第五章 長度測量2

1、第四章 長度測量4.1基本概念 我國和國際的長度單位是米。在1983年第十七屆國際計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秒的時秒的時 間內所經過的距離。間內所經過的距離?！?4.1.1 長度單位：米的定義 米原器4.1.2 長度量值傳遞 目前，在實際工作中常使用下述兩種實物基準：量塊和線紋尺。首先由穩(wěn)定激光的基準波長傳遞到基準線紋尺和一等量塊，然后再由它們逐次傳遞到工件，以確保量值準確一致。 4.1.3 長度測量的標準量 標準量是體現(xiàn)測量單位的某種物質形式，標準量是體現(xiàn)測量單位的某種物質形式，具有較高的穩(wěn)定性和精確度。具有較高的穩(wěn)定性和精確度。n

2、光波波長：直接使用米定義咨詢委員會推薦使用的五種激光和兩種同位素光譜燈的任一種來復現(xiàn)。n量塊是由兩個相互平行的測量面中心之間的距離來確定其工作長度的一種高精度量具。u量塊是單值量具，可以組合使用。u量塊的公稱尺寸和實測尺寸。 量塊的精度分級又分等u量塊按制造精度分為0、1、2、3、4級，其中0級精度最高，u按檢定精度分為1、2、 3、4、5、6等，其中1等精度最高。 量塊量塊“等等”和和“級級”之間的關系是：之間的關系是：（1）對研合性及平面平行性偏差規(guī)定為：l、2等與0級，3、4等與1、2級，5、6等與3、4級分別相同。（2）“等”和級”可以代替使用。 例如，0、1、2級量塊的中心長度制造極

3、限偏差分別與3、4、5等量塊的中心長度測量極限誤差相同，因此，0、l、2級量塊可分別代替3、4、5等量塊來使用。3.光柵、容柵的柵距和感應同步器的線距。 測量效率高； 容易實現(xiàn)數(shù)字顯示和自動記錄， 可以實現(xiàn)測量自動化和自動控制。 黑白透射光柵 感應同步器的繞組4.1.4 長度測量的基本原則 阿貝原則：在長度測量時，為了保證測量的準確，應使被測零件的尺寸線應使被測零件的尺寸線( (簡稱簡稱被測線被測線) )和量儀中作為標準的刻度尺和量儀中作為標準的刻度尺( (簡稱簡稱標準線標準線) )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，可盡量減小導軌直線度誤差對測量結果的影響。n游

4、標量具游標量具 應用游標讀數(shù)原理（圖3一1）制成的量具叫游標量具。它在機械制造業(yè)中應用十分廣泛，可用于測量內外尺寸、高度、深度等。 1. 游標讀數(shù)原理 游標量具讀數(shù)部分主要是由尺身與游標組成，其原理是利用尺身刻線間距與游標刻線間距差其原理是利用尺身刻線間距與游標刻線間距差來進行小數(shù)讀數(shù)來進行小數(shù)讀數(shù)，如圖所示。4.2.1長度計量中常用的量具與量儀4.2 長度尺寸的測量Vernier Caliper 圖42所示為三用卡尺，其測量范圍一般為0125和0一150mm兩種。其讀數(shù)方法如下： 首先讀出游標零刻線所指示的左邊尺身上的毫米刻線整數(shù)；然后觀察游標刻線與尺身刻線對準時的格數(shù)，將游標對準的格數(shù)乘以

5、游標讀數(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，游標讀數(shù)值為0.10mm，則被測工件尺寸為2十0.302.30mm。n近十年來發(fā)展了一種不用游標讀數(shù)的新型卡尺，即數(shù)顯卡尺（又稱為電子卡尺），數(shù)顯卡尺的測量范圍為O150 mm，分度值為 0.01 mm，測深為 0115 mm。數(shù)顯卡尺的電子部分裝有存儲器、置零裝置和公英制換算裝置。0.03mm0.05mm測微量具是機械制造中常用的精密量具，它是利用精密螺旋副進行測量，而以微分筒和固定套筒上的刻度進行讀數(shù)的一種機械式量具。精密螺旋副的螺距為0.5mm， 由于測微螺桿的精度受到制造工藝的限制，其移動量

