定距角锥棱镜长度标准器校准技术的应用研究

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2024年1月下 第02期 总第422期
工艺设计改造及检测检修
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0 引言
现阶段，激光跟踪仪校准多采用角锥棱镜基准尺完成，分别瞄准基准尺两侧的角锥棱镜，对两个光学顶点的空间坐标进行测量，得到两点间的直线距离，将其与标准值进行对比，达到跟踪仪校准目标。

国内对上述研究较少，通常利用坐标测量机探头对角锥棱镜外球面开展多点探测，将探测点位拟合成球体，评价两个球心间距，确定球杆长度。

但上述方式容易受角锥棱镜加工影响出现偏差，使两个中心难以重合，降低基准尺精准度。

因此，在
校准期间应直接瞄准光学顶点，获得空间位置，使基准尺精度得到切实保障。

1 定距角锥棱镜长度标准器的构成
定距角锥棱镜长度标准器采用两个相隔一定距离的角锥棱镜光学顶点，将其作为标准距离的长度标准器，适用
于精密测量领域，比如激光跟踪仪，可使几何测量精度得到进一步提升。

角锥长度标准器结构图如图1所示，图中1是标准球杆，2为瞄准装置，3和4分别代表立柱与导轨基座，5代表激光干涉测长装置，6为反射镜，7和
10分别代表Z 方向与X 方向的调整机构，8和9分别表示滑台、气足，11为丝杠螺母，12为丝杠，13、14、15分别为联轴器、电机固定座以及运动电机，16为激光测距模块。

从整体来看，可将上述部件划分为3个部分，具体如下。

（1）光学中心瞄准模块。

该模块适用于角锥标准器两
侧棱镜光学中心的瞄准，顺着相同光路分别摆放激光测距模块、分光镜、角锥镜，测距模块用于发射测量管，并检测与角锥镜光学中心的距离。

（2）激光干涉测长气浮台。

其采用高精度燕尾型气浮
导轨，将其作为直线运动机构，与激光干涉测长模块相配合，使测量偏差得到有效纠正，促进角锥长度测量准确度的提升。

（3）移动滑台。

其作用在于瞄准角锥标准器一侧的光
学顶点，读取初始数据，使瞄准装置对准角锥标准器的另一侧光学顶点，读取最终数据，二者之差为被检球杆长度值[1]。

图1 角锥长度标准器结构图
2 定距角锥棱镜的瞄准方法
2.1 光学中心瞄准
由激光测距模块发送激光，对角锥棱镜顶点进行测
量，激光穿越分光棱镜后被一分为二，一部分顺着X 轴传
播，成为校准光，另一部分顺着Z 轴传播，成为测量光。

正式瞄准前，先对检测装置自身进行校准，将1#吸光片放在分光镜、角棱镜之间，用于吸取测量光，经过校准后，穿越分光棱镜，进入位置敏感器件，记录光斑中心坐标，将其作为参考点进行装置自动校准。

将2#吸光片放在分光镜与参考镜之间，将1#吸光片拿开，此时校准
光被吸收，测量光经过角锥镜反射后，顺着Z 轴方向传播，再经过分光镜反射后，进入敏感器件，此时记录坐标点位，与参考坐标对比，如若不同，则要调整角锥棱镜在x-y 平面中的位置，直至二者坐标相同，完成光学中心瞄准目标。

2.2 光学顶点瞄准
在瞄准期间，将角锥棱镜放在反射镜位置，若光斑中
心与参考坐标相同，说明已经瞄准光学顶点，如图2所
示；如若坐标不同，说明没有瞄准，这时应调节三维平
台，使坐标重合，达到光学顶点瞄准目标。

采用激光测距
收稿日期：2023-07-03
作者简介：李振宇（1972—），男，工程师，研究方向：热电、医疗、长度等计量。

定距角锥棱镜长度标准器校准技术的应用研究
李振宇
（忻州市综合检验检测中心，山西忻州 034000）
摘 要：本文针对定距角锥棱镜长度标准器的校准问题进行研究，阐述该装置的构成，提出一种光学顶点直接瞄准与快速装调的
方案，并与激光干涉测长装置搭配使用。

