工程光學(xué) 第2章 長度測量

1、第2章 長度測量 我國和國際的長度單位是米。在1983年第十七屆國際計(jì)量大會上正式通過米的新定義如下： “米是光在真空中米是光在真空中1299792458秒的秒的時(shí)時(shí) 間內(nèi)所經(jīng)過的距離。間內(nèi)所經(jīng)過的距離?！?4.1.1 長度單位：米的定義4.1.2 長度量值傳遞 目前，在實(shí)際工作中常使用下述兩種實(shí)物基準(zhǔn)：量塊和線紋尺。首先由穩(wěn)定激光的基準(zhǔn)波長傳遞到基準(zhǔn)線紋尺和一等量塊，然后再由它們逐次傳遞到工件，以確保量值準(zhǔn)確一致。 量塊的精度分級又分等量塊按制造精度分為0、1、2、3、4級，其中0級精度最高，按檢定精度分為1、2、 3、4、5、6等，其中1等精度最高。3.光柵、容柵的柵距和感應(yīng)同步器的線距。

2、 測量效率高； 容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示和自動(dòng)記錄， 可以實(shí)現(xiàn)測量自動(dòng)化和自動(dòng)控制。 黑白透射光柵4.1.4 長度測量的基本原則 阿貝原則：在長度測量時(shí)，為了保證測量的準(zhǔn)確，應(yīng)使被測零件的尺寸線應(yīng)使被測零件的尺寸線( (簡稱簡稱被測線被測線) )和量儀中作為標(biāo)準(zhǔn)的刻度尺和量儀中作為標(biāo)準(zhǔn)的刻度尺( (簡稱簡稱標(biāo)準(zhǔn)線標(biāo)準(zhǔn)線) )重合或順次排成一條直線重合或順次排成一條直線。符合阿貝原則的測量，可盡量減小導(dǎo)軌直線度誤差對測量結(jié)果的影響。4.2 常見尺寸的測量 常見尺寸指的是介于1mm和1m之間的尺寸，可用直接測量法或間接測量的坐標(biāo)測量法。 無論是手動(dòng)測量還是自動(dòng)測量，測量的主要步驟均為： 定位 瞄準(zhǔn) 讀數(shù)

3、數(shù)據(jù)處理 給出測量結(jié)果（一）定位 定位是為了使被測工件處于最佳位，使實(shí)際測量復(fù)合被測量的定義。 典型的工件定位方法有：平面定位、外圓柱面定位、內(nèi)圓柱面定位、頂尖定位等。（二）瞄準(zhǔn) 進(jìn)行被測量與標(biāo)準(zhǔn)量比對時(shí)，需要進(jìn)行準(zhǔn)確的瞄準(zhǔn)。瞄準(zhǔn)常常借助于測量儀器的瞄準(zhǔn)裝置來建立標(biāo)準(zhǔn)量與被測量間正確的應(yīng)對關(guān)系。 標(biāo)準(zhǔn)量的瞄準(zhǔn)形式由儀器的測量方法決定，而被測量的瞄準(zhǔn)形式需根據(jù)被測量的特點(diǎn)選定。 儀器對被測量的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)可分為：接觸式和非接觸式。2.非接觸式瞄準(zhǔn)舉例123456圖5-4 工具顯微鏡非接觸式瞄準(zhǔn)系統(tǒng)光路示意圖照明系統(tǒng)1發(fā)出平行光照亮以工作臺面2定位或用頂尖定位的工件3，物鏡4將被測工件輪廓成像于測角目

4、鏡劃分板5上，人眼借助于目鏡6進(jìn)行瞄準(zhǔn)。在工具顯微鏡上還可用透射光系統(tǒng)或反射光系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)非接觸瞄準(zhǔn)，圖5-4為工具顯微鏡透射光瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的光路示意圖。1）影像法圖5-5 影像法瞄準(zhǔn)視場示意圖測量時(shí)采用影像法，即用測角目鏡分劃板上的米字線或用輪廓目鏡分劃板上相應(yīng)的輪廓線對工件影像進(jìn)行瞄準(zhǔn)。影像法的瞄準(zhǔn)精度受主觀因素影響很大，同一臺儀器，不同的操作者，測量精度和測量效率可能會存在較大差異，所以很多新型儀器用光電元件替代人眼進(jìn)行瞄準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)電子化、自動(dòng)化。（三）讀數(shù) 測量值有很多種顯示方法，如指針式顯示、數(shù)字式顯示等，無論是哪種顯示形式，正式讀取數(shù)值之前均需檢查儀器示值是否能夠“回零”。 一般來說，儀器

