长度的测量仪器汇总1课件

长度测量长度测量的标准量 标准量是体现测量单位的某种物质标准量是体现测量单位的某种物质形式，具有较高的稳定性和精确度。形式，具有较高的稳定性和精确度。光波波长：直接使用米定义咨询委员会推荐使用的五种激光和两种同位素光谱灯的任一种来复现。量块是由两个相互平行的测量面中心之间的距离来确定其工作长度的一种高精度量具。量块是单值量具，可以组合使用。量块的公称尺寸和实测尺寸。光栅、容栅的栅距和感应同步器的线距。测量效率高；容易实现数字显示和自动记录，可以实现测量自动化和自动控制。黑白透射光栅长度尺寸测量轴类零件尺寸的测量孔类零件尺寸的测量大尺寸的测量微小尺寸的测量轴类零件尺寸测量轴类零件尺寸测量绝对测量绝对测量千分尺、卡尺、测长仪千分尺、卡尺、测长仪相对测量相对测量在比较仪上和标准块规进行比较读取数值在比较仪上和标准块规进行比较读取数值光学比较仪、光学计、干涉仪光学比较仪、光学计、干涉仪光学比较仪（如立式光学计）光学比较仪（如立式光学计）一、轴类零件尺寸的测量一、轴类零件尺寸的测量结构结构光学计管光学计管：测量读数的主：测量读数的主要部件；要部件；零位调节手轮零位调节手轮：可对零位：可对零位进行微调整；进行微调整；测帽测帽：根据被测件形状，：根据被测件形状，选择不同的测帽套在测杆选择不同的测帽套在测杆上。选择原则：与被测件上。选择原则：与被测件的接触面积要最小；的接触面积要最小；工作台工作台：对不同形状的被：对不同形状的被测件，应选用不同的工作测件，应选用不同的工作台台.光学计基本原理：在自准直平行光管系统中加入了一块可旋转光学计基本原理：在自准直平行光管系统中加入了一块可旋转的反射镜。的反射镜。工作原理工作原理光线由进光反射镜光线由进光反射镜6 6进入光学计管中进入光学计管中由通光棱镜由通光棱镜7 7将光线转折将光线转折9090度，照亮度，照亮分划板分划板4 4上的标尺上的标尺9 9标尺上有标尺上有100100格的刻线，此处刻线格的刻线，此处刻线作为目标，作为目标，位于物镜位于物镜2 2的焦平面上的焦平面上由标尺由标尺9 9发出的光线经棱镜发出的光线经棱镜3 3后转折后转折9090度，透过物镜度，透过物镜2 2成为平行光线，射成为平行光线，射向平面反射镜向平面反射镜平行光线被反射回来，重新透过物平行光线被反射回来，重新透过物镜镜2 2，再经棱镜，再经棱镜3 3汇聚于分划板汇聚于分划板4 4的另的另一半上一半上分划板上有固定指示线分划板上有固定指示线当测量杆当测量杆1111上下移动时，推动平面上下移动时，推动平面反射镜产生摆动，于是标尺反射镜产生摆动，于是标尺9 9的像的像相对于指示线产生了移动相对于指示线产生了移动移动量可通过目镜移动量可通过目镜5 5进行读数进行读数y/s光学杠杆的放大倍数一般光学计中，f=203.5mm,a=5.0875mm，k80若光学杠杆放大倍数为若光学杠杆放大倍数为8080目镜的放大倍数为目镜的放大倍数为1212，则量仪的放大倍数，则量仪的放大倍数K=12K=128080=960=960光管中分划板上刻度尺的刻度间距为光管中分划板上刻度尺的刻度间距为0.08mm0.08mm，从目，从目镜中看到的刻度尺影象的刻度间距为镜中看到的刻度尺影象的刻度间距为a=a=12*0.08=0.96mm12*0.08=0.96mm。因此，量仪的分度值。因此，量仪的分度值i=a/i=a/K=0.001mm=1mK=0.001mm=1m从目镜中可以读出刻度尺零刻线影象相对于固定指从目镜中可以读出刻度尺零刻线影象相对于固定指示线移动的格数，将它乘以量仪的分度值就是量仪示线移动的格数，将它乘以量仪的分度值就是量仪示值。示值。由于零刻线两侧各有由于零刻线两侧各有100100格刻度，因此量仪的示值格刻度，因此量仪的示值范围为范围为-l00m-l00m到到+100m+100m。2.2.