于角度和直線度測量，在這種情況下空氣擾動影響 通常很難解決。7 其它誤差源 下節(jié)中描述了其它幾種可能降低激光測量精度的誤差源。7.1 機械振動 如果有機械振動，無論是源自機器自身，還是相鄰機器或交通，或光學(xué)鏡組安裝很差，激 光讀數(shù)均可能會表現(xiàn)為不穩(wěn)定和不可重復(fù)。要確定此類振動源，用系統(tǒng)的 “動態(tài)測量 ”功能 （如有的話）記錄高頻率 （1000 Hz） 下的激光讀數(shù)可能會有用。 如果有振動，使用激光上的平均或濾波讀數(shù)模式通常會穩(wěn)定讀數(shù)。不過，應(yīng)謹(jǐn)慎使用平均 功能

30、，因為它可能隱藏振動對機器精度和重復(fù)精度的影響，并對機床性能作出錯誤評價。 如果振動源自機器內(nèi)部或在機床運行時出現(xiàn)，可能導(dǎo)致表面光潔度差或觸發(fā)式測頭的測量 重復(fù)性誤差。7.2 熱漂移及機械爬行 如果激光光學(xué)鏡組剛裝配并安裝到機器上，或從一個環(huán)境移動到另一個環(huán)境，最好稍等片 刻使其穩(wěn)定下來。要求的時間長度因環(huán)境和測量精度要求而異。可能需要數(shù)小時光學(xué)鏡組 及其安裝件才能適應(yīng)幾攝氏度的溫度變化，每一度的溫度變化可能造成約 1 微米的移動。 請勿將鎖緊螺釘和螺栓擰得過緊。過度的壓力可能導(dǎo)致螺紋塑性變形，而且當(dāng)壓力緩慢釋 放時出現(xiàn)讀數(shù)的漂移。7.3 精密測量場合不適合有人在場！ 遺憾的是，在校準(zhǔn)環(huán)境下即使只有一位操作人員在場也會影響測量精度。 人體是熱源。為獲得最精確的測量結(jié)果，處理測量光學(xué)鏡組時應(yīng)戴棉手套或使用布，而且 在校準(zhǔn)過程中不要對著光學(xué)鏡組或激光光束呼吸。 人員在場或移動可能導(dǎo)致空氣擾動和噪音。避免在測量光束附近走動，走動時動作要輕， 不要用力關(guān)門等。 在小的溫控室內(nèi)，現(xiàn)場人太多可能導(dǎo)致溫度上升。（在極惡劣條件下這可能提高二氧化碳 濃度，進而改變空氣折射率）。7.4 溶劑洗凈劑 高濃度溶劑蒸氣可能會略微改變空氣折射率。測量前從被清潔表面蒸發(fā)的溶劑可能導(dǎo)致局 部冷卻和熱收縮。8 校準(zhǔn)步驟 下節(jié)介紹了與校準(zhǔn)程序包含步驟相關(guān)的若干指導(dǎo)原則，以期實