激光干涉技术在硬度计量中的应用

本文简单介绍应用激光干涉技术进行洛氏硬度计量。洛氏硬度是通过测量压头在一定压力下，垂直压入硬度块的深度，而后经换算，得出该硬度块的硬度值。应用激光干涉技术，可**得出压头压入硬度块的深度，从而大大减少测量不确定度。

　　洛氏硬度是通过一定形状的金刚石压头或钢球压头测量压入标准硬度块的压痕深度，再经过换算，*终确定硬度块的硬度值。测量过程中会有多项不确定度，压痕深度测量不确定度为其中主要的参数之一。为了*大限度地降低它，在我国激光洛氏硬度国家副基准装置中采用激光干涉技术及现代电子技术，将压痕深度的测量不确定度减小到纳米级。干涉测量装置由稳频激光源、偏振干涉仪、光电转换器，可逆计数器4部分构成，*终将计数结果输入微机，进行计算得出硬度值。装置框图如图1所示。

　　下面，将激光干涉技术与硬度装置的结合，作一简单介绍。

　　1　激光干涉测量原理

　　激光波长值是硬度值的溯源标准。它是用干涉仪来实现的。波长稳定的激光光束入射至干涉仪中，分光镜将其分为两束，这两束光再重合时将发生干涉，形成了干涉带。干涉带的亮度由两束光的相位差决定。两束光中，一束称为参考光束，其相位是固定不变的，另一束为测量光束，其相位随测量反射镜的移动而变化。安装在主轴上的测量反射镜与主轴一起移动，从而使干涉带的亮度产生了连续的变化。故亮度变化的干涉带与主轴位移相对应，即主轴位移可用激光干涉带即激光波长测量。如主轴及测量反射镜移动0~λ/4~λ/2(λ为标准激光光源的波长)，参考光束与测量光束间的光程差相应变化了0~λ/2~λ，则其相位变化了0~π~2π，则干涉带变化了一个条纹。为提高测量精度，用电路系统将干涉带二十细分，以细分后的脉冲即λ/40 (15.825nm)为单位，进行计数。就可使计数不确定度减至纳米量级。

　　2　激光干涉装置在硬度副基准上的应用

　　该干涉测量装置的结构采用了偏振干涉仪，光路如图3所示。激光光源L为半内腔激光器，其输出为线偏振光，偏振面与水平方向成45°。激光光束由可调反射镜M1和M2反射至偏振分光镜PBS，激光光束被PBS分成偏振方向互相垂直的两条同频同幅光束，透射光为参考光束，射至安装在主板上的角隅棱镜C1，反射回PBS；另一路是反射光，为测量光束，射至安装在主轴上端的角隅棱镜C2并被反射回PBS。C1和C2反射的互相垂直的参考光束和测量光束在PBS的分光面上重新汇合，两者叠加为旋转偏振光，经λ/4波长后，变为线偏振光，其相位变化与C2位移相应。C2的位移即为主轴与压头的位移。

该叠加光束经过分光镜BS，又分成透射光和反射光两部分，两者分别聚焦并被偏振分光束镜PBS2和PBS3分成两对信号，再由光电接收器D1与D1′及D2和D2′接收放大，将光信号转换成相应的两对互差π的电信号，相差π的两对信号经差分放大后，形成相差π/2的两组信号，一路为正弦信号，另一路为余弦信号。相差π/2的两组信号即可实现可逆计数，又可实现干涉带的四细分。本装置采用干涉带的电系统二十细分。即从细分后的λ/40为单位(15.825nm)，进行计数。计数值输入微机，经计算后可得到主轴及压头的位移，即得压头压入样块的深度和硬度值。其中由D1和D1′及D2和D2′转换成的互差π的两对信号，经差分放大，可提高信号的信噪比，并可消除零点漂移及直流光强变化的影响。

　　测量过程中，当初试验力保荷时间已满时，计数器清零，并准备计数，则开始加主试验力，此时，计数器接到信号，然后开始计数。当主试验力即将卸除的瞬间，计数器记录下压头已压入N1个量程，由于受弹性变形和塑性变形的综合影响，主试验力被卸除后，压头将回弹一段位移，可逆计数器记录下压头回弹了N2个量程，N1-N2即为我们所需的数据(如图2所示)，副基准上用的激光波长为633nm，每个量程为λ/40，就是15.825nm。换句话说，当压头压入硬度块0.015825μm时，我们的测量装置就可将它记录下来。代入公式：

　　H=K-(h1-h2)/0.002

　　得出硬度值。

　　式中　HR为洛氏硬度值， HR，

　　一个量程为λ/40(15.825nm)；h1为N1个量程的距离； h2为N2个量程的距离；H为硬度值；K为硬度系数。

　　h1-h2=(N1-N2)×λ/40；

　　K=130(洛氏B标尺)；K=100(洛氏C标尺、A标尺)。

3　干涉仪的调整步骤

　　(1)安装激光器L，使其光束偏振方向与干涉仪的水平基面成45°；

　　(2)调整反射镜M1和M2，使光束通过偏振分光镜PBS1。

　　(3)拆下主轴的立体棱镜，安装端面与轴垂直的套筒，并将平行平面反射镜放在套筒端面上，再调节M2，使测量光束的往返光轴重合，即垂直返回，以保证测量光束与光轴的平行性。

　　(4)去掉套筒，安装主体棱镜C2。

　　(5)调节C1使参考光束与测量光束重合。得到同心圆环干涉带为好。

　　(6)调BS，使光束通过两偏振分光镜PBS2及PBS3中心部位。

　　(7)转动PBS2或PBS3，使两路差分放大输出信号相位差π/2，再调整电路直至获得圆环示波图形。

　　4　激光测量系统误差引起的硬度标准不确定度u

　　标准条件下，激光波长与真空中波长的不确定度；空气折射率变化引起的不确定度；测量臂光轴与主轴移动方向不平行引起的不确定度均优于1×10-6，可忽略不计。

　　计数器误差引起的硬度标准不确定度：

　　按B类不确定度评定。以±1脉冲计，深度*大误差相应于±λ/40=±0.015μm，对应的硬度*大误差为±0.0075HR，按均匀分布，则此项标准不确定度为：

　　由此可见：应用激光干涉技术，可获得很小的测量不确定度。