5、要做到絕對回零是很困難的，只要偏差在允許范圍內(nèi)，即可認(rèn)為儀器與被測件已進(jìn)入穩(wěn)定的測量狀態(tài)。其讀數(shù)方法如下： 首先讀出游標(biāo)零刻線所指示的左邊尺身上的毫米刻線整數(shù)；然后觀察游標(biāo)刻線與尺身刻線對準(zhǔn)時(shí)的格數(shù)，將游標(biāo)對準(zhǔn)的格數(shù)乘以游標(biāo)讀數(shù)值，即為毫米小數(shù)；最后將毫米整數(shù)與毫米小數(shù)相加，即得被測工件的尺寸讀數(shù)。 如圖42所示，游標(biāo)讀數(shù)值為0.10mm，則被測工件尺寸為2十0.302.30mm。讀數(shù)：14.10mm 2測微量具的讀數(shù)機(jī)構(gòu)和讀數(shù)方法讀數(shù)機(jī)構(gòu)由固定套筒和微分筒組成，如圖所示。在固定套筒上刻有縱刻線，縱刻線上下方各刻有25個(gè)分度，每個(gè)分度的刻線間距為1mm，微分量具中測微螺桿的螺距一船都是0.5m

6、m，微分筒圓周斜面上刻有50個(gè)分度，因此當(dāng)微分筒旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，測微螺桿軸向位移0.5mm，微分筒旋轉(zhuǎn)一個(gè)分度時(shí)，測微螺桿移動(dòng)0.01mm，故常用千分尺的讀數(shù)值為0.01mm。正切機(jī)構(gòu) 測長儀和測長機(jī)結(jié)構(gòu)中帶有長度標(biāo)尺，通常是線紋尺，也可以是光柵尺。測量時(shí)，用此尺作為標(biāo)準(zhǔn)尺與被測長度做比較，通過顯微鏡讀數(shù)以得到測量結(jié)果。 量程較短的稱為測長儀量程較短的稱為測長儀。根據(jù)測量座在儀器中的布置分立式測長儀和臥式萬能測長儀（簡稱萬能測長儀）兩種。立式測長儀用于測量外尺寸；臥式測長儀除能測量外尺寸外，主要用于測量內(nèi)尺寸。 量程在量程在500mm500mm以上的儀器體形較大，稱為測長機(jī)以上的儀器體形較大，稱為

7、測長機(jī)。測長機(jī)常用于絕對測量。 測長儀和測長機(jī)目鏡8的顯微讀數(shù)鏡頭中，可看到三種刻線重合在一起：一種是玻璃刻線尺5上的刻度（圖中的 7、8），其間距為 lmm；一種是目鏡視野中間隔為 0.lmm的刻度（圖 中的 0至10）一種是有10圈多一點(diǎn)的阿基米德螺旋線刻度（圖中上部的35、40、45），螺旋線的螺距為 0.1 mm，螺旋線里面的圓周上刻有100格圓周刻度，因此每格圓周刻度代表0.001mm。圖的讀數(shù)為 7.1410mm。不確定度：（1.5+ L/100）um臥式測長儀臥式測長儀 臥式測長儀又稱為萬能測長儀。 萬能測長儀是把測量座作臥式布置，測量軸線成水平方向的測長儀器。萬能測長儀除了對外

