CN114001657A - 基于低相干光串联干涉的量块长度校准装置和校准方法 - Google Patents

基于低相干光串联干涉的量块长度校准装置和校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于低相干光串联干涉的量块长度校准装置和校准方法，包括有远程校准***、实验室校准***和控制***。本发明通过光纤的连接远程校准***和实验室校准***，依靠补偿光程差的原理，来实现对远程现场量块的测量。由于实验室校准***和远程校准***的光程差相同，由于待测量块和标准量块之间有偏差，移动实验室校准***线性位移平台，校准移动反射镜和标准量块随之移动，此时，光电探测器探测到的条纹强度会减弱。当待测量块和标准量块顶端之间所产生的光程差相等时，光电探测器会再一次探测出较强的光。记录光强达到最大值时线性位移平台的移动距离，来间接测量量块的差值。

Description

基于低相干光串联干涉的量块长度校准装置和校准方法
技术领域
本发明涉及光学精密检测技术领域，具体地说是一种基于低相干光串联干涉的量块长度校准装置和校准方法。
背景技术
传统的量值传递方式存在两个问题，一是必须将工作用的计量器具拆下送至相应机构来进行校准。二是只能获得实验室条件下的基本误差，不能获得现场应用中的附加误差。但是，物联网技术的发展让人们看到解决这些问题的办法，远程校准技术研究也获得了迅速发展。目前，计量领域远程量值传递的有三种实现途径。第一种途径是传递标准表，即将标准表传递到校准现场的整个***中，在校准被检表时，将更高等级的标准表转移至被检表现场，然后进行现场校准，将数据经过网络传回实验室，分析处理得到检测校准结果。第二种途径是将标准表放置到现场，当现场需要校准时，登录设计好的校准网页进行申请校准，现场与中心实验室进行数据传递来完成计量校准。校准实验由校准实验室实时监控，控制现场一起和人员执行校准操作。第三种途径是传递量值法，即计量标准器具在实验室，通过量值来进行远程传递与溯源。目前可以有效实施的是时间的校准。
长度量是最基本的几何参量，包括距离，位移以及长度等。各个数量级的长度测量，也有着不同的方法。目前，长度测量的方法包括超声波测量，激光测量，常规尺测量，光学测量等。在日常生活学习和工业生产当中，物体长度测量的方法主要是依靠直尺直观的测量，在低精度的测量中有方便，精确，快速获得物理量值等诸多优势。
量块作为长度标准，用来传递尺寸量值，检定测量器具的示值误差，作为标准件，用比较法测量工件尺寸，或用来校准，调整测量器具的零位，用于精密机床的调整和机械加工中精密划线。根据量块的检定规程，校准量块的长度需要用到接触式光学干涉仪。接触式光学干涉仪是一种常见的用来检定量块长度的仪器，主要用于检定长度不大于150mm的量块和其他工件的精密测量。将量块放置到实验室平台上，通过对比法可实现量块长度的校准。
由于长度量值的测量对工业生产的重要性，物体长度的测量一直被高度重视，测量长度的量块需要经常被用来检定，但是量块送到计量院进行检定，存在校准时间长，流程缓慢，物流运输高等一系列问题。
发明内容
本发明的目的之一就是提供一种基于低相干光串联干涉的量块长度校准装置，以解决现有量块长度校准时间长和物流运输费用高的问题。
本发明的目的之一是这样实现的：一种基于低相干光串联干涉的量块长度校准装置，包括：
实验室校准***，与远程校准***和控制***连接，用于在控制***的控制下将通过移动的标准量块产生的标准光程干涉光，将该标准光程干涉光输送至远程校准***和控制***；
