检测技术第五章ppt课件

1、第五章 长度及线位移丈量第一节 概述 我国和国际的长度单位是米。在1983年第十七届国际计量大会上正式经过米的新定义如下： “米是光在真空中1299792458秒的时 间内所经过的间隔。一一. 长度单位：米的定义长度单位：米的定义 为了保证长度量值的准确和一致，必需把测得的尺寸与基准长度联络起来，这一联络的渠道就是量值传送系统。目前，在实践任务中常运用下述两种实物基准：量块和线纹尺。首先由稳定激光的基准波长传送到基准线纹尺和一等量块，然后再由它们逐次传送到工件，以确保量值准确一致。三 长度丈量的规范量 丈量是将被丈量与规范量进展丈量是将被丈量与规范量进展比较的过程。规范量是表达丈量单比较的过程

2、。规范量是表达丈量单位的某种物质方式，具有较高的稳位的某种物质方式，具有较高的稳定性和准确度。定性和准确度。光波波长：直接运用米定义咨询委光波波长：直接运用米定义咨询委员会引荐运用的五种激光和两种同员会引荐运用的五种激光和两种同位素光谱灯的任一种来复现。位素光谱灯的任一种来复现。量块是由两个相互平行的丈量面中心之间的间隔来确定其任务长度的量块是由两个相互平行的丈量面中心之间的间隔来确定其任务长度的一种高精度量具。一种高精度量具。量块是单值量具，可以组合运用。量块是单值量具，可以组合运用。量块的公称尺寸和实测尺寸。量块的公称尺寸和实测尺寸。1 1对研合性及平面平行性偏向规定为：对研合性及平面平行

3、性偏向规定为：l l、2 2等与等与0 0级，级，3 3、4 4等与等与1 1、2 2级，级，5 5、6 6等与等与3 3、4 4级分别一样。级分别一样。2 2“等和等和级可以替代运用。级可以替代运用。 例如，例如，0 0、1 1、2 2级量块的中心长度制造极限偏向分别与级量块的中心长度制造极限偏向分别与3 3、4 4、5 5等量等量块的中心长度丈量极限误差一样，因此，块的中心长度丈量极限误差一样，因此，0 0、l l、2 2级量块可分别替级量块可分别替代代3 3、4 4、5 5等量块来运用。等量块来运用。3.3.光栅、容栅的栅距和感应同步器的线距。光栅、容栅的栅距和感应同步器的线距。 丈量效

4、率高；丈量效率高； 容易实现数字显示和自动记录，容易实现数字显示和自动记录， 可以实现丈量自动化和自动控制。可以实现丈量自动化和自动控制。 黑白透射光栅4.长度丈量的根本原那么 阿贝原那么：在长度丈量时，为了保证丈量的准确，应使被测零件的尺寸线(简称被测线)和量仪中作为规范的刻度尺(简称规范线)重合或依次排成一条直线。符合阿贝原那么的丈量，可减小导轨直线度误差对丈量结果的影响。5长度丈量的规范环境长度丈量的规范环境为：环境温度长度丈量的规范环境为：环境温度20，相对湿度，相对湿度5060之间，气压之间，气压为为0.1MP，丈量安装远离振源等。否那么要对丈量结果进展修正：，丈量安装远离振源等。否

5、那么要对丈量结果进展修正：LLLttLttLLttt 温温度度标标准准件件的的线线胀胀系系数数和和度度工工件件的的线线胀胀系系数数和和温温被被测测工工件件长长度度测测量量值值1122011022,)20()20( 第二节 长度尺寸的丈量长度尺寸丈量方法分类：长度尺寸丈量方法分类：直接丈量直接丈量间接丈量间接丈量绝对丈量绝对丈量相对丈量相对丈量丈量的主要步骤：定位，瞄准，读数，数据丈量的主要步骤：定位，瞄准，读数，数据 处置，给出丈量结果等处置，给出丈量结果等一工件的定位一工件的定位 常见的工件定位方法有：平面定位，常见的工件定位方法有：平面定位，外圆柱定位，内圆柱定位，顶尖定位外圆柱定位，内圆

