精測 長度量測量

第七章長度量測量天津大學精密儀器與光電子工程學院《史記》：“禹，左準繩，右規(guī)矩”“身為度，稱以出?！鄙檀?，象牙尺《晉書·輿服志》：“記里鼓車，駕四。形制如司南。其中有木人執(zhí)槌向鼓，行一里則打一槌?！?/p>

古埃及：肘尺是以胳臂定為一個基本的長度單位。象形文字“肘尺”就是形象地畫出了胳臂之長金字塔其底是正方形的，每邊長500肘尺。古埃及測量長度的尺尼羅河水高度測量的水井第一節(jié)概述米的定義長度量值傳遞系統(tǒng)長度測量的標準量長度測量的基本原則長度測量的標準測量環(huán)境米的定義長度計量單位布指知寸，布手知尺，舒肘知尋。十尺為丈，人長八尺。腕尺：約合52～53厘米，與從手的中指尖到肘之間的長度有密切關系。

英寸：從大麥穗中間選擇三粒最大的麥粒并依次排成一行的長度就是一英寸。米的定義米的由來1790年法國科學院提出“米制”的建議天文地理基準：1791年，法國國民議會決定采用經(jīng)過巴黎的地球子午線自北極到赤道這一段弧長的一千萬分之一為長度單位1959年國務院確定以公制為我國基本計量制度，規(guī)定“米”為我國的長度單位米的定義實物基準：1889年第一屆國際計量大會上將“米”定義為“0℃時，巴黎國際計量局的截面為X形的鉑銥合金兩端刻線記號間的距離”。不確定度1.1×10-7米的定義光波基準：1960年，在第11屆國際計量大會上，把米的定義改為：

氪86(86Kr)原子的2p10

和5d5能級之間躍遷所對應的輻射在真空中的波長(0.6057μm)的1,650,763.73倍自然基準，不確定度2.5×10-8米的定義光束基準：1983年10月第17屆國際計量大會通過了米的新定義：光在真空中于1/299792458秒的時間間隔內(nèi)所行進的路程長度。基準為基本的物理常數(shù)長度與時間的結(jié)合，通過更準確的時間計量可以提高長度計量的準確度。米的定義的復現(xiàn)國際計量委員會推薦米可以通過時間法、輻射法和頻率法來復現(xiàn)。時間法，利用光行進的時間來測量長度，主要用于天文學和大地測量學。輻射法，1993年國際計量委員會推薦了8種穩(wěn)頻激光器輻射的標準譜線頻率(波長)值，作為復現(xiàn)米定義的國際標準。頻率法，利用光的頻率來測量其真空波長，故在準確度方面潛力很大。1999年，飛秒光梳技術的發(fā)明給光學頻率測量研究帶來了革命性的突破，獲得了2005年諾貝爾物理獎。米的定義的復現(xiàn)我國常用的是碘吸收633nm氦氖激光器,不確定度2.5×10-11。以銫原子噴泉鐘微波頻標為參考的激光頻率的絕對測量。2010年，

頻率不確定度達到1.5×10-15長度量值傳遞系統(tǒng)

把測得的尺寸與基準長度聯(lián)系起來，以保證長度量值的統(tǒng)一和準確，這種聯(lián)系渠道稱為量值傳遞系統(tǒng)量值傳遞的基本方法：高一級精度的儀器設備對低一級精度的儀器設備進行量值傳遞激光波長量塊線紋尺量具測量儀器被測工件長度量值傳遞系統(tǒng)高一級精度低一級精度長度測量的標準量光波波長He-Ne:=632.8nm線紋尺刻度量塊的長度光柵、容柵的柵距精密絲杠的螺距長度測量的標準量——線紋尺用金屬或玻璃制成、表面上準確地刻有等間距平行線的長度測量和定位元件，也稱刻線尺。長度測量的標準量——線紋尺線條間距：1毫米或0.1毫米。規(guī)格：100、200、300、500和1000毫米?；鶞示€紋尺的允許檢定誤差為±0.2微米/米；工作線紋尺的刻線精度可達±1微米/毫米。長度測量的標準量——量塊量塊是應用最廣泛的實物基準之一。量塊經(jīng)常用于長度尺寸的檢定和相對測量。國家標準對量塊的材料、形狀、表面粗糙度以及中心尺寸長度的制造精度、檢定精度均有明確的規(guī)定。量塊成套制造和出售，每套量塊的塊數(shù)有91、83、46等多種，不同套別中量塊的尺寸也不相同。量塊的研合特性可將不同尺寸的量塊組合成所需要的各種尺寸。長度測量的標準量——量塊按級使用量塊的長度變動量：在量塊測量面上任意點長度中最大值與最小值之差的絕對值。根據(jù)量塊實測長度對其標稱長度偏差和長度變動量允許值大小的不同，量塊分為K、0、1、2、3共5個不同的級別。長度測量的標準量——量塊按“級”使用，應以量塊標稱長度作為工作尺寸。顯然，該尺寸包含了量塊的實際制造誤差。如40mm的量塊，1級：按級使用將帶入制造誤差，結(jié)果：