仪器精度分析仪器精度分析（1 1）组成仪器误差主要的系统误差）组成仪器误差主要的系统误差（2 2）组成仪器误差的随机误差）组成仪器误差的随机误差（3 3）测量误差）测量误差（1 1）组成仪器误差主要的系统误差）组成仪器误差主要的系统误差a.a.由分划板的刻度误差由分划板的刻度误差11所引起的误差所引起的误差b.b.原理误差原理误差c.c.物镜畸变所引起的误差物镜畸变所引起的误差d.d.由于杠杆短臂调整不准所引起的误差由于杠杆短臂调整不准所引起的误差（2 2）组成仪器误差的随机误差）组成仪器误差的随机误差a.a.由于量杆配合间隙引起的误差由于量杆配合间隙引起的误差b.b.读数误差读数误差（3 3）测量误差）测量误差a.a.标准件误差标准件误差b.b.测量力引起的误差测量力引起的误差c.c.温度误差温度误差光学灵敏杠杆测量孔径光学灵敏杠杆测量孔径二、孔类零件尺寸的测量二、孔类零件尺寸的测量工具显微镜主要用于测量螺纹的几何参数、工具显微镜主要用于测量螺纹的几何参数、金属切削刀具的角度、样板和模具的外形金属切削刀具的角度、样板和模具的外形尺寸等，也常用于测量小型工件的孔径和尺寸等，也常用于测量小型工件的孔径和孔距、圆锥体的锥度和凸轮的轮廓尺寸等。孔距、圆锥体的锥度和凸轮的轮廓尺寸等。工具显微镜的基本测量方法有工具显微镜的基本测量方法有影像法和轴影像法和轴切法。切法。光学灵敏杠杆光学灵敏杠杆图图338 灵敏杠杆结构原理灵敏杠杆结构原理1-测杆测杆 2-反射镜反射镜 3-杠杆支点杠杆支点 4-物镜物镜 5-双线分划板双线分划板 6-光源光源 7-触球触球 8-工件工件对于双线对米字线的瞄准，瞄准精度约为对于双线对米字线的瞄准，瞄准精度约为1010（5 51010-5-5radrad）若若l1太大，则体积太大，也影响它的使用范围太大，则体积太大，也影响它的使用范围三、大尺寸的测量三、大尺寸的测量 测长机测长机 测长仪和测长机结构中带有长度标尺，通常是线纹尺，也可以是光栅尺。测量时，用此尺作为标准尺与被测长度做比较，通过显微镜读数以得到测量结果。量程较短的称为测长仪量程较短的称为测长仪。量程在量程在500mm500mm以上的仪器体形较大，称为测长机以上的仪器体形较大，称为测长机。测长机常用于绝对测量。卧式测长机除能测量外尺寸卧式测长机除能测量外尺寸外，主要用于测量内尺寸。外，主要用于测量内尺寸。测量范围来分，有测量范围来分，有1 1，2 2，3 3，4 4，6m6m，甚至，甚至12m12m仪器的测量座是一个独立部仪器的测量座是一个独立部件。件。由内装由内装100mm100mm线纹标尺的线纹标尺的量轴量轴细分值为细分值为0.001mm0.001mm的的读数显微读数显微镜镜所组成。所组成。刻线尺上从刻线尺上从0 0到到100mm100mm内共有刻线内共有刻线10001000条故条故每格为每格为0.1mm0.1mm；分划板共有分划板共有1010块，每块相距块，每块相距100mm100mm，在每一，在每一块上面刻着两条刻线和块上面刻着两条刻线和0 0，1 1，2 2，9 9之间之间的一个数字，分别代表每一块分划板距刻线的一个数字，分别代表每一块分划板距刻线尺零刻线的距离的分米数值尺零刻线的距离的分米数值光线自光源，经聚光镜，滤光片、反射镜后照亮分划板光线自光源，经聚光镜，滤光片、反射镜后照亮分划板由于分划板位于物镜组由于分划板位于物镜组N2N2的焦平面上，光线通过分划板后，经的焦平面上，光线通过分划板后，经反射镜反射镜M2M2和物镜组和物镜组N2N2后便形成平行光束后便形成平行光束平行光束经过同样焦距的物镜组平行光束经过同样焦距的物镜组N1N1和反射镜和反射镜M1M1后，使分划板成后，使分划板成象于象于100mm100mm刻线尺上刻线尺上因刻线尺亦放置在物镜组因刻线尺亦放置在物镜组N1N1的焦平面上的焦平面上通过读数显微镜进行读数。小于通过读数显微镜进行读数。