接觸式干涉儀的調(diào)整和修理

沈瑤瓊/上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

接觸式干涉儀是以光波干涉原理為基礎(chǔ)[1]，采用微差比較法測(cè)量長(zhǎng)度的高準(zhǔn)確度儀器。主要用于檢定尺寸小于150mm的2等和2等以下的量塊，也可對(duì)其他高準(zhǔn)確度零件進(jìn)行測(cè)量或作高準(zhǔn)確度定位[2]。在一般計(jì)量部門，接觸式干涉儀較多地使用于檢定和校準(zhǔn)3、4等量塊。

圖1 接觸式干涉儀工作原理

接觸式干涉儀的工作原理（見圖1）是由白光光源1發(fā)出的光通過(guò)聚光鏡2會(huì)聚，經(jīng)干涉濾光片3射到分光鏡4上。分光鏡4將光束分為兩路，一路經(jīng)分光鏡4反射至參考鏡7并返回分光鏡4。另一路透過(guò)分光鏡4，經(jīng)補(bǔ)償鏡5射向與測(cè)頭相連的可動(dòng)平面反射鏡6，然后反射返回。由擺動(dòng)反射鏡7和可動(dòng)反射鏡6反射回來(lái)的光又重新匯合產(chǎn)生干涉條紋。干涉條紋經(jīng)透鏡8成像于分劃板9上，通過(guò)目鏡10在視場(chǎng)中可看到分劃板9上的分度分劃線，還可看到因測(cè)桿位置上下微量變化而移動(dòng)的零級(jí)干涉條紋。用此零級(jí)干涉條紋做指標(biāo)線，其相對(duì)于分劃板分度線的移動(dòng)量表征了測(cè)桿位置的變化量。由此接觸式干涉儀的光波干涉系統(tǒng)把人眼無(wú)法察覺、隨被測(cè)尺寸變化而微量上下位移的測(cè)桿移動(dòng)量放大到人眼很容易分辨的、干涉條紋相對(duì)于分劃板上分度間隔的位移量。

1 使用中的問題及調(diào)整

1.1 工作臺(tái)升降不靈的修理

問題：由于這種儀器經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用，或由于維護(hù)不當(dāng)，主軸會(huì)產(chǎn)生跳動(dòng)或過(guò)緊的情況，主要原因是主軸表面有劃痕或毛刺以及浸入微小顆粒、臟物等引起的。

消除的方法：把接觸式干涉儀左側(cè)的彈簧壓板扳開，從底座上取下主軸，用航空汽油清洗，必要時(shí)用燈光照明仔細(xì)地檢查，務(wù)必要清洗干凈。如有局部劃痕或毛刺應(yīng)該用平瑪瑙油石輕微地磨削，最后再用汽油清洗，然后用潔凈的鹿皮或綢布擦干，稍微上些儀表油或錠子油（不宜過(guò)多），擦洗完畢定溫30～60min后，再按順序裝好，方可達(dá)到要求。

1.2 支臂松動(dòng)的調(diào)整

問題：接觸式干涉儀的支臂在使用過(guò)程中，往往會(huì)遇到上下移動(dòng)松緊不一致的問題。支臂松緊不一致會(huì)給測(cè)量帶來(lái)不必要的麻煩。產(chǎn)生支臂松緊不一致的原因：①由于長(zhǎng)時(shí)間使用后，立柱和支臂燕尾受到一定程度的磨損，較嚴(yán)重的部分是中下部，因?yàn)樵摬糠制綍r(shí)使用比較頻繁，上部一般磨損較少，因磨損量不同造成支臂上下移動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生松緊不一致。②支臂鑲條的磨損。

消除的方法：由第一種原因產(chǎn)生的松動(dòng)可以刮削立柱燕尾，需用的工具：①劈刀，②生鐵研磨具（角度應(yīng)符合立柱燕尾槽），③細(xì)平油石。需用的輔料有氧化鐵與機(jī)油混合物。經(jīng)過(guò)鏟削后的立柱燕尾，要求顯點(diǎn)均勻，支臂移動(dòng)時(shí)應(yīng)達(dá)到檢定規(guī)程要求。由第二種原因產(chǎn)生的松動(dòng)，當(dāng)支臂上下移動(dòng)間隙微小時(shí)，可依靠支臂調(diào)整螺釘消除。當(dāng)間隙過(guò)大時(shí)，必須更換新的鑲條。