6、柱定位，顶尖定位等。等。任务台任务台工件工件固定侧头固定侧头可动侧头可动侧头V形架形架工件工件测头测头定位心轴定位心轴工件工件工件工件测头测头测头测头顶尖顶尖内圆定位内圆定位外圆定位外圆定位平面定位平面定位顶尖定位顶尖定位选择定位面应思索下面原那么：选择定位面应思索下面原那么：1尽能够与丈量基面，工艺基面，装配基面一致。尽能够与丈量基面，工艺基面，装配基面一致。2选取尺寸和外形精度高的面为定位面。选取尺寸和外形精度高的面为定位面。3定位面应保证定位稳定。定位面应保证定位稳定。4 多参数丈量时应防止多次定位。多参数丈量时应防止多次定位。5丈量系统中多有辅助定位系统，如可调任务台，丈量系统中多有辅

7、助定位系统，如可调任务台，可调测可调测 头等。被测工件装夹后，应正确调整仪器头等。被测工件装夹后，应正确调整仪器的辅助定位系的辅助定位系 统，找到最正确定位点。统，找到最正确定位点。有三个自在度使得被有三个自在度使得被测线与丈量线一致测线与丈量线一致绝对丈量法：仪器示值为被丈量的绝对值，常绝对丈量法：仪器示值为被丈量的绝对值，常以刻度尺、光栅尺等作为丈量基准，普通具有以刻度尺、光栅尺等作为丈量基准，普通具有绝对零位，示值范围较大。如游标卡尺、千分绝对零位，示值范围较大。如游标卡尺、千分尺、测长仪、测长机、工具显微镜等。尺、测长仪、测长机、工具显微镜等。相对丈量法：仪器示值为被丈量相对于某一定相

8、对丈量法：仪器示值为被丈量相对于某一定值规范量的偏向值。规范量应尽能够与被丈量值规范量的偏向值。规范量应尽能够与被丈量具有一样定义及公称值。用于相对丈量的仪器具有一样定义及公称值。用于相对丈量的仪器多称作测微仪或比较仪，普通具有放大倍数大，多称作测微仪或比较仪，普通具有放大倍数大，示值范围较小、丈量精度高、零位可调的特点。示值范围较小、丈量精度高、零位可调的特点。如杠杆百分表，光学比较仪、接触式干涉仪、如杠杆百分表，光学比较仪、接触式干涉仪、电感测微仪等。电感测微仪等。直接丈量法：直接丈量法：将被丈量直接和规范量进展比较。将被丈量直接和规范量进展比较。 可分为可分为绝对丈量和相对丈量绝对丈量和

9、相对丈量三三. 间接丈量法常用安装：间接丈量法常用安装：丈量得到的量值是采样点的坐丈量得到的量值是采样点的坐标坐标丈量法或其他与被标坐标丈量法或其他与被丈量有确定函数关系的参量，丈量有确定函数关系的参量，被丈量的值须经过计算求得。被丈量的值须经过计算求得。大直径的间接丈量大直径的间接丈量坐标丈量法坐标丈量法微小尺寸的间接丈量微小尺寸的间接丈量如下图为手持式丈量安装。如下图为手持式丈量安装。在安装基体在安装基体1 1的中央放着指的中央放着指示表示表4 4；两侧装有带滚柱；两侧装有带滚柱3 3的支杆的支杆2 2。 这种安装在丈量前应在这种安装在丈量前应在平板上进展调整指示表的平板上进展调整指示表的

10、零位，即两个滚柱与平板零位，即两个滚柱与平板外表接触，而在指示表的外表接触，而在指示表的量杆下端，垫以适当的块量杆下端，垫以适当的块规。规。 (一一)大尺寸的丈量大尺寸的丈量1. 1. 用弓高弦长法丈量大直径的孔和轴用弓高弦长法丈量大直径的孔和轴2. 用激光跟踪干涉丈量仪丈量大曲面外形 激光跟踪丈量仪采用球坐标丈量系统。整个干涉系统安装在一个立柱上，激光跟踪丈量仪采用球坐标丈量系统。整个干涉系统安装在一个立柱上，它可以绕程度轴和铅锤轴旋转。两个回转角度它可以绕程度轴和铅锤轴旋转。两个回转角度i，i由装在两根轴上的测由装在两根轴上的测角系统读出，矢径角系统读出，矢径Li采用激光干涉原理丈量，作为