小于0.1mm0.1mm的读数由光学计管完成的读数由光学计管完成测量过程先对零位，再放工件测量测量过程先对零位，再放工件测量31可编辑对零位对零位：将尾架：将尾架1313沿机身床面向右放于分划板沿机身床面向右放于分划板1414的零刻线上面，将头架的零刻线上面，将头架4 4向左移到刻线尺向左移到刻线尺7 7的零刻的零刻线上面，通过微调螺钉线上面，通过微调螺钉5 5调整头架，使显微镜调整头架，使显微镜3 3的的视场内两个零线对准。再用微调螺钉视场内两个零线对准。再用微调螺钉1616，使左、，使左、右两个测头接触合适，并从光学计管右两个测头接触合适，并从光学计管2 2中对准零线，中对准零线，这时表示仪器的的零位已经调好。这时表示仪器的的零位已经调好。安放工件安放工件：如工件长度的基本尺寸为：如工件长度的基本尺寸为100mm100mm或其整倍数，或其整倍数，则只需移动尾座则只需移动尾座1313使之向左，若工件的基本尺寸除了使之向左，若工件的基本尺寸除了100mm100mm的整倍数外，还有自的整倍数外，还有自0.10.1至至100mm100mm的小数时，则还需的小数时，则还需要将头座要将头座4 4向右移动至所需的数值上，至小数点后的第一向右移动至所需的数值上，至小数点后的第一位数字为止。此时便可将工件位数字为止。此时便可将工件1 1置于前后二个测量座的测置于前后二个测量座的测量头之间。工件的形状如果是圆柱棒，则可用两个放在床量头之间。工件的形状如果是圆柱棒，则可用两个放在床身上的身上的V V型支架型支架1717支承，支承的高度及它们之间的距离，支承，支承的高度及它们之间的距离，均可按需要调节。均可按需要调节。工件安放与调整至合适位置后，便可从光学计管工件安放与调整至合适位置后，便可从光学计管2 2读出小读出小于于0.1mm0.1mm的数值，可估读至的数值，可估读至0.10.1。只要加上从显微镜。只要加上从显微镜3 3中中读得的数值，便是全部的测量值。读得的数值，便是全部的测量值。爱彭斯坦（爱彭斯坦（EppensteinEppenstein）光学补偿方法）光学补偿方法测长机工作原理图测长机工作原理图 (对称的棱镜物镜系统对称的棱镜物镜系统)由于床身导轨直线度误差等原因使尾架移动时绕由于床身导轨直线度误差等原因使尾架移动时绕S S点偏转了一个点偏转了一个在测量线上使被测线段减小了在测量线上使被测线段减小了，由图中的几何由图中的几何关系关系 可得可得由于尾架偏转了由于尾架偏转了 角，和尾架装在一体的棱镜角，和尾架装在一体的棱镜1212、物镜物镜1111射出的平行光束也随着向下与水平光轴倾斜射出的平行光束也随着向下与水平光轴倾斜于是经右方物镜于是经右方物镜9 9和棱镜和棱镜8 8后，分划板后，分划板S S的象由的象由S S移移至至S S,其移动方向与尾架测头的偏移方向相反。其移动方向与尾架测头的偏移方向相反。如果如果 则则式中：式中：H H测量线与刻线尺表面间的距离测量线与刻线尺表面间的距离-尾架偏转角尾架偏转角 l l-尾架测头顶端距尾架测头顶端距S S点垂线的距离点垂线的距离 F F准直物镜准直物镜9 9和和1111的焦距的焦距S S点的像由点的像由S S移到移到S S，在刻线尺，在刻线尺7 7上意味着读数上意味着读数的减小，因此的减小，因此 和和 起了补偿作用。因此测量起了补偿作用。因此测量误差误差将上式展开，略去三次方并化简得将上式展开，略去三次方并化简得如取如取H=FH=F，则，则此为二阶微量误差，故影响不大。此即为爱彭斯坦原则此为二阶微量误差，故影响不大。此即为爱彭斯坦原则光学补偿原理光学补偿原理导轨直线性导轨直线性成像成像s s1 1到到s s2 2处，在刻线处，在刻线面产生的误差为面产生的误差为在测量线方向测端倾斜在测量线方向测端倾斜左移产生的误差为左移产生的误差为若令若令h hf f，则由尾座倾斜带来的阿贝误差，在读数，则由尾座倾斜带来的阿贝误差，在读数时自动消失了，达到了补偿的目的时自动消失了，达到了补偿的目的(结构布局补偿结构布局补偿)1m1m激光测长机底座变形的结构布局补偿法激光测长机底座变形的结构布局补偿法先移动测量头架先移动测量头架3 3，使测量主轴，使测量主轴1111在一定测量力下与在一定测量力下与尾杆接触尾杆接触仪器对零仪器对零移开测量头架，移开测量头架，放上工件放上工件底座增加重量底座增加重量（工件重量）（工件重量）测量头架及工作测量头架及工作台在底座上的位置台在底座上的位置改变改变 若在测量位置上，尾座轴线相对于导轨面在若在测量位置上，尾座轴线相对于导轨面在垂直平面内，发生垂直平面内，发生55倾斜角的零位变化，倾斜角的零位变化，设尾座中心高设尾座中心高200mm200mm措施：措施：1.1.