一种量块测量装置及方法与流程

本发明涉及光学检测，尤其涉及一种量块测量装置及方法。

背景技术：

1、量块是长度计量中最基本的实物量具之一，将量块作为计量标准器，对计量仪器、量具和量规等示值误差进行检定，再通过这些计量器具对机械尺寸进行测量，从而可使各种机械产品的尺寸溯源到长度基准。量块是具有一对相互平行测量面的实物量具，量块的形状通常为截面呈矩形的六面体，其作用包括：(1)作为长度标准，传递尺寸量值；(2)作于检定测量器具的示值误差；(3)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；(4)用于直接测量零件尺寸；(5)用于精密机床的调整和机械加工中精密划线。

2、现有的量块检测技术分为两类，第一类是接触测量技术，这种方法误差较大，而且接触测量不符合国际标准规定，逐渐被淘汰。第二类是非接触方法，使用光学干涉技术，目前都是利用小数重合法结合单色光干涉技术，但是由于单色光干涉技术的测量范围小于一个波长，只能得到测量值的小数部分，因此需要使用多个单色光进行测量，由多个单色光的结果计算测量值的整数部分。

3、专利“一种基于白光干涉的量块测量装置及方法”(cn113251897a)公开了一种基于白光干涉的量块测量装置及方法，结合傅里叶变换的频率和相位，实现了基于白光干涉的量块测量，这种方法的优点是替代了小数重合法，但是存在缺陷如下：(1)由于白光干涉的测量范围有限，而量块长度变化较大，为了测量不同长度的量块，需要移动参考镜，改变参考臂的光程，以适合不同的量块测量，而移动参考镜，会引入震动，影响测量精度；(2)需要分别测量标准量块和待测量块，比较两者的差异，由于标准量块和待测量块是在不同的时间测量，外界干扰的变化，会引入不同的影响，影响测量可靠性；(3)干涉光谱的初始相位影响干涉光谱的解调精度，初始相位一般是未知的，在现有技术中，一般是忽略初始相位，得到低精度解。专利“一种谱域低相干光干涉光程差解调方法”(cn110361099a)公开了一种计算干涉光谱初始相位的方法，但是这种方法需要使用多次迭代方法，速度较慢。

4、综上，目前量块测量技术存在以下缺陷：(1)使用单色光干涉技术，测量长度和光源波长成比例，因此要求光源具有高稳定性，但是光源在使用光程中，由于发热等因素的影响，会出现波长漂移，影响精度；(2)需要使用多个波长重复测量，导致系统复杂，测量时间较长，而且在不同波长测量时，如果环境影响出现变化，则影响测量精度，因此对测试环境稳定性要求高；(3)由于白光干涉的测量范围有限，而量块长度变化较大，为了测量不同长度的量块，需要移动参考镜，改变参考臂的光程，以适合不同的量块测量，而移动参考镜，会引入震动，影响测量精度；(4)需要分别测量标准量块和待测量，比较两者的差异，由于标准量块和待测量块是在不同的时间测量，外界干扰的变化，会引入不同的影响，影响测量可靠性；(5)干涉光谱的初始相位影响干涉光谱的解调精度，初始相位一般是未知的，在现有技术中，一般是忽略初始相位，得到低精度解。

技术实现思路

1、本发明实施例提供了一种量块测量装置及方法，进行量块测量时，消除外界干扰，具有更高的精度和可靠性。

2、本发明实施例提供了一种量块测量装置，具体包括：宽带光源1发出的光经过光纤2到耦合器3，由耦合器3分成两路，分别进入光纤4和光纤5,从光纤4和光纤5输出的光分别进入探测端20，从探测端20返回的光通过光纤4和光纤5返回耦合器3，并进入光纤14，经光纤14输出的光经透镜15准直，照射到光栅16，被光栅16衍射的光经透镜17成像于相机18，相机18输出干涉光谱给计算机19进行处理；

3、探测端20为四边形，光纤4和光纤5分别从探测端20的两个对角处输入并分别连接准直器6和准直器13，准直器6和准直器13分别连接分光棱镜7和分光棱镜12；探测端20的另外两个对角处分别设置有反射镜8和反射镜11，反射镜接收分光棱镜的光并进行反射；

4、基准测量时：探测端20内的准直器6和准直器13分别从光纤中接收光并经准直后分别输出给分光棱镜7和分光棱镜12；分光棱镜7将光路分为光路21和光路22，光路21经反射镜11反射进入分光棱镜12，光路22经反射镜8反射进入分光棱镜12，两路21和22在分光棱镜12中合光成为光路s1，光路s1进入准直器13，经光纤5返回耦合器3，并进入光纤14；分光棱镜12将光路分为光路23和光路24，光路23经反射镜11反射进入分光棱镜7，光路24经反射镜8反射进入分光棱镜7，两路光在分光棱镜7中合光成为光路s2，光路s2进入准直器6，经光纤4返回耦合器3，并进入光纤14；经传递后，光路s1和s2在相机18生成干涉光谱，并输出给计算机19处理；