支臂的松動(dòng)是不能忽視的，當(dāng)支臂因使用者疏忽而沿導(dǎo)軌滑下來(lái)時(shí)，會(huì)把測(cè)帽碰碎，或使鏡管測(cè)桿裝置受到?jīng)_擊，造成損壞。

1.3 分劃板移動(dòng)直線性的調(diào)整和修理

（1）分劃板沿導(dǎo)軌移動(dòng)，由于磨損而產(chǎn)生間隙。可以借助于固定導(dǎo)軌的螺釘來(lái)調(diào)整。

（2）如果油泥過(guò)多，可取下分劃板座，將燕尾導(dǎo)軌清洗干凈，再進(jìn)行調(diào)整。檢查分劃板質(zhì)量的好壞可調(diào)整螺釘，使分劃板移動(dòng)20格左右時(shí)，用眼睛從目鏡處觀察。分劃板座在導(dǎo)軌上移動(dòng)時(shí)，不允許有松緊不一致或扭歪及傾斜現(xiàn)象。分劃板座燕尾及導(dǎo)軌部件在壓砂平板上壓光，其表面粗糙度要求達(dá)到10級(jí)。平行性達(dá)到要求的特點(diǎn)是安裝后，在移動(dòng)分劃板座時(shí)無(wú)松、緊現(xiàn)象。分劃板裝入其座內(nèi)時(shí)，應(yīng)保持分度線與燕尾平行。同時(shí)要注意使板座移動(dòng)的兩支彈簧長(zhǎng)度相等，拉力一致。如果分劃板座裝入導(dǎo)軌內(nèi)有間隙存在時(shí)，需把壓板螺釘松開，靠螺釘與螺孔本身的間隙調(diào)整。如果調(diào)節(jié)范圍不夠，可以將螺孔的一邊銼去一點(diǎn)，再進(jìn)行調(diào)整。

（3）使分劃板直線移動(dòng)達(dá)到要求，必須保證三個(gè)條件：

a.燕尾直線性好，表面粗糙度到達(dá)10級(jí)。b.分劃板座燕尾要平行。c.分劃板座移動(dòng)無(wú)間隙。

經(jīng)過(guò)裝配、調(diào)整和修理后，把分劃板座取下擦洗干凈，稍微加入潤(rùn)滑油，按次序裝配好。

1.4 擺動(dòng)反射鏡的作用和調(diào)整

有擺動(dòng)反射鏡反射的光束構(gòu)成干涉儀的兩支相干光束中的一支。通過(guò)兩個(gè)十字槽調(diào)整螺釘，應(yīng)使反射鏡能無(wú)間隙地自由擺動(dòng)。如果擺動(dòng)失效，原因是反射鏡殼體的螺旋盤簧的彈力不均勻，或者有卡住現(xiàn)象，或是夾持反射鏡殼體外框架上的兩頂針頭螺釘擰得過(guò)緊。消除此項(xiàng)問題時(shí)需要把反射鏡取下來(lái)（注意不要把反射鏡表面的鋁鍍層碰掉）。取下反射鏡殼體，同時(shí)將螺旋盤簧取出，再將盤簧的螺旋中心撥偏一個(gè)角度，使其位置在兩個(gè)十字槽螺釘之間的45°方向之后再將盤簧壓緊。若在裝上反射鏡殼體和框架之后仍舊發(fā)現(xiàn)干涉帶不穩(wěn)定，可能是框架上或殼體上的兩個(gè)60°螺釘孔內(nèi)表面粗糙度不符合要求，也可能是兩頂針頭螺釘互不同心。