远程校准***，与所述实验室校准***和控制***连接，用于接收所述实验室校准***的标准光程干涉光，并用该标准光程干涉光照射待测量块产生待检干涉光，并将产生的待检干涉光输送至控制***；以及
控制***，与所述实验室校准***和所述实验室校准***连接，用于接收所述实验室校准***的标准光程干涉光和远程校准***的待检干涉光，待检干涉光和标准光程干涉光的光程差相等时，干涉光光强达到最大，此时通过计算标准量块的移动距离来计算出待测量块的值。
进一步地，本发明可以按如下技术方案实现：
所述远程校准***包括有：
远程分光镜，设置在所述远程校准***的中间位置；
远程固定反射镜，设置在所述分光镜横向的一侧；
透镜，设置在所述分光镜横向的另一侧；
准直器，设置在所述分光镜纵向的一侧；以及
远程平台，设置在所述分光镜纵向的另一侧，在所述远程平台上设置有远程平台反射镜。
所述实验室校准***包括有：
第一校准分光镜，设置在所述实验室校准***的中间位置；
校准固定反射镜，设置在所述第一校准分光镜横向的一侧；
第一扩束镜，设置在所述第一校准分光镜横向的另一侧；
光源，设置在所述第一扩束镜横向的一侧，且所述第一扩束镜位于所述光源和所述第一校准分光镜的之间；
线性位移平台，设置在所述第一校准分光镜纵向的一侧，在所述线性位移平台上设置有校准移动反射镜，所述线性位移平台与控制器电连接；
第二校准分光镜，设置在所述第一校准分光镜的纵向的另一侧；
耦合器，设置在所述第二校准分光镜的纵向的一侧，且所述第二校准分光镜位于所述第一校准分光镜和所述耦合器的之间，所述耦合器与所述准直器通过光纤连接；
第二扩束镜，设置在第二校准分光镜横向的一侧；以及
光学平板，设置在所述第二扩束镜的横向的一侧，所述第二扩束镜位于所述第二校准分光镜和光学平板之间；
所述远程校准***中的所述远程分光镜到所述远程固定反射镜和所述远程平台反射镜之间的距离差，与所述实验室校准***中的所述第一校准分光镜到所述校准固定反射镜和所述校准移动反射镜之间的距离差相同。
控制***包括有：
光电探测器，与控制器和所述透镜电连接，用于采集待检干涉光；
图像采集器，用于采集所述光学平板上的图像，并将采集到的信息传递给控制器；以及
控制器，与所述光电探测器、图像采集器和线性位移平台电连接，用于控制线性位移平台移动，并接收所述图像采集器和光电探测器输送的数据，并根据输送的数据计算出待测量块的值。
所述控制器包括有电脑和数据采集卡；所述数据采集卡与所述光电探测器和电脑电连接，用于对所述光电探测器采集的待检干涉光处理后发送至电脑。
本发明的目的之二就是提供一种基于低相干光串联干涉的量块长度校准方法，以解决现有量块长度校准方法流程缓慢的问题。
本发明的目的之二是这样实现的：一种基于低相干光串联干涉的量块长度远程校准方法，包括以下步骤：
a、制备权利要求1中所述的基于低相干光串联干涉的量块长度校准装置，将待测量块放置到远程校准***的远程平台上，将标准量块放置在实验室校准***的线性移动平台上；
b、由光源通过第一扩束镜向第二校准分光镜进行照射，同时由控制器控制线性移动平台带动标准量块移动，校准固定反射镜和校准移动反射镜之间产生干涉光，标准量块同时也会和校准固定反射镜之间产生关于量块的标准光程干涉光，该标准光程干涉光通过第二校准分光镜分成两束标准光程干涉光，一束标准光程干涉光通过光纤进入远程校准***的准直器内，另一束标准光程干涉光通过第二扩束器后在光学平板上产生等倾干涉条纹，并由图像采集器将光学平板上的等倾干涉条纹传递到控制器；
c、通过光纤进入远程校准***的准直器内的标准光程干涉光，经过远程分光镜后照射在待测量块上，待测量块在远程平台反射镜和远程固定反射镜之间产生待检干涉光，该待检干涉光经过耦合透镜后被光电探测器采集，光电探测器采集到的波形显示到控制器，来检测干涉现象；