6、通常為 25 mm。Outside Micrometers 外徑千分尺外徑千分尺測微量具測微量具是應用螺旋副傳動原理，將角位移轉變?yōu)橹本€位移，直線位移的各行程與螺旋轉角成正比，其數(shù)學表達式為LL測微螺桿的移動距離（mm） 測微螺桿的旋轉角度（rad）P 測微螺桿的螺距（mm）2LP讀數(shù)：14.10mm 2測微量具的讀數(shù)機構和讀數(shù)方法讀數(shù)機構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個分度，每個分度的刻線間距為1mm，微分量具中測微螺桿的螺距一船都是0.5mm，微分筒圓周斜面上刻有50個分度，因此當微分筒旋轉一周時，測微螺桿軸向位移0.5mm，微分筒旋轉一個

7、分度時，測微螺桿移動0.01mm，故常用千分尺的讀數(shù)值為0.01mm。 表類量具 此類量具的主要原理是將測量桿微小直線位移通過適當?shù)拇祟惲烤叩闹饕硎菍y量桿微小直線位移通過適當?shù)姆糯髾C構放大后而轉變?yōu)橹羔樀慕俏灰?，最后由指針在刻放大機構放大后而轉變?yōu)橹羔樀慕俏灰?，最后由指針在刻度盤上指示出相應的示值。度盤上指示出相應的示值。 鐘表式百分表鐘表式百分表分度值為分度值為0.01mm 杠桿齒輪式測微儀杠桿齒輪式測微儀圖 (a) 儀器的外形圖 (b) 儀器結構原理圖測桿微小的直線位移經杠桿齒輪機構放大后變?yōu)橹羔樀拇笪灰?。此種儀器一般用于比較測量，因此刻度尺的示值范圍多取為0. 1mm其放大比K為:

8、光學比較儀（光學計）光學比較儀（光學計） 光學比較儀又稱光學計，它是一種精度較高的光學機械式計量儀器。光學比較儀主要用作相對法測量，在測量前先用量塊或標準件對準零位，被測尺寸和量塊（或標準件）尺寸的差值可在儀器的刻度尺上讀得。 光學比較儀由光較儀管和支架座組成。光較儀管可以從儀器上取下，裝在其它支架座上，做其它精密測量之用。 被測件最大長度: 180mm光較儀管是自準直光管和正切杠桿機構的組合。在物鏡焦平面上的焦點C發(fā)出的一束光，經物鏡后變成一束平行光射到平面反射鏡。 若平面反射鏡與光軸垂直，則經過平面反射境反射的光仍按原路匯聚到發(fā)光點C處，即發(fā)光點C與象點C重合。若反射鏡與光軸不垂直而偏轉一

9、個a角，根據(jù)反射定律則反射光束與入射光束間的夾角為2 a 。此時反射光束匯聚于象點 C，C與 C”之間的距離應按下式計算：測量時，應先用標準器具調整零位，即平面反射鏡的鏡面與光較儀中的光軸相垂直。由于采用比較測量法，因此當被測尺寸和標準尺寸有差異時，測桿就將沿著導軌做直線移動，從而推動平面反射鏡P繞支點O擺動。測桿移動的距離為s時，反射鏡偏轉了a角，其關系為 式中，b為測桿到支點O的距離。 sbtg這樣，測桿的微小移動S就可以通過正切杠桿機構和光學裝置放大，變成光點和象點間的距離CC”，其放大比為光學計的目鏡放大倍數(shù)為K2，因此光學計的總放大倍數(shù)為KK2KK2倍。倍。 測長儀和測長機結構中帶有

10、長度標尺，通常是線紋尺，也可以是光柵尺。測量時，用此尺作為標準尺與被測長度做比較，通過顯微鏡讀數(shù)以得到測量結果。 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，主要用于測量內尺寸。 量程在量程在500mm500mm以上的儀器體形較大，稱為測長機以上的儀器體形較大，稱為測長機。測長機常用于絕對測量。 測長儀和測長機工作臺1上放置被測件2，通過測量軸體4上的可換測量頭3與被測件接觸測量。測量軸體4是一個高精度圓柱體，在精密滾動軸承支持下，通過鋼帶8，滑輪9，平衡錘12和阻尼

