长度的测量仪器汇总教学课件.ppt

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,绝对测量 千分尺、卡尺、测长仪 相对测量 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（如立式光学计）,一、轴类零件尺寸的测量,结构,光学计管：测量读数的主要部件； 零位调节手轮：可对零位进行微调整； 测帽：根据被测件形状，选择不同的测帽套在测杆上。选择原则：与被测件的接触面积要最小； 工作台：对不同形状的被测件，应选用不同的工作台.,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的反射镜。,工作原理,光线由进光反射镜6进入光学计管中 由通光棱镜7将光线转折90度，照亮分划板4上的标尺9 标尺上有100格的刻线，此处刻线作为目标，位于物镜2的焦平面上 由标尺9发出的光线经棱镜3后转折90度，透过物镜2成为平行光线，射向平面反射镜 平行光线被反射回来，重新透过物镜2，再经棱镜3汇聚于分划板4的另一半上 分划板上有固定指示线 当测量杆11上下移动时，推动平面反射镜产生摆动，于是标尺9的像相对于指示线产生了移动 移动量可通过目镜5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80 目镜的放大倍数为12，则量仪的放大倍数k=1280=960 光管中分划板上刻度尺的刻度间距为0.08mm，从目镜中看到的刻度尺影象的刻度间距为a=12*0.08=0.96mm。因此，量仪的分度值i=a/k=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示线移动的格数，将它乘以量仪的分度值就是量仪示值。 由于零刻线两侧各有100格刻度，因此量仪的示值范围为-l00m到+100m。,2.仪器精度分析 （1）组成仪器误差主要的系统误差 （2）组成仪器误差的随机误差 （3）测量误差,（1）组成仪器误差主要的系统误差 a.由分划板的刻度误差1所引起的误差 b.原理误差 c.物镜畸变所引起的误差 d.由于杠杆短臂调整不准所引起的误差 （2）组成仪器误差的随机误差 a.由于量杆配合间隙引起的误差 b.读数误差 （3）测量误差 a.标准件误差 b.测量力引起的误差 c. 温度误差,光学灵敏杠杆测量孔径,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、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影像法和轴切法。,光学灵敏杠杆,图338 灵敏杠杆结构原理 1-测杆 2-反射镜 3-杠杆支点 4-物镜 5-双线分划板 6-光源 7-触球 8-工件,对于双线对米字线的瞄准，瞄准精度约为10（510-5rad）,三、大尺寸的测量,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。 量程在500mm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外，主要用于测量内尺寸。 测量范围来分，有1，2，3，4，6m，甚至12m 仪器的测量座是一个独立部件。 由内装100mm线纹标尺的量轴 细分值为0.001mm的读数显微镜所组成。,刻线尺上从0到100mm内共有刻线1000条故每格为0.1mm； 分划板共有10块，每块相距100mm，在每一块上面刻着两条刻线和0，1，2，9之间的一个数字，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,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n2的焦平面上，光线通过分划板后，经反射镜m2和物镜组n2后便形成平行光束 平行光束经过同样焦距的物镜组n1和反射镜m1后，使分划板成象于100mm刻线尺上 因刻线尺亦放置在物镜组n1的焦平面上 通过读数显微镜进行读数。小于0.1mm的读数由光学计管完成 测量过程先对零位，再放工件测量,对零位：将尾架13沿机身床面向右放于分划板14的零刻线上面，将头架4向左移到刻线尺7的零刻线上面，通过微调螺钉5调整头架，使显微镜3的视场内两个零线对准。再用微调螺钉16，使左、右两个测头接触合适，并从光学计管2中对准零线，这时表示仪器的的零位已经调好。,安放工件：如工件长度的基本尺寸为100mm或其整倍数，则只需移动尾座13使之向左，若工件的基本尺寸除了100mm的整倍数外，还有自0.1至100mm的小数时，则还需要将头座4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1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，则可用两个放在床身上的v型支架17支承，支承的高度及它们之间的距离，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2读出小于0.1mm的数值，可估读至0.1。只要加上从显微镜3中读得的数值，便是全部的测量值。,爱彭斯坦（eppenstein）光学补偿方法,测长机工作原理图 (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s点偏转了一个,在测量线上使被测线段减小了，由图中的几何关系 可得,由于尾架偏转了 角，和尾架装在一体的棱镜12、物镜11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9和棱镜8后，分划板s的象由s移至s,其移动方向与尾架测头的偏移方向相反。 如果 则,式中：h测量线与刻线尺表面间的距离 -尾架偏转角 l -尾架测头顶端距s点垂线的距离 f准直物镜9和11的焦距,s点的像由s移到s，在刻线尺7上意味着读数的减小，因此 和 起了补偿作用。因此测量误差 将上式展开，略去三次方并化简得 如取h=f，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,导轨直线性 成像s1到s2处，在刻线面产生的误差为,在测量线方向测端倾斜左移产生的误差为,若令hf，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(结构布局补偿),1m激光测长机底座变形的结构布局补偿法,先移动测量头架3，使测量主轴11在一定测量力下与尾杆接触,仪器对零,移开测量头架，放上工件,底座增加重量（工件重量）,测量头架及工作台在底座上的位置改变,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5倾斜角的零位变化，设尾座中心高200mm,措施： 1.固定角隅棱镜9与尾座5固接成一体,2.固定角隅棱镜的锥顶安放在尾杆10的轴线离底座导轨面等高的同一平面内,3.可动角隅棱镜12的锥顶位于测量主轴11的轴心线上,4.尽可能减小角隅棱镜9和尾杆10在水平面内的距离,2）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，符合阿贝原则，因此只有二阶微小误差，可忽略 3）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，根据总体布局第四条，d值越小，误差越小,激光干涉测长,双频激光干涉测长仪光路,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,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： n干涉信号明暗变化次数，l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 lm-lc不变,初始位置光程差：,干涉条纹数：,测量时，反射镜m2移动，若移动长度为l，干涉条纹数变为k,干涉条纹m倍细分后，再用计数器读数，计数为n：,被测长度l,误差表达式：,对,进行全微分，用微分法求出影响激光干涉测长的 主要误差,计数误差,波长不稳定带来的测量误差,空气折射率的影响,温度、力变形及振动造成初始 光程差变化带来的误差,应用：,测量微小位移,测折射率,测光谱线的波长和精细结构,1907年，迈克耳逊获得诺贝尔奖,例,如图在光路2中， 插入厚度为h 的玻璃板， 已知测得条纹冒出的数目为n， 所用光源的波长为， 求玻璃的折射率n,解：,插入厚度为h 的玻璃板 使的光束2要比光束1多走一段光程， 在屏幕相遇所附加光程差为,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 、微小尺寸测量,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。,激光能量法,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1mm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k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； 光电传感器，采用面型pin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描区域内，被测工件对扫描光束的遮挡起到光强调制的作用。 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，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机实时处理，就可以得到测量结果。 若扫描速度为，对工件扫描时间为t，则被测工件直径,未放入被测件,放入被测件,未放入被测件,放入被测件,整形后,分离、整形,扫描脉冲,高频脉冲控制,激光扫描光束在距透镜光轴为y 的位置