d、当标准光程干涉光的光程差与待检干涉光的光程差相等时，发生干涉现象，并被光电探测器检测到，当光电探测器探测到待检干涉光的强度达到最大值时，此时两束干涉光的光程差相等，线性位移平台的移动距离即为补偿被检量块的差值，由控制器对移动距离和标准量块的值进行处理后，得到待测量块的值。
本发明通过光纤的连接远程校准***和实验室校准***，依靠补偿光程差的原理，来实现对远程现场量块的测量。本发明将光程差的变化和干涉现象相结合，用光纤来传递光信息，以实现量块的远程校准和检定。由于实验室校准***和远程校准***的光程差相同，以由反射镜之间的光程差引起的最大光强在放置待测量块或标准量块之前的时候就会出现，因此需要测量的是待测量块或标准量块顶端之间光程差的对比，由于待测量块和标准量块之间有偏差，移动实验室校准***线性位移平台，校准移动反射镜和标准量块随之移动，此时，光电探测器探测到的强度会减弱。当待测量块和标准量块顶端之间所产生的光程差相等时，光电探测器会再一次探测出较强的光。记录光强达到最大值时线性位移平台(即校准移动反射镜)的移动距离，来间接测量量块的差值。
具体地说，本发明通过在实验室校准***的线性位移平台上放置标准量块，当光源照射时，由于迈克尔逊干涉现象会产生两个干涉光，一个是校准固定反射镜和校准移动反射镜之间的干涉光，另一个是校准固定反射镜和标准量块顶端的干涉光，这两个干涉光之间存在着由标准量块产生的光程差。通过设置光纤将干涉光传递至远程校准***中，通过远程分光镜照射在待测量块上，并通过耦合透镜导入光纤被光电探测器收集，本发明基于补偿两个低相干光程差的原理，将标准量块所产生的光程差和待测量块所产生的光程差进行比较，通过移动线性位移平台带动校准移动反射镜来实现他们之间光程差的相等。当两个光程差相等时，会在光电探测器上观察到干涉现象所带来的强度的变化，通过控制器记录移动线性位移平台，(校准移动反射镜)的移动距离来实现对待测量块的校准。
本发明的量块测量精确度高，分辨率高。本发明基于光学干涉的测量原理，当两束光相遇时会有干涉现象产生，且干涉条纹的强度和光程差有关。光纤传导随着光纤的发展和普及而得到迅速发展，它根据全反射原理进行光的传输，将光导入光纤当中可将光信息传递到远端。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中：1、光电探测器，2、透镜，3、远程平台，4、远程固定反射镜，5、标准量块，6、耦合器，7、第一校准分光镜，8、第一扩束镜，9、光源，10、远程分光镜，11、准直器，12、校准移动反射镜，13、校准固定反射镜，14、线性位移平台，15、待测量块，16、第二校准分光镜，17、第二扩束镜，18、光学平板，19、图像采集器，20、光纤，21、电脑，22、数据采集卡。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本发明包括有远程校准***、实验室校准***和控制***。
实验室校准***与远程校准***和控制***连接，用于在控制***的控制下将通过移动的标准量块产生的标准光程干涉光，将该标准光程干涉光输送至远程校准***和控制***；
远程校准***与实验室校准***和控制***连接，用于接收实验室校准***的标准光程干涉光，并用该标准光程干涉光照射待测量块产生待检干涉光，并将产生的待检干涉光输送至控制***。
控制***与实验室校准***和实验室校准***连接，用于接收实验室校准***的标准光程干涉光和远程校准***的待检干涉光，待检干涉光和标准光程干涉光的光程差相等时，干涉光光强达到最大，此时通过计算标准量块的移动距离来计算出待测量块的值。