11、油缸13完成平穩(wěn)的軸向升降運動。配重7用來調整測量力。 測量軸體的軸線上固定有基準標尺(玻璃刻尺)5，其上有l(wèi)01條刻線，刻度間隔為1mm。由光源11發(fā)出的光，經透鏡10，再透過基準玻璃刻尺，將毫米刻線影象投射入螺旋讀數(shù)顯微鏡6，進行讀數(shù)。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

12、數(shù)為 7.141 mm。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尺寸進行直接和比較測量之外，還可配合儀器的內測附件測量內尺寸。臥式測長儀（萬能測長儀）臥式測長儀（萬能測長儀）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，并可在底座的導軌上作左右方向的移動；它主要由底座7、測座1、萬能工作臺5和尾座6組成。 測長機是機械制造中測量大尺寸的精密儀器，儀器的種類很多，按其測量范圍來分，有1，2，3，4，6m，甚至還有12m的。該儀器主要進行絕對測量，但也可用于比較

13、測量。絕對測量是將被測工件與儀器本身上的刻度尺進行比較；而相對測量則是將被測工件和一個預先用來對準儀器零點的標準件(如塊規(guī)等)相比較，從儀器上讀取兩者之差值。 1 儀器工作原理 測長機測長機圖中6是機身，在它的床面上鑲有刻線尺7和分劃板14。刻線尺7上從0到100mm內共有刻線1000條故每格為0.1mm；分劃板14共有10塊，每塊相距100mm，在每一塊上面刻著兩條刻線和0，1，2，9之間的一個數(shù)字，分別代表每一塊分劃板距刻線尺7零刻線的距離的分米數(shù)值。光線自光源15，經聚光鏡，濾光片、反射鏡后照亮了分劃板14。由于分劃板位于物鏡組11的焦平面上，故光線通過分劃板14后，經直角棱鏡12和物鏡

14、組II后便形成平行光束，經過同樣焦距的物鏡組9和棱鏡8后，使分劃板14成象于刻線尺7上(因刻線尺7亦放置在物鏡組9的焦平面上)。通過讀數(shù)顯微鏡3進行讀數(shù)。小于0.1mm的讀數(shù)由光學計管2完成。 顯微鏡法是將被測件的尺寸、輪廓或用光干涉法產生的干涉條紋等，經過顯微放大，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象AB ，此實象位于目鏡的物方焦面右方的分劃板上分劃板上，經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 顯微鏡光學系統(tǒng)顯微鏡光學系統(tǒng) 工具顯微鏡工具顯微鏡物鏡放大倍率為目鏡

15、放大倍率為顯微鏡的放大倍率為非接觸瞄準照明光源射出的光經濾色片2、可變光闌3、反射鏡4和聚光鏡5后變?yōu)槠叫泄庹彰鞅粶y工件。經物鏡放大后的工件輪廓成象在分劃板11上，再經目鏡放大后觀察。根據(jù)所要求的放大倍數(shù)，可更換物鏡。在分劃板前設置一正象棱鏡，使視野內所觀察的象為正象。目鏡頭可以更換.圖為萬能工具顯微鏡接觸瞄準系統(tǒng)光學靈敏杠桿的工作原理示意圖。由照明光源1照亮的分劃板2上的三對雙刻線，經透鏡3后由與測桿相連的反射鏡4反射，再經物鏡5放大，最后成像在測角目鏡分劃板6上。反射鏡4隨測桿擺動時，三組雙刻線的象隨之左右移動。僅當測桿中心線與顯微鏡光軸重合時，雙刻線的象位于米字分劃板的中心位置。 在工具

16、顯微鏡上用光學靈敏杠桿測量端面定位孔的直徑時，可用兩種方法確定采樣點的位置。找拐點法找拐點法1. 測弦找中點法測弦找中點法21Dxxd立式接觸式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)測頭先后與標準件及被測件接觸時零級條紋位置間的距離，即可測得被測量相對于標準量的偏差值。例如檢定量塊：測頭與標準量塊接觸時，零級條紋位于al（格），測頭與被檢量塊接觸時，零級條紋位于a=+4格，若儀器分辨力i=0.1um，則被測量塊相對于標準量的中心長度偏差為i (a2-a1)=+0.5um接觸式干涉儀測量方法 干涉測長是激