當(dāng)調(diào)整干涉帶寬窄或方位的變化不正常時(shí)，應(yīng)調(diào)整在反射鏡框上互成90°的四個(gè)頂尖螺釘，使反射鏡擺動(dòng)軸心處在分劃板視場(chǎng)中心。要求：當(dāng)擰動(dòng)水平方向十字槽螺釘時(shí)，應(yīng)該在目鏡中看到干涉帶在視場(chǎng)中心均勻地展開，不應(yīng)有超過(guò)45°的傾斜。當(dāng)擰動(dòng)垂直方向十字槽螺釘時(shí)，干涉帶應(yīng)繞視場(chǎng)中心發(fā)生傾斜變化。

干涉帶的寬窄和方位的變化是否穩(wěn)定，主要取決于以下幾個(gè)因素：一是反射鏡殼體和框上的60°螺釘孔的表面粗糙度和兩頂尖螺釘孔的同心度。二是螺釘?shù)乃删o程度。三是反射鏡擺動(dòng)軸心與顯微鏡光軸的同心度。如上述條件達(dá)到要求，即可消除此問題。

擺動(dòng)反射鏡裝置的結(jié)構(gòu)和拆卸。為了進(jìn)一步了解反射鏡結(jié)構(gòu)裝置，將擺鏡系統(tǒng)的調(diào)整介紹如下：當(dāng)發(fā)現(xiàn)反射鏡表面有污點(diǎn)或調(diào)整失靈，必須拆卸修理時(shí)，從反射鏡殼體松開四個(gè)螺釘，取下壓環(huán)和反射鏡，松開調(diào)整螺釘，擰出擺動(dòng)反射鏡螺釘，即可取出反射鏡殼體及框架。再分解框架，松開螺釘取下反射鏡殼體。此外，從反射鏡殼上擰出螺釘方可取出螺旋盤簧，到此全部拆卸完成。經(jīng)過(guò)拆卸、清洗和調(diào)整之后，再按原位置安裝調(diào)整。

1.5 測(cè)桿徑向間隙的修理

產(chǎn)生間隙的原因很多，要從外到內(nèi)進(jìn)行檢查：

（1）工作臺(tái)松動(dòng)

瑪瑙頭的重合與瑪瑙頭上下位置的調(diào)整。工作臺(tái)的螺釘要緊固。兩個(gè)瑪瑙頭的位置要重合。瑪瑙工作臺(tái)上的瑪瑙頭高出筋條不能過(guò)高，一般控制在0.0012～0.0015mm為宜。

（2）工作臺(tái)與量塊的研合

如果工作臺(tái)上有小毛刺，可以用瑪瑙石或白玉油石磨削。如果毛刺大，應(yīng)該進(jìn)行壓光。測(cè)量時(shí)，用干凈的擦布擦干凈。

（3）測(cè)桿與工作臺(tái)的垂直性

如果測(cè)桿與工作臺(tái)的垂直性超過(guò)0.004mm，則要對(duì)測(cè)桿進(jìn)行校正。在精密V形鐵上，轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)桿，在測(cè)桿頭部和尾部處打千分表，檢查四個(gè)方向，每180°進(jìn)行一次。調(diào)整方法是用專用扳手，扳動(dòng)測(cè)桿下套，向相反的方向扳動(dòng)，要求平行性0.01mm。

（4）彈簧片的更換

先將測(cè)帽取下，再用專用調(diào)整扳手?jǐn)Q下調(diào)整帽、緊固環(huán)，松開四個(gè)小螺釘（如果鏡管下面有小駐螺的，還要把駐螺擰掉），并作方向和深度的記號(hào)（如果是蘇制的可以不做記號(hào)）。然后用扳手將測(cè)桿取出，用干凈紙包好反射鏡。將彈簧片組取下，取出壓圈、彈簧片，換新彈簧片。裝好后用樣板校好。壓圈和小壓圈要求平行，厚度一致。每個(gè)組成部件的連接不可有微小的松動(dòng)。按相反的順序裝好校正平行。彈簧片的材料和硬度對(duì)測(cè)桿的間隙有直接的影響。如果是國(guó)產(chǎn)的干涉儀，可以將測(cè)桿稍微轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，再進(jìn)行調(diào)整、檢查間隙的情況（轉(zhuǎn)動(dòng)的目的是調(diào)間隙最小的位置）。

