隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)計(jì)量技術(shù)的要求越來越高，尤其是當(dāng)代宇航和天文等*技術(shù)的發(fā)展，要求計(jì)量向納米技術(shù)發(fā)展，納米計(jì)量和技術(shù)成為目前各學(xué)科必須解決的問題。因此國(guó)內(nèi)外儀器計(jì)量部門都在研究和生產(chǎn)各種納米級(jí)準(zhǔn)確度的計(jì)量?jī)x器，并探討其和校正方法，以滿足科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要。近幾年來，世界各國(guó)相繼研制*了各種納米量級(jí)的測(cè)微儀，它們包括激光干涉儀、電容測(cè)微儀和電感測(cè)微儀，這些測(cè)微儀雖然已經(jīng)在許多學(xué)科及部門得到了廣泛應(yīng)用，有的測(cè)微儀的準(zhǔn)確度到底如何?就目前的方法是無法進(jìn)行測(cè)定的。另外，還有一些微位移進(jìn)給器件，例如壓電陶瓷等，雖然應(yīng)用范圍很廣，但其非線性和位移準(zhǔn)確度如何?有時(shí)也沒有可靠的檢測(cè)手段。

一、基于有基準(zhǔn)的儀器校正技術(shù)

有基準(zhǔn)方法是傳統(tǒng)的對(duì)比儀器校正，此方法在儀器計(jì)量部門對(duì)各種新設(shè)備的、舊設(shè)備的校正以及各個(gè)學(xué)科的實(shí)際工程技術(shù)測(cè)量中都得到了廣泛的應(yīng)用。

有基準(zhǔn)儀器校正法的基本原理是：對(duì)于任何被測(cè)量新的或在用過程中的檢測(cè)設(shè)備，為了確定其測(cè)量結(jié)果的可靠性，通常采用比被測(cè)量準(zhǔn)確度更高等級(jí)的檢測(cè)設(shè)備，準(zhǔn)確地其在測(cè)量范圍內(nèi)的測(cè)量準(zhǔn)確度、分辨力、穩(wěn)定性等性能指標(biāo)。從該方法的原理看出，對(duì)于長(zhǎng)度計(jì)量的位移傳感器的儀器校正技術(shù)，必須解決兩個(gè)關(guān)鍵性問題：一是具有更高等級(jí)準(zhǔn)確度、更高分辨力的測(cè)微系統(tǒng)；二是能夠提供足夠小的達(dá)到測(cè)微系統(tǒng)分辨力的微位移機(jī)構(gòu)。只有滿足了上述兩個(gè)條件，才能真正對(duì)測(cè)微系統(tǒng)的分辨力、準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性等性能指標(biāo)給予的評(píng)價(jià)。對(duì)于具有有效測(cè)量面積位移傳感器的測(cè)微系統(tǒng)，采用這種原理進(jìn)行的方法主要有以下幾種：

1、小角度檢查儀(正弦尺)方法

用小角度檢查儀和標(biāo)準(zhǔn)量塊對(duì)精密電容測(cè)微儀的方法是80年代末期，儀器計(jì)量部門針對(duì)具有有效測(cè)量面積的電容和電感測(cè)微儀而制定的一種方法，其具體的工作原理如圖1-1所示。

在小角度檢查儀左、右兩端的指示計(jì)安裝架中，分別裝上接觸式光干涉儀，并將事先經(jīng)過調(diào)整或加工的孔距為50±0.02mm的夾具，裝在接觸式干涉儀上。在夾具左端的孔中裝上被測(cè)微儀的傳感器，經(jīng)調(diào)整，使傳感器測(cè)頭軸心線端點(diǎn)與接觸式干涉儀測(cè)頭頂點(diǎn)在同一條直線上，且和橋形工作臺(tái)縱向?qū)ΨQ中線相重合，安裝結(jié)果如圖1-1所示。小角度檢查儀經(jīng)過上述調(diào)整，構(gòu)成了50：500即1:10的杠桿機(jī)構(gòu)，借助框式水準(zhǔn)器，調(diào)整橋形工作臺(tái)使其臺(tái)面基本水平。根據(jù)被測(cè)微儀的實(shí)際情況確定受檢點(diǎn)的數(shù)值，以此為依據(jù)選用相應(yīng)尺寸和等級(jí)的量塊，如量程為±10mm的精密電容式測(cè)微儀時(shí)，則選用1，1.005和1.010mm的量塊。為使接觸式干涉儀定位可靠，再選用一塊不低于5等的1mm量塊。

