长度测量技术-2课件

第五章长度测量技术第一节长度检测概述第二节尺寸测量第三节形位误差测量第四节表面粗糙度测量第五节线位移与距离测量第六节物位检测技术第七节纳米测量技术1

形位误差测量是将被测要素和理想要素进行比较，从而用数值描述实际要素与理想要素形状或位置上的差异。每个参数的测量过程包括测量和评定两个阶段。形位误差的基本概念第三节形位误差测量2形位误差的分类3第三节形位误差测量圆度误差指包容同一正截面实际轮廓且半径差为最小的两同心圆的距离fm。一、圆度误差定义：5最大内切圆法：以内切于实际轮廓，且半径为最大的内切圆圆心为理想圆的圆心。最小包容区域法：理想圆位置符合最小条件。判别准则：由两同心圆包容实际轮廓时，至少有四个实测点内外相间的在两个圆周上。只适用于内圆

6最小外接圆法：以包容实际轮廓且半径为最小的外接圆圆心为理想圆的圆心。最小二乘圆法：以实际轮廓上各点至圆周距离的平方和为最小的圆的圆心为理想圆的圆心。圆度误差的评定结果以最小包容区域法最小，最小二乘法稍大，其他两种更大。只适用于外圆。

7第三节形位误差测量二、直线度误差的测量直线度误差：包容被测直线实际轮廓且距离为最小的两平行直线的距离测量方法：评定方法：求最小二乘直线，计算各点与直线的距离δi，直线度误差ΔS=δmax－δmin

包容直线实际线ΔS自准直仪法xyΔΔ单测头法刀口尺法9第三节形位误差测量三、平面度误差的测量平面度误差：包容同一正截面实际轮廓且距离为最小的两平行平面的距离测量方法：评定方法：计算最小二乘平面，计算各点与平面的距离δi，平面度误差ΔP=δmax－δmin

自准直仪法单测头法激光干涉法10四、异形曲面的测量异形曲面：又称空间自由曲面，通常指无法确切用解析几何的方法描述的曲面。如火箭、飞机、汽车等的复杂外观造型。异形曲面的高精度检测技术，研究的热点。11测量方法：手工测量法：使用最早，造价高、速度慢等。机器人测量法：装探头于机器人手上；适用范围广，速度快，精度不高。三坐标机测量法：采用离散点检测，速度慢，工作量大，无法实现在线检测。经纬仪组合测量法：经纬仪；系统组合灵活，可实现大型零部件的在线非接触高精度测量，但需人工瞄准，工作强度大，效率较低。机器视觉测量法：用视觉传感器采集目标图像，通过分析图像，获取被测曲面信息。很有发展前途。13视觉传感器的类型及工作原理1基于三角测距原理的视觉传感器：测量精度高，可测范围大，适用于生产现场使用。激光器---被测物体表面的被测点----成像在PSD或CCD上。点光源。2三维扫描仪也是采用视觉测量原理的，采用的光源为线光源或光栅式结构光（多平行线。）3双目体视传感器：利用立体视差。即两台性能相同、相互位置固定的摄像机，同时获取同一被测表面两个方向的图像，计算空间特征点在两幅图像中的“视差”，继而得到物体表面的距离信息。14双目立体视觉80年代美国麻省理工学院人工智能实验室的Marr提出了一种视觉计算理论并应用在双睛匹配上，使两张有视差的平面图产生在深度的立体图形，奠定了双目立体视觉发展理论基础。

其他体视方法，如透镜板三维成像、投影式三维显示、全息照相术等，双目立体视觉直接模拟人类双眼处理景物的方式，可靠简便，在许多领域均极具应用价值，如微操作系统的位姿检测与控制、机器人导航与航测、三维测量学及虚拟现实等。15视觉系统的一般构成光源图像卡场景摄像机计算机典型视觉系统工作原理：光→敏感元件→电（光电元件）