固定角隅棱镜固定角隅棱镜9 9与尾座与尾座5 5固接成一体固接成一体2.2.固定角隅棱镜的锥顶固定角隅棱镜的锥顶安放在尾杆安放在尾杆1010的轴线的轴线离底座导轨面等高的离底座导轨面等高的同一平面内同一平面内3.3.可动角隅棱镜可动角隅棱镜1212的锥的锥顶位于测量主轴顶位于测量主轴1111的的轴心线上轴心线上4.4.尽可能减小角隅棱镜尽可能减小角隅棱镜9 9和尾杆和尾杆1010在水平面内在水平面内的距离的距离2 2）测量头在垂直平面内有倾角变化）测量头在垂直平面内有倾角变化由于总体布局满足第三项内容，符合阿贝原由于总体布局满足第三项内容，符合阿贝原则，因此只有二阶微小误差，可忽略则，因此只有二阶微小误差，可忽略3 3）尾座在水平面内有摆角变化）尾座在水平面内有摆角变化因为不符合阿贝原则，因此误差不能补偿，因为不符合阿贝原则，因此误差不能补偿，根据总体布局第四条，根据总体布局第四条，d d值越小，误差越小值越小，误差越小 激光干涉测长双频激光干涉测长仪光路双频激光干涉测长仪光路 单频激光干涉仪原理单频激光干涉仪原理 1、激光光源：He-Ne气体激光器，频宽达103Hz，相干长度可达300km。2、干涉系统：迈克尔逊干涉原理，位移-测量臂；3、光电显微镜：给出起始位置。实现对对测长度或位移的精密瞄准，使干涉仪的干涉信号处理部分和被测量之间实现同步。4、干涉信号处理部分：光电控制、信号放大、判向、细分及可逆计数和显示记录等。激光干涉测长仪激光干涉测长仪如图，主要有几部分组成：测量光束2和参考光束1相互叠加干涉形成干涉信号。其明暗变化次数直接对应于测量镜的位移，可表示为：基本公式：基本公式：N N干涉信号明暗变化次数，干涉信号明暗变化次数，L L测量镜位移测量镜位移激光干涉测长是增量码式测量，测量开始计数清零激光干涉测长是增量码式测量，测量开始计数清零Lm-LcLm-Lc不变不变初始位置光程差：初始位置光程差：干涉条纹数：干涉条纹数：测量时，反射镜测量时，反射镜M2M2移动，若移动长度为移动，若移动长度为L L，干涉条纹数变为，干涉条纹数变为K K干涉条纹干涉条纹m m倍细分后，再用计数器读数，计数为倍细分后，再用计数器读数，计数为N N：被测长度被测长度L L误差表达式：误差表达式：对对进行全微分，用微分法求出影响激光干涉测长的进行全微分，用微分法求出影响激光干涉测长的主要误差主要误差计数误差计数误差波长不稳定带来的测量误差波长不稳定带来的测量误差空气折射率的影响空气折射率的影响温度、力变形及振动造成初始温度、力变形及振动造成初始光程差变化带来的误差光程差变化带来的误差应用：应用：测测量量微微小小位位移移 测测 折折 射射率率 测测光光谱谱线线的的波波长长和和精精细细结结构构M2M1EG2G1S22 11 半透半反膜半透半反膜19071907年，年，迈克耳逊迈克耳逊获得诺贝尔奖获得诺贝尔奖例例如图在光路如图在光路2 2中，中，插入厚度为插入厚度为h h 的玻璃板，的玻璃板，已知测得条纹冒出的数目为已知测得条纹冒出的数目为N N，所用光源的波长为所用光源的波长为，求玻璃的折射率求玻璃的折射率n n解：解：插入厚度为插入厚度为h h 的玻璃板的玻璃板使的光束使的光束2 2要比光束要比光束1 1多走一段光程，多走一段光程，在屏幕相遇所附加光程差为在屏幕相遇所附加光程差为M2M1EG2G1S22 11 半透半反膜半透半反膜细丝、小孔、镀层厚度、集成电路中的氧化层厚度、各元件间的微小距离、计算机中磁头与磁盘间的微小间隙等等；精度要求也越来越高，如超大规模集成电路中要求位置的测量精度为0.lum的数量级。