11、丈量靶采用猫眼反射器采用激光干涉原理丈量，作为丈量靶采用猫眼反射器或角锥棱镜。或角锥棱镜。图图5-13，5-14 实际上用三坐标丈量机可测不经过实际上用三坐标丈量机可测不经过定位调整的任何工件的恣意参数，实现丈定位调整的任何工件的恣意参数，实现丈量的关键是建立采样点与被测参量在坐标量的关键是建立采样点与被测参量在坐标丈量中坐标的关系模型，即经过丈量被测丈量中坐标的关系模型，即经过丈量被测几何要素上假设干个点的位置坐标继而求几何要素上假设干个点的位置坐标继而求得被测参量。包括采样读数和数据处置两得被测参量。包括采样读数和数据处置两个步骤。个步骤。( (二二) )坐标丈量法坐标丈量法三坐标丈量机三

12、坐标丈量机 随着科学技术和工业消费的开展，产品的小型化或微型化越来越成为一个重要的分支，因此微小尺寸的丈量越来越多：如细丝、小孔、镀层厚度、集成电路中的氧化层厚度、各元件间的微小间隔、计算机中磁头与磁盘间的微小间隙等等；而且精度要求也越来越高，如超大规模集成电路中要求位置的丈量精度为0.lum的数量级。显然，现有的传统丈量方法和仪器是难以完成义务的，迫切地要求提出新的丈量方法，下面将引见几个丈量方法的实例。 (三) 微小尺寸丈量 普通的钢丝直径常用电感测微仪以接触法进展丈量，这种方法受丈量力的影响很大，即使在丈量力较小的情况下，其相对丈量误差也是较大的，而且容易引起细丝的弯曲变形。此外，如测力

13、过小，也由于丈量不稳定而无法保证丈量精度。近年来由于激光技术的开展，为丈量细丝直径提供了新的丈量原理和方法。 1、用激光衍射法丈量金属细丝直径、用激光衍射法丈量金属细丝直径夫琅和费衍射原理夫琅和费衍射原理当光源和衍射场当光源和衍射场( (即屏幕即屏幕P)P)都距衍射物都距衍射物( (小孔、狭小孔、狭缝等缝等) )无限远时的衍射称为夫琅和费衍射无限远时的衍射称为夫琅和费衍射( (或平行或平行光衍射光衍射) )，实践上只需光源、屏幕离衍射物有足够，实践上只需光源、屏幕离衍射物有足够大的间隔部可以为是夫琅和费衍射。大的间隔部可以为是夫琅和费衍射。 式中 K1，2正整数。正负号表示亮暗条纹对称地分布在

14、中央亮条纹的两侧，0给出了中央亮条纹P0的中心位置。由图可见，随着衍射角 的添加，亮条纹的光强将迅速降低，暗点位置是等距分布的。如采用激光作为光源，由于能量高度集中，条纹可以更加明晰，衍射级次也更高(即能见到的衍射条纹致目多)。狭缝的衍射条纹光强分布图狭缝的衍射条纹光强分布图kasin2光纤直径的丈量光纤直径的丈量 激光能量法激光能量法 形位误差丈量是将被测要素和理想要素进展比较，从而用数值描画实践要素与理想要素外形或位置上的差别。每个参数的丈量过程包括丈量和评定两个阶段。被测要素表达方法：在实践丈量中，被测要素用有限个丈量数据表征的测得要素来替代,对于中心要素,可经过丈量相应的轮廓要素计算求