经实践检验，该装置可实现光学顶点、中心的迅速瞄准与定位，使角锥长度标准器更加精准可靠，快速准确地完成瞄准与校准，且结果精准可靠。

关键词：角锥棱镜；激光干涉测长；直接瞄准；校准技术
中图分类号：TH74
文献标识码：A
文章编号：1671-2064(2024)02-0091-03
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装置，准确测量角锥棱镜顶点间的距离，获得空间坐标。

启动测距模块后，发出的测量光经过分光镜后分成两部分，一部分顺着反射光路进入第二反射镜，再次反射后穿越第一分光面，顺着透射光路进入敏感器件，将该光斑点位记录下来，可作为参考坐标；另一部分顺着透射光路进入角锥棱镜，通过调整位置，使反射后的测量光经过第二分光面，顺着光路进入敏感器件，此时记录角锥棱镜的空
间坐标，与参考坐标对比，确定光学顶点空间坐标[2]。

图2 光线瞄准光学顶点示意图
在相对测量手段应用中，器件自身误差不会对测量精
度产生干扰。

因支路反射镜需要调整，由此产生角度误
差，可用∆θ表示，公式如下。

f
x
∆=∆θ （1）式中，∆θ代表的是角度误差；∆x 代表的是CCD 光斑质心提取误差；
f 代表的是成像镜头焦距，可根据实际情况尽量选择焦距较长的镜头，由此控制误差。

2.3 快速调整机构
部分瞄准装置的元件存在装调困难的情况，可采用长
焦距相机、光电自准直仪的相对位置调整法，避免分光棱镜产生误差带来的不良影响，使装调效率和精准度得到进一步提升。

因此，设计了快速调整机构，由图像探测器、光电自准直仪、平面反射镜、成像镜头等构成，先将光电自准直仪放在激光测距模块的相同侧，并使光束传递方向与分光镜垂直，穿越棱镜中心。

在分光镜与校准支路反射镜间设置吸收片，自准仪发射的测量光穿越分光棱镜后，进入反射镜，再次反射后分成两道光束，一道经过分光镜，进入自准仪，该仪器便可测量出返回光与射出光间的夹角；另一道经过分光镜后，进入成像镜头，由图像探测器接收。

激光测距模块点位不变，将图像探测器替换成位置敏感期间，使其与测量光束为90°，记录此时元件上光斑中心坐标，即参考坐标，由此完成光学顶点瞄准装调任务。

在其他元件位置固定情况下，将光电自准仪换成激光测距模块，该模块可发射准直激光，穿越分光棱镜，进入支路反射镜，经过反射后进入图像探测器内。

通过变换
该模块的出射线角度，使探测器接收光斑与以往十字丝位置重叠。

对支路反射镜的位置、角度进行灵活调整，直至
自准仪两侧角度均归零，此时检测光与反射镜的表面垂直度，经过反射后，按照原路返回。

将吸光片安装在分光镜与支路反射镜中间，重复上述操作，改变反射镜位置，详细记录图像探测器中十字丝点位，并由自准仪传递[3]。

3 角锥棱镜长度标准器校准装置的构建与应用
3.1 激光干涉测长原理
在角锥长度标准器中，激光干涉测长装置属于重要部
分，由环境测量系统、计算机、耦合光路等构成，以激光
干涉仪为核心，利用环境测量系统实时监测环境变化，对激光波长进行修正，并发挥计算机测量软件的作用，在长度测量期间实时处理数据，测长原理的基本公式如下。

c n N L 1
2⋅⋅=λ （2）
式中，L 代表的是测量长度；
N 代表的是细分计数值；λ代表的是激光真空波长；n 代表的是空气折射率；C 为
细分倍率。

激光光束经过准直、扩束，直径明显增加，可减少光束发散产生的位置偏差。

将干涉测量棱镜放在上床身，
参考镜放在下床身，二者对称放置，测量线位于测量轴线
延长方向，与阿贝原则相符，确保各支撑点垂直方向均处于相同直线，预防滑板移动导致重心偏移、床身变形。

3.2 关键技术在干涉测量装置使用中，常常受到自身环境振动或者
外界因素影响，使测量精度不够准确。

与长仪整体结构设计相比，干涉测量选用平稳液压驱动法完成，包括气浮、液动两个系统，具体如下。

（1）气浮系统。

该系统由空气弹簧支撑、水泥隔振基
础、管路阀门、平台姿态控制驱动系统、计算机软件等构成，主体为T 型结构，长宽尺寸为10m×2m，采用3点支撑方式，左右两端分别由两个气路组成，后方4个为一组，由4个气路并联的空气弹簧构成。