40±0.0004mm。長度測量的標準量——量塊按等使用量塊長度測量的不確定度U：量塊長度測得的實際值L與其真值X接近程度的范圍：U=L－X

。按照量塊長度測量不確定度允許值和長度變動量允許值的大小分為l、2、3、4、5共5個不同的等別。長度測量的標準量——量塊按“等”使用，應以經(jīng)檢定后所給出的量塊中心長度的實測值作為工作尺寸。如40mm的量塊，3等：按等使用將帶入檢定誤差。若檢定值為40.0001，則按實際尺寸用，結(jié)果：40.0001±0.00015mm長度測量的標準量——柵距光柵示值精度較高，但對測量環(huán)境要求較苛刻，特別是對溫度及油污、灰塵較敏感。很大的放大倍數(shù)誤差平均作用，實現(xiàn)很高的測量精度和很小的分辨率長度測量的標準量——柵距光柵透射式光柵反射式光柵長度測量的標準量——柵距容柵基于變面積工作原理。具有體積小、抗干擾能力強、造價低的特點，有中等精度的產(chǎn)品，也有較高精度的品種xAB定尺動尺δaW長度測量的標準量——柵距磁柵易受外界磁場的影響，應注意屏蔽長度測量的標準量——柵距感應同步器抗干擾能力很強，對使用環(huán)境的要求較低。長度測量的基本原則阿貝原則基準統(tǒng)一原則變形最小原則測量鏈最短原則長度測量的基本原則阿貝原則1890年，阿貝（Abbe）提出了一條長度尺寸測量的指導性原則被測件的尺寸線（被測線）應和儀器中作為讀數(shù)用的標準刻度線（標準線）重合或順次排成一條直線，即被測線和標準線共線。長度測量的基本原則阿貝原則測量儀器不按阿貝原則設計，所產(chǎn)生的測量誤差較大，應用阿貝原則設計，可以顯著減少測量頭移動方向偏差對測量結(jié)果的影響。長度測量的基本原則阿貝原則在實際測量工作中，有時很難遵守阿貝原則。測量長度尺寸比較大的工件時，若要遵守阿貝原則，則儀器的長度就必須大于兩倍工件的長度，這給儀器制造、安裝帶來很多不便。對于三坐標測量機這類多自由度測量儀器，很難做到各個坐標方向都能遵守阿貝原則。那些軸滿足阿貝原則？那些軸不滿足阿貝原則？長度測量的基本原則阿貝原則為減小因不遵循阿貝原則而引起的測量誤差，可采取以下措施盡可能減小被測線和標準線之間的距離，并保證它們之間平行提高儀器導軌的精度跟蹤測量導軌的偏移并進行補償長度測量的基本原則測量基準統(tǒng)一原則指在測量時所選定的測量基準應該和設計時選定的設計基準、加工時選定的加工基準及裝配時選定的安裝基準一致，以避免因基準不同而產(chǎn)生的附加誤差。長度測量的基本原則變形最小原則由于環(huán)境溫度的變化、測量力和自重的影響，被測件和測量儀器各結(jié)構(gòu)部件會產(chǎn)生熱變形和彈性變形，影響測量精度。因此，在測量過程中要求被測工件和測量儀器的變形最小。測量鏈最短原則對于一個精密測量儀器或測量系統(tǒng)，從感受被測量到結(jié)果顯示裝置，凡是直接與感受標準量和被測信息的有關組件，如被測件、標準件、傳感元件、定位元件等均屬測量鏈。要求組成測量鏈環(huán)節(jié)的組件數(shù)目應最少，即測量鏈最短。長度測量的標準測量環(huán)境