15、的。理想要素：理想要素的方向和位置大多用基准要素来表达，但工件的基准要素总有外形误差，丈量时应尽能够减小对丈量结果的影响。第三节第三节 形位误差的丈量形位误差的丈量常用的基准表达有三种方法：模拟法：用精度高的检测工具上的要素替代基准要素，如理想直模拟法：用精度高的检测工具上的要素替代基准要素，如理想直线可用刀口尺，光线，钢丝等实物基准来替代。线可用刀口尺，光线，钢丝等实物基准来替代。直接法：直接用工件的基准作为被测要素的丈量基准。直接法：直接用工件的基准作为被测要素的丈量基准。分析法：对实践要素进展丈量，然后用最小条件判别其基准要素分析法：对实践要素进展丈量，然后用最小条件判别其基准要素的方向

16、和位置。的方向和位置。一用电感式电子程度仪丈量直线度误差 被测工件上不同的直线有不同的直线度公差要求。如圆柱体母线，导轨素线，仅在一个方向上有直线度公差要求;多面棱体的棱在两个方向上有直线度要求；圆柱的轴线那么在恣意方向上有直线度要求。仪器原理：仪器原理：壳体壳体调整螺钉调整螺钉磁钢磁钢两组线圈两组线圈张丝张丝二二 圆度误差圆度误差圆度误差指包容同一正截面实践轮廓且半圆度误差指包容同一正截面实践轮廓且半径差为最小的两同心圆的间隔径差为最小的两同心圆的间隔fmfmmaxminmfRR1最小包容区域法最小包容区域法:以包容实践轮廓且半径差为最小的两以包容实践轮廓且半径差为最小的两 同心圆的圆心为理

17、想圆的圆心同心圆的圆心为理想圆的圆心,即理想圆的位置是符合即理想圆的位置是符合 最小条件的。如图最小条件的。如图a2最小外接圆法：以包容实践轮廓且半径为最小的外接最小外接圆法：以包容实践轮廓且半径为最小的外接 圆圆心为理想圆的圆心。如图圆圆心为理想圆的圆心。如图b3最大内切圆法：以内切于实践轮廓且半径为最大的内最大内切圆法：以内切于实践轮廓且半径为最大的内 切圆圆心为理想圆的圆心。如图切圆圆心为理想圆的圆心。如图c4最小二乘方圆法：以实践轮廓上相应各点至圆周间隔最小二乘方圆法：以实践轮廓上相应各点至圆周间隔 的平方和为最小的圆的圆心为理想圆的圆心。如图的平方和为最小的圆的圆心为理想圆的圆心。如

18、图d圆度误差的四种评定方法圆度误差的四种评定方法最小包容区最小包容区域法最小，域法最小，最小二乘法最小二乘法稍大稍大圆度仪丈量法圆度仪丈量法转台式圆度仪转台式圆度仪传感器回转式圆度仪传感器回转式圆度仪丈量轴丈量轴测微器测微器任务台任务台第四节外表粗糙度丈量第四节外表粗糙度丈量定义：外表粗糙度是一种微观几何外形定义：外表粗糙度是一种微观几何外形误差误差, ,它的大小关系到机械零部件的它的大小关系到机械零部件的寿命、震动、噪音等，所以对它的丈寿命、震动、噪音等，所以对它的丈量显得尤为重要。量显得尤为重要。特点：波距量值小小于特点：波距量值小小于1mm)1mm)，变化频，变化频率高，所以粗糙度丈量方

19、法必需具有率高，所以粗糙度丈量方法必需具有分辨率高和频响快的特性。分辨率高和频响快的特性。丈量方法：丈量方法：接触式轮廓仪触针式轮廓仪接触式轮廓仪触针式轮廓仪 电感式轮廓仪、激光干涉式轮廓仪、电感式轮廓仪、激光干涉式轮廓仪、压电式轮廓仪。压电式轮廓仪。外表粗糙度的丈量基准线原那么上要求与被测外表的理想外形一致，但在实践丈外表粗糙度的丈量基准线原那么上要求与被测外表的理想外形一致，但在实践丈量中难以实现。比较常见的是利用与传感器壳体安装成一体的导头建立相对丈量量中难以实现。比较常见的是利用与传感器壳体安装成一体的导头建立相对丈量基准。基准。P104 图图5-37激光干涉仪、压电式轮廓仪激光干涉仪