5、量块测量时：将待测量块25放入分光棱镜7和反射镜11之间，将标准量块26放入分光棱镜12和反射镜8之间，光路21经待测量块25的左端面反射进入分光棱镜7，光路22经标准量块26的左端面反射进入分光棱镜7，两路反射光在分光棱镜7中合光成为光路p1，光路p1进入准直器6，经光纤4返回耦合器3；光路23经待测量块25的右端面反射进入分光棱镜12，光路24经标准量块26的右端面反射进入分光棱镜12，两路反射光在分光棱镜12中合光成为光路p2，光路p2进入准直器13，经光纤5返回耦合器3；经传递后，光路p1和p2在相机18生成干涉光谱，并输出给计算机19处理。

6、一种较佳的实施方式，分别对得到的光路s1、s2、p1和p2进行高通滤波和低通滤波处理后传递给计算机19。

7、本发明实施例提供了一种量块测量方法，具体包括：

8、步骤a：使用上述量块测量装置，进行基准测量得到干涉光谱s1和s2，进行量块测量得到干涉光谱p1和p2；

9、步骤b：由s1获得光路21和22的光程差ds1，由s2获得光路23和24的光程差ds2，由p1获得光路21和22的光程差dp1，由p2获得光路23和24的光程差dp2；

10、步骤c：计算待测量块25和标准量块26的长度差

11、δ＝(ds1+ds2)/2-(dp1-dp2)/2，标准量块26的长度与长度差之和，即为待测量块25的长度。

12、一种较佳的实施方式，对得到的干涉光谱进行高通滤波和低通滤波处理，分别得到干涉光谱s1、s2、p1和p2。

13、一种较佳的实施方式，光程差ds1获得步骤包括：

14、b1：设待测量ds1等于d，干涉光谱s1经过滤波及整形，表示为i(kn，d＝)＝cos(knd+θ0)，kn为波数，θ0为未知的初始相位，下标n表示光谱仪的像素序列数；

15、b2：将i(kn，d)从中间均分成两部分：i1(k1i，d)和i2(k2j，d)，其波数中间值分别为kc1和kc2；

16、b3：对i1(k1i，d)进行希尔伯特变换，得到i′1(k1i，d)＝sin(k1id+θ0)，变换得到θ1(i)＝arctan(i′1(k1i，d)/i1(k1i，d))，arctan表示反正切计算，对θ1(i)进行相位去卷绕，得到θ′1(i)，由于三角函数的周期性，θ′1(i)和实际的相位(k1id+θ0)相差2n1π，m1未知；对θ′1(i)进行线性拟合，得到拟合的常数项a1，假定θ0＝0，令a＝[k11 k12…k1i…]t，则d1＝(ata)-1at(i1(k1i，d)-a1)，t表示转置，d1表示用i1(k1i，d)，计算得到的光程差d的结果；

17、b4：对i2(k2j，d)进行希尔伯特变换，得到i′2(k2j，d)＝sin(k2jd+θ0)，得到θ2(j)＝arctan(i′2(k2j，d)/i2(k2j，d))，对θ2(j)进行相位去卷绕，得到θ′2(j)，θ′2(j)和实际的相位(k2jd+θ0)相差2m2π，m2未知；对θ′2(j)进行线性拟合，得到拟合的常数项a2，假定θ0＝0，令a＝[k21k22…k2j…]t，则d2＝(ata)-1at(i2(k2j，d)-a2)，d2表示用i2(k2j，d)，计算得到的光程差d的结果；

18、b5：由d1和d2计算θ0，得到θ0＝(d1-d1)kc1kc2/(kc2-kc1)；

19、b6：计算s1＝(d1+d1-(d1-d1)(kc2+kc1)/(kc2-kc1))/2；

20、按照光程差ds1获得步骤，以相同的方式，分别将与s2、p1和p2相对应的数据进行替换，由s2、p1和p2分别得到ds2、dp1和dp2。

21、本发明实施例的量块测量装置和方法，将待测量块和标准量块同时放入测量系统，同时比较两者的长度差，由于外界对两者的干扰相同，因此在长度差δ＝(ds1+ds2)/2-(dp1-dp2)/2，dp1和dp2是相减运算，将相同的干扰消除，实现更高的精度和可靠性；干涉光谱的初始相位影响干涉光谱的解调精度，而初始相位一般为未知。在现有技术中，一类方法是忽略初始相位，得到低精度解，第二类方法是使用多次迭代方法计算初始相位，提高解调精度，但是速度较慢，本发明的解调方法，步骤b5中可以直接计算初始相位，获得高精度解调，同时，不需要迭代计算，计算速度快，。