8、尺寸進(jìn)行直接和比較測量之外，還可配合儀器的內(nèi)測附件測量內(nèi)尺寸。臥式測長儀的毫米刻線尺和測量軸水平臥放在儀器的底座上，并可在底座的導(dǎo)軌上作左右方向的移動(dòng)；它主要由底座7、測座1、萬能工作臺5和尾座6組成。顯微鏡法是將被測件的尺寸、輪廓或用光干涉法產(chǎn)生的干涉條紋等，經(jīng)過顯微放大，以便于觀察測量。被測件AB位于物鏡的物方焦點(diǎn)F1之外，但不超過距物鏡兩倍焦距的距離，被測件被物鏡放大成一倒立的實(shí)象AB ，此實(shí)象位于目鏡的物方焦面右方的分劃板上分劃板上，經(jīng)目鏡再次放大在明視距離明視距離J J250mm250mm處成一可從目鏡視場中看到的虛象AB 顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)顯微鏡光學(xué)系統(tǒng) 工具顯微鏡工具顯微鏡立式接觸式

9、干涉儀是一種高精度測微儀。立式接觸式干涉儀立式接觸式干涉儀用接觸式干涉儀測量時(shí)使用白光，即移出濾色片，使視場中出現(xiàn)零級黑條紋。根據(jù)測頭先后與標(biāo)準(zhǔn)件及被測件接觸時(shí)零級條紋位置間的距離，即可測得被測量相對于標(biāo)準(zhǔn)量的偏差值。白光瞄準(zhǔn)，激光定度。接觸式干涉儀測量方法2.相對測量法 用于除00級與1等量塊之外所有等級的量塊，最常用的儀器有接觸式干涉儀、激光干涉儀、立式光學(xué)計(jì)等。用接觸式干涉儀檢定量塊用接觸式干涉儀檢定量塊舉例：量塊的測量. .一、實(shí)驗(yàn)設(shè)備： 1、接觸式干涉儀2. 量塊 標(biāo)準(zhǔn)量塊：8mm的4等量塊 被測量塊：8mm的5等量塊二、儀器簡要說明 1、概述、概述 接觸式干涉儀是應(yīng)用光波干涉原理，

10、采用微差比較測量法測量長度的高精度儀器，主要用于檢定尺寸小于150mm的2等和2等以下的量塊，也可以對其它高精度零件進(jìn)行測量或作高精度定位用。 2、基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)儀器帶有三個(gè)工作臺，即平面、瑪瑙和五筋工作臺。 在檢定10mm以下塊規(guī)時(shí)，應(yīng)用瑪瑙工作臺（九筋工作臺。）。（瑪瑙頭比工作臺高出0.0020.003mm）。 檢定10mm以下量塊時(shí)，應(yīng)用五筋工作臺。（中間筋高出兩側(cè)筋0.0040.006mm）。 平面工作臺則用以測量球面形零件。 3、儀器的原理、儀器的原理 兩束光能夠產(chǎn)生干涉的條件是 兩束光的方向一致； 兩束光的頻率相同； 兩束光的相位差恒定。 工作原理工作原理 虛平面7是參考鏡7對分

11、光鏡鍍銀面A所成的像。如果7與光軸有微小傾斜時(shí)，則虛平面7將與反射鏡6構(gòu)成一個(gè)虛光楔。在視場中呈現(xiàn)一組平行的等厚干涉條紋，當(dāng)光楔厚度每增加半波長，就多出現(xiàn)一條干涉條紋。實(shí)際測量時(shí)用白光干涉條紋的零級條紋作為指示線 4、儀器調(diào)整、儀器調(diào)整（1）工作臺調(diào)整：瑪瑙頭調(diào)整（徑向、軸向）（2）干涉條紋調(diào)整 1、調(diào)燈絲像：十字螺釘，兩反射鏡垂直 2、調(diào)白光干涉條紋零光程差、零級條紋初始位置 3、單色光的干涉條紋的寬度與方向 4、干涉條紋隨測頭移動(dòng)而移動(dòng)的方向 三、測量過程 1.1.儀器定度：儀器定度： 調(diào)整并確定分劃板上刻度尺的刻度值，叫作儀器的定度。定度時(shí)需使用單色光，因單色光有確定的波長值，每臺接觸式干涉儀所附的濾光片都有其波長檢定值. 2、測量步驟、測量步驟 1）用標(biāo)