具体地，远程校准***包括有：远程分光镜10，远程固定反射镜4，透镜2，准直器11和远程平台3。其中，远程分光镜10设置在远程校准***的中间位置，远程固定反射镜4设置在分光镜横向的一侧，透镜2设置在分光镜横向的另一侧。准直器11设置在分光镜纵向的一侧，远程平台3设置在分光镜纵向的另一侧，在远程平台3上设置有远程平台反射镜，待测量块15放置在远程平台3的远程平台反射镜上。
实验室校准***包括有：第一校准分光镜7，校准固定反射镜13，第一扩束镜8，光源9，线性位移平台14，第二校准分光镜16，耦合器6，第二扩束镜17和光学平板18。
其中，第一校准分光镜7设置在实验室校准***的中间位置，校准固定反射镜13设置在第一校准分光镜7横向的一侧，第一扩束镜8设置在第一校准分光镜7横向的另一侧。光源9设置在第一扩束镜8横向的一侧，且第一扩束镜8位于光源9和第一校准分光镜7的之间。
线性位移平台14设置在第一校准分光镜7纵向的一侧，在线性位移平台14上设置有校准移动反射镜12，该线性位移平台14与控制器电连接，用于在控制器的控制下进行移动，并由控制器读取移动距离。用线性位移台来控制实验室校准***中的校准移动反射镜12和标准量块5，来实现的精确移动。第二校准分光镜16设置在第一校准分光镜7的纵向的另一侧。耦合器6设置在第二校准分光镜16的纵向的一侧，且第二校准分光镜16第一校准分光镜7和耦合器6的之间，耦合器6与准直器11通过光纤20连接。第二扩束镜17设置在第二校准分光镜16横向的一侧，光学平板18设置在第二扩束镜17的横向的一侧，第二扩束镜17位于述第二校准分光镜16和光学平板18之间。
远程校准***中的远程分光镜10到远程固定反射镜4和远程平台3反射镜之间的距离差，与实验室校准***中的第一校准分光镜7到校准固定反射镜13和校准移动反射镜12之间的距离差相同。
控制***包括有：光电探测器1，图像采集器19和控制器。光电探测器1与控制器和透镜2电连接，用于采集待检干涉光。图像采集器19用于采集光学平板18上的图像，并将采集到的信息传递给控制器。控制器包括有电脑21和数据采集卡22。数据采集卡22与光电探测器1和电脑21电连接，用于对光电探测器1采集的待检干涉光处理后发送至电脑21。
电脑21与数据采集卡22、图像采集器19和线性位移平台14电连接，用于控制线性位移平台14移动，并接收图像采集器19和光电探测器1输送的数据，并根据输送的数据计算出待测量块15的值。
由于光的干涉现象是波动独有的特征，两列或几列光波在空间相遇时相互叠加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的干涉条纹。产生干涉现象的两列光波必须具有相同的频率，相同的振动方向和恒定的相位差，因此，这两列光波的光源9叫相干光源9。
光源照射叠加时，当实验室校准***的两个反射镜(即校准固定反射镜13和校准移动反射镜12)相互平行时，在光学平板18上观察到的干涉图像就是一组等倾干涉圆环，当两个反射镜没有严格平行时会产生等厚干涉条纹。当两个反射镜完全重合时，因为对于各个方向入射光的光程差均相等，所以视场是均匀的且光强最大。
干涉条纹中，随着d的增大或者减小，条纹从中心冒出或收缩，设反射镜移动的位移为Δd时，条纹变化量为N，则：
Figure BDA0003279805090000071
因此根据公式可以求出反射镜的移动距离。
光学干涉现象只有在光源9的相干长度内才会发生，光源9的相干长度为：
Figure BDA0003279805090000072
其中λ为光源9的波长，Δλ为光源9的谱宽。