分別將兩塊lm量塊，椎入接觸式干涉儀測(cè)頭下面對(duì)零，將作為電容傳感器測(cè)量極板的標(biāo)準(zhǔn)量塊推入被傳感器測(cè)頭的下面，上下移動(dòng)傳感器測(cè)頭調(diào)整好初始間隙，將電容式測(cè)微儀的輸出顯示調(diào)整到零。然后在小角度儀的右端推入1.005mm量塊，換掉其接觸式干涉儀下面l哪的量塊，同時(shí)用右端的升降機(jī)構(gòu)調(diào)整橋形工作臺(tái)，使接觸式干涉儀重新指示為零，這時(shí)讀取電容測(cè)微儀的顯示值。用同樣方法，推入1.010mm的量塊更換掉干涉儀下面1.005mm的量塊，以10mm的受檢點(diǎn)。這樣我們對(duì)精密電容測(cè)微儀的正量程就完成了。這時(shí)用1．010mm的量塊對(duì)電容測(cè)微儀進(jìn)行調(diào)零，采用1.005mm和1m的量塊分別電容測(cè)微儀-5mm和-10mm的受檢點(diǎn)。通過上述兩個(gè)步驟可對(duì)被檢測(cè)微儀完成一次。當(dāng)然對(duì)于被的測(cè)微系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和測(cè)量范圍的不同，其受檢的點(diǎn)數(shù)和受檢的范圍也各不相同，但其的方法完全一樣。各受檢點(diǎn)的測(cè)得值與受檢點(diǎn)的標(biāo)稱值之*差值，即測(cè)量范圍內(nèi)的示值誤差，其誤差不得過測(cè)微系統(tǒng)的允許值。采用此方法也可以對(duì)同等準(zhǔn)確度的激光干涉儀或同等準(zhǔn)確度的其它計(jì)量器具進(jìn)行。

從上面的論述可以看出，采用這種裝置和方法對(duì)被檢測(cè)微系統(tǒng)的，其的準(zhǔn)確度不僅取決于量塊的精度等級(jí)，而且與小角度檢查儀兩端的干涉儀的準(zhǔn)確度、小角度檢查儀右端的升降機(jī)構(gòu)的調(diào)整精度都密切相關(guān)。用這種方法的測(cè)微系統(tǒng)的精度*可達(dá)0.02um，完全可以滿足許多測(cè)微系統(tǒng)的要求，但對(duì)精密測(cè)微系統(tǒng)采用此方法進(jìn)行，其精度很難滿足測(cè)微系統(tǒng)精度的需要。

2、杠桿式比例斜面位移放大機(jī)構(gòu)方法

隨著精密測(cè)微系統(tǒng)研制和其在計(jì)量生產(chǎn)各部門的廣泛應(yīng)用，對(duì)這些測(cè)微系統(tǒng)的問題顯得愈來愈尖銳。因此儀器計(jì)量部門對(duì)其也進(jìn)行了研究，在九十年代初期推出了杠桿式斜塊測(cè)微儀器，其具體的工作原理如圖1—2所示。首先將精密測(cè)微系統(tǒng)的傳感器，根據(jù)其測(cè)量范圍和分辨力裝入器的支架孔中，按照杠桿原理以一定的比例縮小被檢測(cè)微系統(tǒng)的位移量，以便提高的準(zhǔn)確度。調(diào)整被檢傳感器的安裝位置，使精密測(cè)微儀的示值在測(cè)量范圍的下限，待測(cè)微儀示值穩(wěn)定后即可記下測(cè)微儀的讀數(shù)，作為被檢測(cè)微儀的受檢起始點(diǎn)。根據(jù)被檢精密測(cè)微系統(tǒng)的測(cè)量范圍和分辨力確定其受檢點(diǎn)數(shù)和受檢數(shù)值，以此為依據(jù)單向微動(dòng)器上的微位移微分筒，并觀察微分筒鼓輪上的讀數(shù)到達(dá)第二個(gè)受檢點(diǎn)位置，待測(cè)微儀示值穩(wěn)定后記錄其示值；依此類推，對(duì)其它受檢進(jìn)行檢測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)微儀的全量程。各受檢點(diǎn)的測(cè)得值與受檢點(diǎn)標(biāo)稱值的比例縮小值之間的*差值，即為測(cè)微系統(tǒng)在測(cè)量范圍內(nèi)的示值誤差，其誤差不得過其系統(tǒng)的允許值。

另外，在杠桿式斜塊測(cè)微儀器上還可以測(cè)微儀的分辨力。根據(jù)測(cè)微儀的分辨力指標(biāo)將傳感器安裝到器的支架孔中，調(diào)整傳感器位置使其示值在測(cè)量范圍中間位置，單向微動(dòng)器的微分筒，待受檢測(cè)微儀的示值穩(wěn)定后，在器的微分筒鼓輪上讀數(shù)。繼續(xù)單向微動(dòng)器微分筒，同時(shí)觀察測(cè)微儀的示值變化。當(dāng)剛使測(cè)微儀的示值發(fā)生變化時(shí)，再次在器微分筒鼓輪上讀數(shù)。兩次讀數(shù)之差，即為精密測(cè)微系統(tǒng)的分辨力。