1.6 示值超差[3，4]的修理和消除

（1）由于量塊本身有毛刺，使測(cè)量誤差加大。消除辦法：可以用瑪瑙石或白玉油石去掉毛刺或修理。

（2）使用瑪瑙工作臺(tái)時(shí)，瑪瑙頭的位置不能太高，約為0.0012～0.0015mm最合適。

（3）如果儀器本身用的是單色濾光片，其實(shí)際透過(guò)波長(zhǎng)與標(biāo)定波長(zhǎng)不符合，為了測(cè)量正確，可重新測(cè)量波長(zhǎng)或更換新的濾光片。

（4）對(duì)蘇制干涉儀使用0.2 μm格值[5]時(shí)，需要辨清干涉帶的變級(jí)情況（即零級(jí)條紋移至分劃板邊緣時(shí)顏色改變）。為了防止干涉帶變級(jí)，當(dāng)干涉帶條移動(dòng)時(shí)，將目鏡隨著干涉帶移動(dòng)方向也擺動(dòng)一個(gè)角度，目的是使干涉帶與目鏡主光軸接近，使得干涉示值帶容易認(rèn)清。

（5）干涉條紋分布不均勻，即干涉帶的寬度不等。用單色光觀察，以分劃板零位為基準(zhǔn)，干涉帶一邊寬一邊窄。其原因是測(cè)桿反射鏡的反射面與測(cè)桿不垂直，或者擺動(dòng)反射鏡平行性差。由于兩個(gè)反射鏡面間、反射鏡面與分光鏡面間產(chǎn)生夾角，兩面交線與擺動(dòng)反射鏡擺動(dòng)軸線不平行，在調(diào)干涉帶寬窄時(shí)由于兩邊角度變化不一致，造成干涉帶條紋分布不均勻。

在相差較少時(shí)，可以轉(zhuǎn)動(dòng)物鏡來(lái)補(bǔ)償；相差較大時(shí)，可以改變兩反射鏡的角度或更換反射鏡或分光鏡（換分光鏡時(shí)必須換一對(duì)），反射鏡與分光鏡之間有一定的聯(lián)帶關(guān)系。另外要檢查分光鏡與補(bǔ)償鏡之間的標(biāo)準(zhǔn)金屬板是否符合要求，其平行度應(yīng)該達(dá)到0.1 μm，不能有銹點(diǎn)和毛刺。

1.7 干涉帶的調(diào)整和出現(xiàn)的條件

對(duì)測(cè)桿沒有被拆卸過(guò)的干涉儀，調(diào)整干涉帶時(shí)，首先對(duì)好燈絲，調(diào)整兩個(gè)帶十字槽的調(diào)整螺絲使燈絲像重合[5]。其次光程差要調(diào)整相等。要看清后面的反射鏡表面上的臟點(diǎn)，前后移動(dòng)物鏡（前后移動(dòng)物鏡是為了避免干涉帶出現(xiàn)時(shí)看得不明顯）。然后微微上下轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整帽，使擺動(dòng)反射鏡和測(cè)桿反射鏡的反射面到分光鏡的 距離相等。在調(diào)整時(shí)，最好用單色光。對(duì)已經(jīng)拆卸過(guò)的干涉儀，先用準(zhǔn)直管將兩個(gè)反射鏡校正垂直。在準(zhǔn)直管中，要使兩個(gè)形象重合。擺動(dòng)分光鏡座，使兩根燈絲線重合，再緊固分光鏡座。移動(dòng)物鏡，看清擺動(dòng)反射鏡表面上下移動(dòng)測(cè)桿，改變光程差（在移動(dòng)測(cè)桿時(shí)，保證燈絲重合）直到看清上、下反射鏡表面為止。這時(shí)，一定要耐心，集中精力，仔細(xì)觀察，慢慢地轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)桿。因?yàn)槌霈F(xiàn)的帶條往往是很窄的，移動(dòng)得很快，不容易看見，而有時(shí)又很寬，移動(dòng)得更快。如果是國(guó)產(chǎn)的干涉儀，調(diào)出干涉帶后，向下退一圈左右，然后緊固四個(gè)螺釘。