波的叠加是指几个波在相遇点产生的合振动是各个波在该点产生振动的矢量和，两束光叠加后的光强为：
Figure BDA0003279805090000073
合成光强的大小取决于相位差δ
Figure BDA0003279805090000081
光程差：Δ＝n(r1-r2)决定光强的大小，当δ＝2mπ时，获得最大的光强值。
光的干涉是叠加的一种特殊形式，两个振幅为E1和E2的光叠加后的光强为
I＝E·E＝(E1+E2)·(E1+E2)
Figure BDA0003279805090000082
对两个平面简谐波：
E1＝A1cos(k1·r1-ω1t+δ1)
E2＝A2cos(k2·r2-ω2t+δ2)
则
Figure BDA0003279805090000083
δ＝[(k1·r1-k2·r2)+(δ1-δ2)-(ω1-ω2)t]
所以干涉的光强分布，和光程差r1-r2有关。
从上述公式可以看出，当两束光的光程差之值相等时，光学平台上的光强最强，光强会随着两个干涉仪之间的光程差的增大而减小。应用此原理可以用来对量块进行测量。
实施例2
一种基于低相干光串联干涉的量块长度远程校准方法，包括以下步骤：
a、制备实施例1中的基于低相干光串联干涉的量块长度校准装置，将待测量块15放置到远程校准***的远程平台3上，将标准量块5放置在实验室校准***的线性移动平台上。
b、由光源9通过第一扩束镜8向第二校准分光镜16进行照射，同时由控制器控制线性移动平台带动标准量块5移动，校准固定反射镜13和校准移动反射镜12之间产生干涉光，标准量块5同时也会和校准固定反射镜13之间产生关于量块的标准光程干涉光，该标准光程干涉光通过第二校准分光镜16分成两束标准光程干涉光，一束标准光程干涉光通过光纤20进入远程校准***的准直器11内，另一束标准光程干涉光通过第二扩束器后在光学平板18上产生等倾干涉条纹，并由图像采集器19将光学平板18上的等倾干涉条纹传递到控制器(电脑21中)。
c、通过光纤20进入远程校准***的准直器11内的标准光程干涉光，经过远程分光镜10后照射在待测量块15上，待测量块15在远程固定反射镜4和远程平台3反射镜之间产生待检干涉光，该待检干涉光经过耦合透镜2后被光电探测器1采集，光电探测器1采集到的波形显示到控制器，来检测干涉现象。
d、当标准光程干涉光的光程差与待检干涉光的光程差相等时，发生干涉现象，并被光电探测器1检测到，当光电探测器1探测到待检干涉光的强度达到最大值时，此时线性位移平台14的移动距离即为补偿被检量块的差值，由控制器(即电脑)对移动距离和标准量块5的值进行处理后，得到待测量块15的值。

Claims (6)

1.一种基于低相干光串联干涉的量块长度校准装置，其特征是，包括：
实验室校准***，与远程校准***和控制***连接，用于在控制***的控制下将通过移动的标准量块产生的标准光程干涉光，将该标准光程干涉光输送至远程校准***和控制***；
远程校准***，与所述实验室校准***和控制***连接，用于接收所述实验室校准***的标准光程干涉光，并用该标准光程干涉光照射待测量块产生待检干涉光，并将产生的待检干涉光输送至控制***；以及
控制***，与所述实验室校准***和所述实验室校准***连接，用于接收所述实验室校准***的标准光程干涉光和远程校准***的待检干涉光，待检干涉光和标准光程干涉光的光程差相等时，干涉光光强达到最大，此时通过计算标准量块的移动距离来计算出待测量块的值。
2.根据权利要求1所述的基于低相干光串联干涉的量块长度校准装置，其特征是，所述远程校准***包括有：
远程分光镜，设置在所述远程校准***的中间位置；
远程固定反射镜，设置在所述分光镜横向的一侧；