從杠桿式斜塊測(cè)微儀器的工作原理可以看出，其的準(zhǔn)確度，不但與器上微位移微分筒的度有關(guān)，而且杠桿位移縮小的比例、杠桿剛度、杠桿支點(diǎn)的剛度等因素將直接影響其的準(zhǔn)確度。

3、納米激光偏振干涉儀方法

在八十年代末九十年代初，由于高精度軸系和精密微位移測(cè)量的要求已越來越高，國(guó)內(nèi)對(duì)分辨力達(dá)0.01um的各類微位移測(cè)量?jī)x的應(yīng)用己日趨普遍。

為了解決這類測(cè)微儀的需要，北京航天部*計(jì)量測(cè)試研究所和上海機(jī)床廠磨床研究所，相繼研制出納米級(jí)激光偏振干涉儀和0.001微米位移比對(duì)儀，其*分辨力達(dá)到0.1納米、準(zhǔn)確度達(dá)到3納米。并在此基礎(chǔ)上研制了相應(yīng)的裝置，其工作原理如圖1—3所示。

由圖可知，該裝置由干涉儀主體部件、角度測(cè)量部件、微位移部件三個(gè)主要部分組成，具體工作原理如下：

1)干涉系統(tǒng)是干涉儀的主體組成部件，在過程中產(chǎn)生干涉條紋。其具體工作原理是：當(dāng)可動(dòng)鏡6(如圖1—3)位移入/2時(shí)，偏振光的偏振面旋轉(zhuǎn)1800的轉(zhuǎn)角，此時(shí)干涉條紋的明暗變化一個(gè)周期，利用此關(guān)系可對(duì)干涉條紋進(jìn)行細(xì)分。得到很高的分辨率。

2)角度測(cè)量部件(由圖1—3中的9、10、11、12組成)的工作原理如圖1-4所示，是細(xì)分干涉條紋的機(jī)構(gòu)，其中1、3、4、5、7、8組成測(cè)角系統(tǒng)，2、6、9組成尋找偏振面系統(tǒng)。當(dāng)可動(dòng)鏡位移時(shí)。干涉條紋發(fā)生明暗變化，可用檢偏器2隨光柵盤后的位置，從而測(cè)出偏振面旋轉(zhuǎn)角所轉(zhuǎn)過的角度，由可逆記數(shù)器輸出位移量。

3)微位移部件是裝置不可缺少的組成部分，其工作原理如圖1-5所示。它是可動(dòng)鏡產(chǎn)生位移的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可動(dòng)鏡1(圖1-3中的6)安裝在片簧導(dǎo)軌2上，鏡框后面安裝了被檢傳感器5(圖1-3中的7)和電致伸縮器4，當(dāng)用連續(xù)可調(diào)直流電源給其施加電壓時(shí)，即可使可動(dòng)鏡產(chǎn)生位移，同時(shí)在干涉儀和被檢傳感器上可把位移量顯示出來，實(shí)現(xiàn)的目的。

用該儀器進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，首先將儀器調(diào)整到正常工作狀態(tài)，將被檢傳感器安裝在被系統(tǒng)中(如圖1-3中7的位置)，調(diào)整連續(xù)可調(diào)直流電源給電致伸縮器施加電壓，可動(dòng)鏡產(chǎn)生位移，通過調(diào)整主機(jī)上檢偏器的位置，尋找偏振面的旋轉(zhuǎn)角度，由可逆記數(shù)器(如圖1—3中8)顯示可動(dòng)鏡的位移量，與此同時(shí)被檢傳感器也檢測(cè)出了可動(dòng)鏡的位移量，兩者之間的*差值即為的示值誤差。

上述分析可以看出，采用這種方法對(duì)精密測(cè)微儀進(jìn)行時(shí)，具有許多優(yōu)點(diǎn)：①直接采用激光(6328埃)光波作基準(zhǔn)與被測(cè)量進(jìn)行比較，消除了傳動(dòng)鏈長(zhǎng)、接觸剛性差等傳遞誤差，大大提高了的準(zhǔn)確度；②基準(zhǔn)測(cè)微儀利用偏振光干涉法，因而可以利用測(cè)角儀測(cè)量偏振面的旋轉(zhuǎn)角得到干涉條紋的小數(shù)，使其分辨力大大提高；⑧利用該裝置還可以對(duì)同等準(zhǔn)確度的其它傳感器以及壓電陶瓷微位移驅(qū)動(dòng)器的非線性等進(jìn)行，如果對(duì)工作臺(tái)和導(dǎo)軌稍加改進(jìn)，還可以擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，充分發(fā)揮其作用。