恶劣环境条件下的干涉仪长度测量

主要适用领域： 航空工业和其他大型组件制造商(风电产业等)、坐标测量机的制造商和操作者、校准服务提供商

凭借一个国际研发项目的支持，德国联邦物理技术研究院(PTB)开发出一种具有3D功能、可自补偿空气的光学折射率的干涉仪原型。这种3D激光仪已经在恶劣的工业环境条件下成功完成了两组系列测试。

上图为波兰计量研究院(GUM)对这台3D激光仪的验证。SIOS GmbH制造的3D激光仪(如小图所示)，分别用532 nm和1064 nm的波长来测定19m的恒定距离。当使用温度传感器网络来补偿折射率时，依其所示，测得的距离在预热阶段最多甚至减少了30 μm(红色曲线)。与此相反，根据自修正折射率得到的距离(蓝色曲线)却能保持稳定(不过噪声略高)。

　　如今，不论是工业还是基础研究，对大型部件(尺寸为几米)的测量准确度都要求越来越高。例如，在航空工业中，机翼部件上钻孔定位的测量准确度必须在几十微米左右。这种准确度可以通过各种光学测量手段来实现，特别是干涉仪的运用。然而，要想得到准确的测量结果，就必须充分掌握环境空气折射率的精确度。也就是说，需要准确探测下列环境参数：压力、温度、相对湿度和二氧化碳浓度。例如，如果10米长度的测量准确度要达到微米级，那么，光束内部温度的准确度就要达到0.1K。实验室的空调设施都很完善，但是对于在实验室以外的环境中进行测量，就只能通过十分密集和精密的传感器网络来获取近似的环境参数。

　　在一个称为“工业大体积计量”(LUMINAR ，Large Volume Metrology in Industry)的国际项目范围内，采用了另一种方法：通过色散折射补偿，确定折射率与实际测量长度平行。因此，可用两台干涉仪来测量几何长度，它们的光学频率(即波长)不同但都精确已知。将通过这种方式得到的路径长度相关数据进行整合，就可以确定折射率，并就此确定精确的几何长度，这种方式无需测量其他数据，且准确度高达1×10–7。

　　在LUMINAR项目范围内，PTB与SIOS Meßtechnik GmbH一起开发了一台自动跟踪干涉仪的原型，能自补偿折射率。探头可以自动跟踪空间中的测量反射器。为此，使用了两台不同波长且相互稳定的NdYAG激光器。

　　同一项目范围内，波兰计量研究院(GUM)在50米的比较器部分(comparator section)对这台3D激光仪进行了可控恶劣环境条件下的测试。此外，它还成功地在英国菲尔顿的空客测试机库的真实工业条件下完成了测试。因此经证实，这种自补偿光学折射率的测量不确定度在微米范围内。

　　这套程序已获得两项专利。通过已建立的多点定位程序，该系统可用于确定空间中的点的位置，也就是说，在将来，它可用于校准大型坐标测量机(例如用于测量风力涡轮机部件的大型坐标测量机)。