測量環(huán)境的溫度、濕度、氣壓、振動等因素均會引起測量值的變化。因此，某被測量的測量結(jié)果應是相對于標準測量環(huán)境而言的，即：

環(huán)境溫度(EnvironmentTemperature)：20°C相對濕度(RelativeMoisture)：50%~60%環(huán)境氣壓(EnvironmentPressure)：0.1MPa測量儀器遠離振動源(VibrationSource)若測量環(huán)境不處于標準狀態(tài)，則應考慮環(huán)境因素引起的測量誤差，或進行修正，或計入測量不確定度第二節(jié)長度尺寸測量長度尺寸的測量涉及工件的長、寬、高、厚度及軸徑、孔徑等幾何量值的測量。長度測量方法的分類直接測量、間接測量原位測量、離位測量在線測量、離線測量絕對測量相對測量直接測量——絕對測量卡尺千分尺直接測量——絕對測量測長機工作臺被測件測量頭測量軸基準線紋尺讀數(shù)顯微鏡配重鋼帶滑輪透鏡光源平衡錘阻尼液壓缸直接測量——絕對測量激光干涉儀以激光波長作為長度基準激光波長穩(wěn)定，無需校準激光波長非常短，測量分辨率高激光具有干涉特性相位相同相位相反激光干涉儀“增量法”測長目標反射鏡與被測對象固聯(lián)參考反射鏡固定不動邁克爾遜：（1852-1931）,美國物理學家。設計了至今仍應用廣泛的邁克爾遜干涉儀。榮獲了1907年度的諾貝爾物理學獎激光干涉儀激光干涉儀激光比長儀采用激光干涉原理，實現(xiàn)線紋尺和光波波長比較實現(xiàn)自動測量，測量精度±0.2μm/m瑞利干涉儀測量折射率溫度變換小于0.1℃激光器平行光管反射鏡分光器反射鏡固定角錐棱鏡可動角錐棱鏡移相板分像棱鏡組光電顯微鏡工作臺光電探測器放大整形電路計算機光電探測器差動放大電路觸發(fā)器激光干涉儀單頻激光干涉儀只能進行直流放大器，而不能使用交流放大器外界干擾使干涉信號強度降低，落于計數(shù)觸發(fā)電平之下。在干涉儀的參考光路中引入一定頻率的載波，被測信號通過這一載波來傳遞。

外差干涉儀激光干涉儀外差干涉儀測量鏡靜止時，光電探測器的輸出信號為載波頻率的交流信號測量鏡運動時，輸出信號的頻率只在某一范圍內(nèi)增加或減少采用交流放大，隔絕外界環(huán)境干擾造成的直流電平漂移激光干涉儀外差干涉儀載波信號產(chǎn)生方法：使參與干涉的兩束光產(chǎn)生一個頻率差，這樣的兩束光干涉會產(chǎn)生“光學拍”現(xiàn)象，轉(zhuǎn)化為電信號得到差頻信號。“光學拍”干涉條件：兩個振幅相同，振動方向相同，且在同一方向傳播，頻率接近的兩單色光疊加激光干涉儀塞曼雙頻激光干涉儀雙頻激光干涉儀

API公司XDLaser?激光干涉儀線性：0.5ppm測量范圍：40米(1D可選80米)線性分辨力：0.001um.偏擺角和俯仰角的精度：(1.0+0.1/m)角秒或1%顯示較大值最大范圍：800角秒滾動角精度：1.0角秒直線度精度：(1.0+0.2/m)um或1%顯示較大值直線度最大范圍：500um垂直度精度：1角秒工具顯微鏡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。工具顯微鏡中央顯微鏡立柱縱橫向滑臺讀數(shù)系統(tǒng)工具顯微鏡工具顯微鏡非接觸瞄準系統(tǒng)照明光路工作臺被測工件物鏡分劃板目鏡工具顯微鏡工具顯微鏡非接觸瞄準系統(tǒng)照明光路工作臺被測工件物鏡分劃板目鏡工具顯微鏡工具顯微鏡接觸式瞄準系統(tǒng)目鏡米字分劃板物鏡反射鏡雙線分劃板聚光鏡照明燈測頭光學靈敏杠桿直接測量——相對測量采用相對測量法的儀器測量得到的量值是被測量和定值標準量的差值立式接觸式干涉儀高精度測微儀根據(jù)干涉原理，將微小尺寸的變化轉(zhuǎn)換成干涉條紋的移動，讀出干涉條紋的移動數(shù)，從而實現(xiàn)微小尺寸的測量立式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。立式接觸式干涉儀電容測微儀電容傳感器小孔徑測量儀直接測量將被測量直接和標準量進行比較?？煞譃榻^對測量和相對測量絕對測量法：儀器示值為被測量的絕對值，常以刻度尺、光柵尺、波長等作為測量基準，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、激光干涉儀等。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(diào)的特點。如杠桿百分表，立式光學計、接觸式干涉儀、電容測微儀等。間接測量測量得到的量值是被測量有確定函數(shù)關系的參量，