20、、压电式轮廓仪压电式轮廓仪丈量原理图压电式轮廓仪丈量原理图2、非接触式轮廓仪、非接触式轮廓仪光学轮廓仪离焦式、共焦式光学轮廓仪离焦式、共焦式国家规范中规定的评定基准为国家规范中规定的评定基准为轮廓中线：最小二乘中线和算轮廓中线：最小二乘中线和算术平均中线。术平均中线。外表粗糙度的高度评定参数：外表粗糙度的高度评定参数： 轮廓算术平均偏向轮廓算术平均偏向:1()/naiiRyn微观不平度十点高度：微观不平度十点高度：5511()/5zpiviiiRyy轮廓最大高度：轮廓最大高度：maxmaxypvRyy外表粗糙度的评定方法外表粗糙度的评定方法 中线 ln lr lr lr lr lr 取样长度取

21、样长度lrlr是丈量或评定外表粗糙是丈量或评定外表粗糙度所规定的一段基准线度所规定的一段基准线长度，至少包含长度，至少包含5 5个微峰个微峰和和5 5个微谷。个微谷。 评定长度评定长度lnln取规范评定长度取规范评定长度lnln5lr5lr。假设被测外表比较均匀，。假设被测外表比较均匀，可选可选lnln5lr5lr；假设均匀性差，可选；假设均匀性差，可选lnln5lr5lr。第五节线位移量的丈量线位移量：质点在直线方向位置的变化量。对于长度线位移量：质点在直线方向位置的变化量。对于长度的动态丈量就是线位移量的丈量的动态丈量就是线位移量的丈量一大位移量丈量一大位移量丈量1脉冲测距法脉冲测距法:光

22、电探测器振荡器放大整形脉冲激光发生器电子门控制电路数字显示复位电路滤色镜开关置零脉冲发射脉冲接纳脉冲参考脉冲前往脉冲整形后脉冲电子门控制脉冲时钟脉冲计数脉冲ctL21光电探测器光电探测器振荡器振荡器放大整形放大整形脉冲激光发生器脉冲激光发生器电子门电子门控制电路控制电路数字显示数字显示复位电路复位电路滤色镜滤色镜L1L2置零脉冲置零脉冲发射脉冲发射脉冲接纳脉冲接纳脉冲参考脉冲参考脉冲前往脉冲前往脉冲整形后脉冲整形后脉冲电子门控制脉冲电子门控制脉冲时钟脉冲时钟脉冲计数脉冲计数脉冲2双频激光干涉仪：双频激光干涉仪：222 2:2110101210 NLLdtvfdtNvfMHzffftt 多谱勒频

23、移多谱勒频移多谱勒效应产生多谱勒效应产生解调放大放大计数显示激光器波片4扩束器偏振激光器检偏器光电器件1fff12f12fffff12解调解调放大放大放大放大计数计数显示显示激光器激光器波波片片4 扩束器扩束器偏振分偏振分光器光器检偏器检偏器光电器件光电器件1fff 12f12fffff 12二物位的丈量二物位的丈量(一电容式液位丈量法一电容式液位丈量法1导电液体的液位丈量导电液体的液位丈量HLD0Dd1234h1被测导电液体；被测导电液体；2容器容器3不锈钢棒；不锈钢棒；4聚四氟乙烯套管聚四氟乙烯套管mdmDmLmFdDLCH,/ ln2000000不锈钢棒直径不锈钢棒直径容器内经容器内经液

24、位测量范围液位测量范围体的等效介电常数，体的等效介电常数，内气内气聚四氟乙烯套管和容器聚四氟乙烯套管和容器时，时，当当 dDHdDHCCHmDmFdDHLdDHCCHHH0000ln2ln2,/,ln)(2ln2 为为时时，电电容容器器的的变变化化量量增增加加到到当当容容器器内内液液位位高高度度由由零零聚聚四四氟氟乙乙烯烯套套管管外外径径聚聚四四氟氟乙乙烯烯的的介介电电常常数数式式中中为为：时时，电电容容器器电电容容当当液液位位高高度度为为为为非非测测量量区区图图中中的的液液体体欧欧姆姆）西西门门子子（上上式式适适合合电电导导率率不不小小于于mmhSmSdDKKHCdDHCDD10,1/10l