四四 、微小尺寸、微小尺寸测量测量光纤直径的测量如图所示，激光束经分光镜1后，分成固定能量的两来光：一束光透过分光镜1，经透镜2会聚到被测光导纤维3上，于是在曲率方向上将光束扩展为一条很长的亮线照到透镜4上，透镜4的通光孔径限制了进入透镜的扩展亮线的长短，同时将这部分光线会聚于光电二级管5上，其电信号通过直流放大器后输入比较器的右端；而另一束光则作为比较光束直接照到光电二级管6上，输入直流放大器中进行放大，并输入比较器的左端，由于光导纤维3直径的变化，所扩展的亮线bb的长短也发生变化，而被光电二极管5接收的aa的能量也会有所变化。因而经比较器比较后，可由显示器显示其直径的变化量或绝对值。激光能量激光能量法法准直光源，采用半导体激光为光源，经整形、扩束、准直准直光源，采用半导体激光为光源，经整形、扩束、准直后形成光点小于后形成光点小于1mm1mm的圆形光束；的圆形光束；扫描转镜，为正多面体旋转反射镜，一般为金属在精密机扫描转镜，为正多面体旋转反射镜，一般为金属在精密机床上切削，后进行抛光、镀膜而成；床上切削，后进行抛光、镀膜而成；发射光学系统，为形成准直、匀速扫描光束，采用特殊的发射光学系统，为形成准直、匀速扫描光束，采用特殊的KK透镜组作为发射光学系统；透镜组作为发射光学系统；接收光学系统，为短焦距聚光光学系统；接收光学系统，为短焦距聚光光学系统；光电传感器，采用面型光电传感器，采用面型PINPIN型光电二极管，响应速度快；型光电二极管，响应速度快；当激光光束对被测工件进行扫描，在光学系统给定的有效扫当激光光束对被测工件进行扫描，在光学系统给定的有效扫描区域内，被测工件对扫描光束的遮挡起到描区域内，被测工件对扫描光束的遮挡起到光强调制光强调制的作用。的作用。当扫描器对被测工件进行高速扫描时，产生一光强调制信号，当扫描器对被测工件进行高速扫描时，产生一光强调制信号，这一光强调制信号携带被测量的有关特征信息，接收器通过这一光强调制信号携带被测量的有关特征信息，接收器通过光电变换将这一光信号变成电信号，再经过电子学系统和微光电变换将这一光信号变成电信号，再经过电子学系统和微机实时处理，就可以得到测量结果。机实时处理，就可以得到测量结果。若扫描速度为若扫描速度为，对工件扫描时间为，对工件扫描时间为t t，则被测工件直径，则被测工件直径 未放入被测件未放入被测件放入被测件放入被测件未放入被测件未放入被测件放入被测件放入被测件整形后整形后分离、整形分离、整形扫描脉冲扫描脉冲高频脉冲控制高频脉冲控制激光扫描光束在距透镜光激光扫描光束在距透镜光轴为轴为y y 的位置与多面棱的位置与多面棱体旋转角度之间的关系：体旋转角度之间的关系：在与光轴垂直方向上的在与光轴垂直方向上的扫描线速度为扫描线速度为 填充脉冲频率为填充脉冲频率为M2.5MHz，则脉冲当量：，则脉冲当量：设计中近似地认为在设计中近似地认为在与光轴垂直方向上激光与光轴垂直方向上激光光束的扫描线速度是均光束的扫描线速度是均匀的匀的 n n、为多面棱镜的转速和角速度为多面棱镜的转速和角速度f f为透镜的焦距为透镜的焦距y y为激光光束距光轴的距离为激光光束距光轴的距离引起的原理误差引起的原理误差仪器指示的被测直经仪器指示的被测直经在在 T 时间段内所计脉时间段内所计脉冲数冲数设实际测量钢丝直设实际测量钢丝直经为经为 d0，所用时间，所用时间可见可见：将测量空间中非线性的扫描速度视为线性，采用均匀的（线性的、将测量空间中非线性的扫描速度视为线性，采用均匀的（线性的、固定的）填充脉冲频率，造成线性信号处理方式与非线性扫描特性之间固定的）填充脉冲频率，造成线性信号处理方式与非线性扫描特性之间矛盾，其是产生原理误差的根本原因。一旦设计完成，此误差也就确定。矛盾，其是产生原理误差的根本原因。一旦设计完成，此误差也就确定。62可编辑