隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對計(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。因此國內(nèi)外儀器計(jì)量部門都在研究和生產(chǎn)各種納米級準(zhǔn)確度的計(jì)量儀器，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，世界各國相繼研制*了各種納米量級的測微儀，它們包括激光干涉儀、電容測微儀和電感測微儀，這些測微儀雖然已經(jīng)在許多學(xué)科及部門得到了廣泛應(yīng)用，有的測微儀的準(zhǔn)確度到底如何?就目前的方法是無法進(jìn)行測定的。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)的對比儀器校正，此方法在儀器計(jì)量部門對各種新設(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：對于任何被測量新的或在用過程中的檢測設(shè)備，為了確定其測量結(jié)果的可靠性，通常采用比被測量準(zhǔn)確度更高等級的檢測設(shè)備，準(zhǔn)確地其在測量范圍內(nèi)的測量準(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，對于長度計(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：一是具有更高等級準(zhǔn)確度、更高分辨力的測微系統(tǒng)；二是能夠提供足夠小的達(dá)到測微系統(tǒng)分辨力的微位移機(jī)構(gòu)。只有滿足了上述兩個(gè)條件，才能真正對測微系統(tǒng)的分辨力、準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性等性能指標(biāo)給予的評價(jià)。對于具有有效測量面積位移傳感器的測微系統(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)量塊對精密電容測微儀的方法是80年代末期，儀器計(jì)量部門針對具有有效測量面積的電容和電感測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微儀的傳感器，經(jīng)調(diào)整，使傳感器測頭軸心線端點(diǎn)與接觸式干涉儀測頭頂點(diǎn)在同一條直線上，且和橋形工作臺縱向?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)整橋形工作臺使其臺面基本水平。根據(jù)被測微儀的實(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)尺寸和等級的量塊，如量程為±10mm的精密電容式測微儀時(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頭下面對零，將作為電容傳感器測量極板的標(biāo)準(zhǔn)量塊推入被傳感器測頭的下面，上下移動(dòng)傳感器測頭調(diào)整好初始間隙，將電容式測微儀的輸出顯示調(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，使接觸式干涉儀重新指示為零，這時(shí)讀取電容測微儀的顯示值。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)。這樣我們對精密電容測微儀的正量程就完成了。這時(shí)用1．010mm的量塊對電容測微儀進(jìn)行調(diào)零，采用1.005mm和1m的量塊分別電容測微儀-5mm和-10mm的受檢點(diǎn)。通過上述兩個(gè)步驟可對被檢測微儀完成一次。當(dāng)然對于被的測微系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和測量范圍的不同，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)的測得值與受檢點(diǎn)的標(biāo)稱值之*差值，即測量范圍內(nèi)的示值誤差，其誤差不得過測微系統(tǒng)的允許值。采用此方法也可以對同等準(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被檢測微系統(tǒng)的，其的準(zhǔn)確度不僅取決于量塊的精度等級，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)。用這種方法的測微系統(tǒng)的精度*可達(dá)0.02um，完全可以滿足許多測微系統(tǒng)的要求，但對精密測微系統(tǒng)采用此方法進(jìn)行，其精度很難滿足測微系統(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，對這些測微系統(tǒng)的問題顯得愈來愈尖銳。因此儀器計(jì)量部門對其也進(jìn)行了研究，在九十年代初期推出了杠桿式斜塊測微儀器，其具體的工作原理如圖1—2所示。首先將精密測微系統(tǒng)的傳感器，根據(jù)其測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，使精密測微儀的示值在測量范圍的下限，待測微儀示值穩(wěn)定后即可記下測微儀的讀數(shù)，作為被檢測微儀的受檢起始點(diǎn)。根據(jù)被檢精密測微系統(tǒng)的測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，待測微儀示值穩(wěn)定后記錄其示值；依此類推，對其它受檢進(jìn)行檢測實(shí)現(xiàn)對測微儀的全量程。各受檢點(diǎn)的測得值與受檢點(diǎn)標(biāo)稱值的比例縮小值之間的*差值，即為測微系統(tǒng)在測量范圍內(nèi)的示值誤差，其誤差不得過其系統(tǒng)的允許值。

另外，在杠桿式斜塊測微儀器上還可以測微儀的分辨力。根據(jù)測微儀的分辨力指標(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量范圍中間位置，單向微動(dòng)器的微分筒，待受檢測微儀的示值穩(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)觀察測微儀的示值變化。當(dāng)剛使測微儀的示值發(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，即為精密測微系統(tǒng)的分辨力。

從杠桿式斜塊測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量的要求已越來越高，國內(nèi)對分辨力達(dá)0.01um的各類微位移測量儀的應(yīng)用己日趨普遍。

為了解決這類測微儀的需要，北京航天部*計(jì)量測試研究所和上海機(jī)床廠磨床研究所，相繼研制出納米級激光偏振干涉儀和0.001微米位移比對儀，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)系可對干涉條紋進(jìn)行細(xì)分。得到很高的分辨率。

2)角度測量部件(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，采用這種方法對精密測微儀進(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)與被測量進(jìn)行比較，消除了傳動(dòng)鏈長、接觸剛性差等傳遞誤差，大大提高了的準(zhǔn)確度；②基準(zhǔn)測微儀利用偏振光干涉法，因而可以利用測角儀測量偏振面的旋轉(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，如果對工作臺和導(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。