17、光在幾何量測量中最重要的應用。光波干涉法作為精密測量長度和位移的有力手段問世已久其測量精度很高。但在激光問世以前，由于缺乏亮度高、單色性好的光源，干涉辦法的應用有著許多局限性，激光的出現(xiàn)則為干涉測長提供了極好的相干光源。 (激光具有方向性好、能量高度集中、單色性好、干涉能力強的優(yōu)點）。激光干涉測長儀激光干涉測長儀 激光干涉測長儀原理圖 電動量儀電動量儀 電動量儀是將被測尺寸即測桿的位移轉變?yōu)殡娦盘枌崿F(xiàn)尺寸測量的一種儀器。此類儀器一般由測量裝置（或傳感裝置）、電器裝置和顯示裝置三部分組成。 電動量儀種類很多，一般可分為電感式、電容式和光電式等。 由于電動量儀靈敏度和精度很高，測量裝置和顯示裝置可

18、以分離，所以有利于進行遠距離測量和實現(xiàn)測量自動化。 差動式電感傳感器差動式電感傳感器 總結：總結：絕對測量法：儀器示值為被測量的絕對值，常以刻度尺、光柵尺等作為測量基準，一般具有絕對零位，示值范圍較大。如游標卡尺、千分尺、測長儀、測長機、工具顯微鏡等。相對測量法：儀器示值為被測量相對于某一定值標準量的偏差值。標準量應盡可能與被測量具有相同定義及公稱值。用于相對測量的儀器多稱作測微儀或比較儀，一般具有放大倍數(shù)大，示值范圍較小、測量精度高、零位可調的特點。如杠桿百分表，光學比較儀、接觸式干涉儀、電感測微儀等。直接測量法：將被測量直接和標準量進行比較。 可分為絕對測量和相對測量間接測量法：測量得到的

19、量值是采樣點的坐標（坐標測量法）或其他與被測量有確定函數(shù)關系的參量，被測量的值須通過計算求得。微小尺寸的間接測量大直徑的間接測量坐標測量法 隨著科學技術和工業(yè)生產的發(fā)展，產品的小型化或微型化越來越成為一個重要的分支，因而微小尺寸的測量越來越多：如細絲、小孔、鍍層厚度、集成電路中的氧化層厚度、各元件間的微小距離、計算機中磁頭與磁盤間的微小間隙等等；而且精度要求也越來越高，如超大規(guī)模集成電路中要求位置的測量精度為0.lum的數(shù)量級。顯然，現(xiàn)有的傳統(tǒng)測量方法和儀器是難以完成任務的，迫切地要求提出新的測量方法，下面將介紹幾個測量方法的實例。 4.2.2 微小尺寸測量微小尺寸測量一、用激光衍射法測量金屬

20、細絲直徑 一般的鋼絲直徑常用電感測微儀以接觸法進行測量，這種方法受測量力的影響很大，即使在測量力較小的情況下，其相對測量誤差也是較大的，而且容易引起細絲的彎曲變形。此外，如測力過小，也由于測量不穩(wěn)定而無法保證測量精度。近年來由于激光技術的發(fā)展，為測量細絲直徑提供了新的測量原理和方法。 夫瑯和費衍射原理當光源和衍射場當光源和衍射場( (即屏幕即屏幕P)P)都距衍射物都距衍射物( (小孔、狹縫等小孔、狹縫等) )無無限遠時的衍射稱為限遠時的衍射稱為夫瑯和費衍射夫瑯和費衍射( (或平行光衍射或平行光衍射) )，實際上，實際上只要光源、屏幕離衍射物有只要光源、屏幕離衍射物有足夠大的距離足夠大的距離部可

21、認為是夫瑯部可認為是夫瑯和費衍射。和費衍射。 式中 K1，2正整數(shù)。正負號表示亮暗條紋對稱地分布在中央亮條紋的兩側，0給出了中央亮條紋P0的中心位置。由圖可見，隨著衍射角 的增加，亮條紋的光強將迅速降低，暗點位置是等距分布的。如采用激光作為光源，由于能量高度集中，條紋可以更加清晰，衍射級次也更高(即能見到的衍射條紋致目多)。衍射條紋的光強分布圖衍射條紋的光強分布圖如圖所示，設被測細絲為 d，相當于狹縫。我們采用激光作為光源，由于其發(fā)散角很小，可認為是平行光，所以可免除透鏡L1；并將衍射屏幕放置離細絲較遠處(譬如l500mm)，這樣又可免除透鏡L2。于衍射場P處即可獲得一組明暗相間的衍射條紋，只