在平台运行期间，平台垂直方向的主频率为1.35Hz，阻尼比为0.06。

因选用空气弹簧气动支撑，与以往系统相比，刚度和固有频率较低，且抗震性能更强。

（2）液动系统。

该系统的作用在于测量滑板的运动控
制，运动平稳性对干涉长度测量精度具有直接影响。

以气液为动力的控制系统尽管结构较为复杂，但具有缓冲隔振的
优势，可使滑板运动更加平稳，加上非电机驱动，基本无热量产生，可使干涉测量环境温度变化幅度得到良好控制。

（3）误差补偿。

在环境参量监测中，测长装置一般
在19～21℃环境下开展。

为避免室内温度变化导致气流扰动，创建专门的保温室，使温度波动范围控制在±0.02℃/h。

在室内安装多个测温传感器，对湿度、CO 2含量等进行综合监测，利用Edlen 公式计算空气折射率，使激光干涉测长结果更加准确可靠。

另外，还要注重导轨直线度对测长精度产生的影响，采用精度较高的自准仪实
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时检测，将每次获得的测量值进行详细记录，包括轨道在水平、垂直两个方向的偏摆值，再按照偏摆曲线偏离情况，对测量结果进行校正，补偿直线度误差，使测长精度得以提升[4]。

3.3 多功能干涉测长实现
3.3.1 刻线间距测量
一般情况下，该装置测量对象为高精度线纹尺，采用光电显微镜瞄准，显微镜物与可线面成像清晰面重合，且位于测量棱镜的棱尖延长方向，符合阿贝原则。

尽管测量滑板运动的最大限度为1.25m，但因选用间距为1.1m的两个光电显微镜同步瞄准，刻线间距提升为2m。

针对1m 内刻线尺间距进行精度试验，根据数据可知，在对高精度线纹尺测量中，基准装置单次最佳瞄准精度为10mm，与传统的刻线间距测量技术相比，更加贴近真实值[5]。

3.3.2 端面定位测量
在测长基准装置中增设高精度电感瞄准机，用于完成接触式测量工作。

在以往定距校准中，很容易出现侧头避障、双向触发等问题。

该装置采用高精度电感侧头，并安装自锁定位机构，在信号触发时可重复定位，不断缩小测量误差。

顺着测量轴线方向，将高精度轴与电感测头联合，当采集到触发信号后，由传感器读数，补偿测量值，达到提高瞄准测量精度的目的[6]。

3.3.3 位移测量
在激光干涉测长装置使用中，其典型作用在于线纹尺间距测量，选用三角位移传感器，采用测量刻线间距相似的操作技术，可达到多值校准测量的要求。

在位置触发电路形成的标准间距脉冲中，光电显微镜产生脉冲信号，触发位移传感器，将干涉测量值与标准值进行对比，可达到位移传感器校准测量的目的。

在标准间距中，脉冲信号的形成是位移传感器发挥校准作用的关键，对于量程为500mm的三角位移传感器来说，经过校准试验后，发现偏差能够得到有效控制[7]。

4 结语
当前，角锥棱镜得到广泛应用，根据其光学结构特点，提出一种光学顶点、中点直接瞄准方法，并与激光干涉测长装置相结合，使角锥长度标准器功能更加完善，有效消除阿贝误差，提升长度测量精准度，符合实际长度校准要求，在高精度几何量测量中得到更广泛的应用。

参考文献
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Research on the Application of Calibration Technology of Fixed-pitch Pyramid Prism
Length Standard
LI Zhenyu
(Xinzhou Comprehensive Inspection Testing Center Xinzhou City, Xinzhou Shanxi 034000) Abstract:In this paper, the calibration of the length standard of fixed-distance pyramid prism is studied. The structure of the device is described first, and then a scheme of direct aiming and rapid adjustment of optical vertices is proposed, which is used in conjunction with the laser interference length measuring device. According to the research results, the device can realize the rapid aiming and positioning of the optical vertex and center, which makes the pyramid length standard more accurate and reliable, completes the aiming and calibration quickly and accurately, and the results are accurate and reliable.
Key words:pyramid prism;laser interference length measurement;direct aiming;calibration technology
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