25、n2 ,ln2 ,200 2非导电液体的液位丈量非导电液体的液位丈量DLH123451被测的非导电液体；被测的非导电液体；2容器容器3不锈钢外电极；不锈钢外电极；4不锈钢内电极不锈钢内电极5绝缘套绝缘套mdmDmLmFdDLCH,/ ln20000内电极外经外电极内经两电极的最大覆盖长度常数，空气的等效介电式中：时，当ddDHCCmFdDHLdDHCCHHHln2/,ln)(2ln200）（为为电容器的变化量电容器的变化量被测液体的介电常数被测液体的介电常数式中式中为：为：时，电容器电容时，电容器电容当液位上升为当液位上升为 uAxC0CABCD1D2D3D4D1U2U环形二极管电桥充放环形二

26、极管电桥充放电转换电路电转换电路成正比成正比与与因而因而成正比，成正比，与与变化，变化，当有物位时，引起当有物位时，引起。，使上式，使上式时，调整时，调整当被测物位当被测物位：通过微安表的平均电流通过微安表的平均电流过程中过程中被充电以及它们放电的被充电以及它们放电的和和在在点的电荷点的电荷点流向点流向由由时，时，降到低电平降到低电平当矩形波由高电平当矩形波由高电平点的电荷点的电荷点流向点流向由由时，时，跃变到高电平跃变到高电平当矩形波由低电平当矩形波由低电平HICICICCHCUfCCUUfUUfCUUfCICCUUCACUUUUCCAUUxxxxx 00)()()()()(00121201

27、20121212021丈量原理丈量原理超声波丈量物位基于超声波以下物理特性：超声波丈量物位基于超声波以下物理特性：声波在不同的介质中传播的速度不同，被吸收而衰减的程度不同，声波在不同的介质中传播的速度不同，被吸收而衰减的程度不同，从而可以区别其穿过的是固体、液体还是气体。从而可以区别其穿过的是固体、液体还是气体。声波在两介质分界面上会发生反射，反射角等于入射角。当声波垂声波在两介质分界面上会发生反射，反射角等于入射角。当声波垂直入射时，反射声强与入射声强存在以下关系：直入射时，反射声强与入射声强存在以下关系：smvvmkgIvvvvIER/, , /, ,21321211221122播速度声波

28、在不同介质中的传两种不同介质的密度式中：二超声波物位丈量二超声波物位丈量声波在传送中，频率越高，声波分散越小，方向性越声波在传送中，频率越高，声波分散越小，方向性越 好；频率越低，衰减越小，传输越远。好；频率越低，衰减越小，传输越远。声换能器由压电元件组成：声换能器由压电元件组成： 逆压电效应产生超声波；正压电效应接纳超声波；从逆压电效应产生超声波；正压电效应接纳超声波；从而做成声波发射器和声波接纳器。而做成声波发射器和声波接纳器。ffff正压电效应正压电效应-接纳器接纳器逆压电效应逆压电效应-发射器发射器声波声波H容器容器探头探头液位丈量根本原理液位丈量根本原理vtH21丈量方法丈量方法实践运用中可采用多种方式。实践运用中可采用多种方式。根据探头的任务方式根据探头的任务方式根据传声介质根据传声介质气介式气介式液介式液介式固介式固介式自发自收的单探头方式自发自收的单探头方式收，发分开的双探头方式收，发分开的双探头方式单探头方式的脉冲回波式超声波丈量液位根本方案单探头方式的脉冲回波式超声波丈量液位根本方案液位液位液位液位液位液位探头探头探头探头探头探头HHH液介式液介式气介式气介式固介式固介式固体棒固体棒2aSH液面液面液面液面液面液面发发发发发发收收收收收收dH双探