透镜，设置在所述分光镜横向的另一侧；
准直器，设置在所述分光镜纵向的一侧；以及
远程平台，设置在所述分光镜纵向的另一侧，在所述远程平台上设置有远程平台反射镜。
3.根据权利要求2所述的基于低相干光串联干涉的量块长度校准装置，其特征是，所述实验室校准***包括有：
第一校准分光镜，设置在所述实验室校准***的中间位置；
校准固定反射镜，设置在所述第一校准分光镜横向的一侧；
第一扩束镜，设置在所述第一校准分光镜横向的另一侧；
光源，设置在所述第一扩束镜横向的一侧，且所述第一扩束镜位于所述光源和所述第一校准分光镜的之间；
线性位移平台，设置在所述第一校准分光镜纵向的一侧，在所述线性位移平台上设置有校准移动反射镜，所述线性位移平台与控制器电连接；
第二校准分光镜，设置在所述第一校准分光镜的纵向的另一侧；
耦合器，设置在所述第二校准分光镜的纵向的一侧，且所述第二校准分光镜位于所述第一校准分光镜和所述耦合器的之间，所述耦合器与所述准直器通过光纤连接；
第二扩束镜，设置在第二校准分光镜横向的一侧；以及
光学平板，设置在所述第二扩束镜的横向的一侧，所述第二扩束镜位于所述第二校准分光镜和光学平板之间；
所述远程校准***中的所述远程分光镜到所述远程固定反射镜和所述远程平台反射镜之间的距离差，与所述实验室校准***中的所述第一校准分光镜到所述校准固定反射镜和所述校准移动反射镜之间的距离差相同。
4.根据权利要求1所述的基于低相干光串联干涉的量块长度校准装置，其特征是，控制***包括有：
光电探测器，与控制器和所述透镜电连接，用于采集待检干涉光；
图像采集器，用于采集所述光学平板上的图像，并将采集到的信息传递给控制器；以及
控制器，与所述光电探测器、图像采集器和线性位移平台电连接，用于控制线性位移平台移动，并接收所述图像采集器和光电探测器输送的数据，并根据输送的数据计算出待测量块的值。
5.根据权利要求1所述的基于低相干光串联干涉的量块长度校准装置，其特征是，所述控制器包括有电脑和数据采集卡；所述数据采集卡与所述光电探测器和电脑电连接，用于对所述光电探测器采集的待检干涉光处理后发送至电脑。
6.一种基于低相干光串联干涉的量块长度远程校准方法，其特征是，包括以下步骤：
a、制备权利要求1中所述的基于低相干光串联干涉的量块长度校准装置，将待测量块放置到远程校准***的远程平台上，将标准量块放置在实验室校准***的线性移动平台上；
b、由光源通过第一扩束镜向第二校准分光镜进行照射，同时由控制器控制线性移动平台带动标准量块移动，校准固定反射镜和校准移动反射镜之间产生干涉光，标准量块同时也会和校准固定反射镜之间产生关于量块的标准光程干涉光，该标准光程干涉光通过第二校准分光镜分成两束标准光程干涉光，一束标准光程干涉光通过光纤进入远程校准***的准直器内，另一束标准光程干涉光通过第二扩束器后在光学平板上产生等倾干涉条纹，并由图像采集器将光学平板上的等倾干涉条纹传递到控制器；
c、通过光纤进入远程校准***的准直器内的标准光程干涉光，经过远程分光镜后照射在待测量块上，待测量块在远程平台反射镜和远程固定反射镜之间产生待检干涉光，该待检干涉光经过耦合透镜后被光电探测器采集，光电探测器采集到的波形显示到控制器，来检测干涉现象；
d、当标准光程干涉光的光程差与待检干涉光的光程差相等时，发生干涉现象，并被光电探测器检测到，当光电探测器探测到待检干涉光的强度达到最大值时，此时两束干涉光的光程差相等，线性位移平台的移动距离即为补偿被检量块的差值，由控制器对移动距离和标准量块的值进行处理后，得到待测量块的值。
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