22、要測得衍射條紋距屏幕中心的距離Sk，便可求得細絲直徑。由于la (即d)，此時角很小，故可取:sintansin22sin/kkkkSlakkaa SlkkladSSk SladSSk由于衍射條紋的條件是：故：于是可得：或者由于，可得式中：為條紋間距； 為衍射條紋級數(shù)。二、光纖直徑的測量 激光能量法激光能量法 一、用弦高法測量大直徑的孔和軸 如圖所示為手持式測量裝置。在裝置基體1的中央放著指示表4；兩側裝有帶滾柱3的支桿2。 這種裝置在測量前應在這種裝置在測量前應在平板上進行調整指示表的零平板上進行調整指示表的零位，即兩個滾柱與平板表面位，即兩個滾柱與平板表面接觸，而在指示表的量桿下接觸，而在

23、指示表的量桿下端，墊以適當?shù)膲K規(guī)。端，墊以適當?shù)膲K規(guī)。 4.2.3大尺寸的測大尺寸的測量量22(/1)DlHH 22()22DdDdHl22()22DdDdHl4.2.3坐標測量法坐標測量法是幾何量測量最基本最常用的測量方法，通過測量被測幾何要素上若干個點的位置坐標繼而求得被測參量。包括采樣讀數(shù)和數(shù)據(jù)處理兩個步驟。單坐標、雙坐標、三座標。實現(xiàn)測量的關鍵是建立被測參量和采樣點在測量機坐標系中的坐標關系模型。三坐標測量機機架結構三坐標測量機機架結構三坐標測量機的主體主要由以下各部分組成：底座、測量工作臺、立柱、X及Y向支撐梁和導軌、Z軸部件及測量系統(tǒng)（感應同步器、激光干涉儀、精密光柵尺等）、計算機

24、及軟件。CMMChameleon 7107 三坐標測量機 美國布朗夏普公司制造測量范圍:65010006504.3 4.3 形位誤差的測量形位誤差的測量形位誤差測量是將被測要素和理想要素進行比較，從而用數(shù)值描述實際要素與理想要素形狀或位置上的差異。每個參數(shù)的測量過程包括測測量和評定量和評定兩個階段。4.3.1 圓度誤差圓度誤差圓度誤差指包容同一正截面實際輪廓且半徑差為最小的兩同心圓的距離fmmaxminmfRR最小包容區(qū)域法最小，最小二乘法稍大 圓度誤差的評定方法圓度誤差的評定方法圓度儀測量法 4.3.2 表面粗糙度測量表面粗糙度測量定義：表面粗糙度測量是一種微觀幾何形狀誤差。特點：量值小（小

25、于1mm)，變化頻率高，所以粗糙度測 量方法必須具有分辨率高和頻響快分辨率高和頻響快的特性。測量方法：接觸式輪廓儀（觸針式輪廓儀）1.1. 電感式輪廓儀、激光干涉式、壓電式輪廓儀。電感式輪廓儀、激光干涉式、壓電式輪廓儀。表面粗糙度的測量基準線原則上要求與被測表面的理想形狀表面粗糙度的測量基準線原則上要求與被測表面的理想形狀一致，但在實際測量中難以實現(xiàn)。比較常見的是利用與傳感一致，但在實際測量中難以實現(xiàn)。比較常見的是利用與傳感器殼體安裝成一體的導頭建立相對測量基準。器殼體安裝成一體的導頭建立相對測量基準。2、非接觸式輪廓儀國家標準中規(guī)定的評定評定基準為輪廓中線基準為輪廓中線：最小最小二乘中線和算術平均中二乘中線和算術平均中線線。表面粗糙度的高度評定參數(shù)： 輪廓算術平均偏差輪廓算術平均偏差:1()/naiiRyn微觀不平度十點高度微觀不平度十點高度：5511()/5zpiviiiRyy輪廓最大高度輪廓最大高度：maxmaxypvRyy表面粗糙度的評定方法表面粗糙度的評定方法 4.4 納米測量技術納米測量技術定義：尺度為0.01nm-100nm0.01nm-100nm的測