1.8 分光鏡的裝配和修理中換新的分光鏡

裝配時(shí)，先將補(bǔ)償鏡裝在長(zhǎng)型彈簧片的鏡座上，再平行地裝好標(biāo)準(zhǔn)金屬板，然后將分光鏡固定在標(biāo)準(zhǔn)金屬板上。位置要正確，不應(yīng)偏上或偏下，要求平行、干凈、補(bǔ)償鏡和分光鏡的表面上不應(yīng)有任何的劃傷和臟物，兩鏡片所受壓力不能過(guò)大，受力要均勻，并能用手輕微地推動(dòng)。分光鏡和補(bǔ)償鏡在加工時(shí)的準(zhǔn)確度要一樣，在裝配時(shí)可以互相調(diào)換。補(bǔ)償鏡和分光鏡加工時(shí)，要在一塊玻璃材料上下料，并且要求這兩塊玻璃平行。如平行性不好或者材料不一致會(huì)影響黑色干涉帶的顏色，干涉條紋的顏色也不對(duì)稱了。

1.9 物鏡的裝配

物鏡是由金屬工件和各個(gè)透鏡組成的物鏡組，簡(jiǎn)稱物鏡。它位于鏡管的一端，由滾花螺釘固定在鏡管上，并可借助于該滾花螺釘，前后移動(dòng)物鏡組，以調(diào)節(jié)干涉帶的清晰度。物鏡是儀器的主要部分之一，所以物鏡各組件在組合時(shí)，必須按圖紙的要求進(jìn)行。例如間隙圈的尺寸是否符合圖紙的要求，透鏡前后位置是否正確，透鏡與物鏡套筒配合的松緊程度是否合適等。金屬工件必須經(jīng)過(guò)表面氧化處理，目的在于防止工件本身銹蝕，減少對(duì)像質(zhì)的不良影響以及產(chǎn)生漫反射光。經(jīng)過(guò)表面處理的零件要用汽油清洗干凈和烘干。透鏡不準(zhǔn)有劃傷和氣泡，膠合的透鏡不能有開膠現(xiàn)象（膠合透鏡不允許有空氣泡）。在裝配之前均需仔細(xì)檢查。各透鏡的方向不能裝反，否則裝在儀器上之后，會(huì)影響干涉帶的清晰程度。

1.10 目鏡的裝配

目鏡是由透鏡和金屬工件組成的，用螺釘固定在分劃板座外殼上，并可以繞螺釘?shù)妮S線擺動(dòng)。裝配時(shí)，把透鏡安放在殼內(nèi)。目鏡有兩種透鏡：一種是膠合透鏡，另一種是單片透鏡（或稱場(chǎng)鏡）。兩種透鏡分別裝入殼內(nèi)，都以壓邊固定。壓邊的工具是用表面粗糙度比較好的金屬棒，直徑約6～9mm，或者用專用工具。壓邊在車床上或用手工的辦法進(jìn)行，用力不能過(guò)大和過(guò)猛，以防止把透鏡邊緣壓破或使膠合透鏡開膠等。在修理過(guò)程中，如果目鏡或是物鏡由于內(nèi)部發(fā)生霉點(diǎn)或水珠等情況影響了像的清晰度時(shí)就需要拆卸，對(duì)各透鏡進(jìn)行清洗和修理。必須注意應(yīng)按照原來(lái)的部位和順序進(jìn)行裝配。

2 結(jié)語(yǔ)

總之，由于接觸式干涉儀屬高準(zhǔn)確度幾何量測(cè)量?jī)x器，所以在使用和操作過(guò)程中應(yīng)仔細(xì)、謹(jǐn)慎。如碰到儀器出現(xiàn)問題，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行維護(hù)和修理，以保證接觸式干涉儀在量值傳遞和溯源過(guò)程中的準(zhǔn)確性。

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