光源光通路光电元件测量电路光光电电yx1x2传感器：17单目视觉：一个摄像组件（镜头+摄像机）多目视觉：多个摄像组件（镜头+摄像机）图像采集部分、图像处理部分、通信和I/O部分以及输出和执行机构。图像采集系统：可视化图像或特征数据场景镜头光源摄像机图像存储体计算机输出镜头摄像机镜头摄像机控制电缆视觉系统流程图图像质量好图像处理简单、结果理想图像质量差图象处理麻烦、结果不理想由光源、镜头、摄像机、图像采集卡等构成18机器视觉检测系统1固定式系统：传感器固定在刚性框架上，对定位在测试区内的工件进行检测。适用于大批量同类产品的快速检测。被测工件变化时，框架需要重新制作或改造。2可动式系统：传感器沿着指定的路线移动来实现对工件的检测。一般用于单件产品或小批量生产的产品的检测。固定式系统的测量速度和精度优于可动式系统，因而大型复杂工件的在线检测，应选择固定式。19视觉检测系统传感器阵列示意图21完整的汽车车身三维尺寸视觉检测系统包括被测车身定位机构、视觉传感器、传感器控制盒、计算机系统及测量软件等组成。视觉传感器分三种，共30个，分别测量车身上不同的测量点。光条结构光传感器测量车身上各种棱线的空间位置；立体视觉传感器测量车身上各个特征点的空间坐标；十字线结构光传感器测量车身上的圆孔尺寸及孔心坐标。用这种方法检测车身，只需要检测30多个检测点，用不到40秒的时间就可以对每个车身进行实时、准确的检测。22第五章长度测量技术第一节长度检测概述第二节尺寸测量第三节形位误差测量第四节表面粗糙度测量第五节线位移与距离测量第六节物位检测技术第七节纳米测量技术23粗糙度定义：表面粗糙度是一种微观的几何形状误差。粗糙度特点：量值小（波距λ小于1mm)，变化频率高。对零件性能的影响：影响零件的耐磨性。影响配合性质的稳定性。影响零件的疲劳强度。影响零件的抗腐蚀性。影响零件的密封性。影响零件的外观、测量精度、表面光学性能影响导电导热性能和胶合强度等2、粗糙度的定义：25国家标准规定：评定基准为轮廓中线。包括：最小二乘中线和算术平均中线最小二乘中线：使轮廓上各点至该线的距离平方和为最小。评定基准：评定表面粗糙度的一段参考线。算术平均中线：将实际轮廓划分上下两部分，且使上下面积相等的直线。3、粗糙度评定基准：26电感式轮廓仪：采用电感传感器把触针的微小位移信号转换成电量输出。激光干涉式轮廓仪:干涉系统测量镜与触针分别位于杠杆的两端，其位移量为确定的比例关系，由此可有测得的测量镜的位移量计算得到触针的位移量。压电式轮廓仪：采用具有压电特性的晶体作为传感器的换能元件，把触针的位移量转化为压电晶体的形变量，最终转变为输出电压。激光干涉式轮廓仪测量原理图压电式轮廓仪测量原理图29工作原理：激光束聚焦于被测表面，反射光束至光电探测器，表面微观轮廓引起离焦，控制物镜系统重新聚焦，输出控制信号大小（电流）。

光学轮廓仪2、粗糙度的非接触式测量：30第五章长度测量技术第一节长度检测概述第二节尺寸测量第三节形位误差测量第四节表面粗糙度测量第五节线位移与距离测量第六节物位检测技术第七节纳米测量技术31一、线位移测量1、接触式线位移测量：(1)电感位移传感器：自感式传感器：原理：位移→线圈电感变化特点：可靠，非线性严重范围：测量微位移（<1mm）互感式传感器（差动变压器）：原理：位移→两线圈互感变化特点：非线性小范围：测量大范围位移（<100mm）32(2)光栅式位移传感器工作原理：叠合在一起形成一个小角度，移动时，形成明暗相间的条纹－－莫尔条纹定义：光栅是在玻璃基体上刻有均匀分布条纹的光学元件。构成：主光栅（标尺光栅）、指示光栅、光路系统、光电元件。特点：莫尔条纹宽度：W=a+b：W-栅距，a-线宽，b-缝宽精度高：光栅刻线误差的平均效应范围大：取决于主尺长度响应快：光电式，适于动态33(2)光栅式位移传感器1、光栅的构造：342、工作原理(2)光栅式位移传感器

把两块栅距W相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角θ时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称莫尔条纹，它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向排列，如图所示。

35莫尔条纹具有如下特点：1.莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。光栅每移动过一个栅距W，莫尔条纹就移动过一个条纹间距B。2.莫尔条纹具有位移放大作用。莫尔条纹的间距B与两光栅条纹夹角之间关系为3.莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。(2)光栅式位移传感器36通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强的变化转换为近似正弦变化的电信号，如图所示。(2)光栅式位移传感器其电压为：37

将此电压信号放大、整形变换为方波，经微分转换为脉冲信号，再经辨向电路和可逆计数器计数，则可用数字形式显示出位移量，位移量等于脉冲与栅距乘积。测量分辨率等于栅距。(2)光栅式位移传感器382、非接触式线位移测量：(1)电容位移传感器：原理：位移→极板移动→极距变化→电容变化特点：范围：测量微位移（<1mm）初始电容量：分辨力极高：位移1nm动极板质量小，惯性小，动态响应好；非接触，自身发热和功耗小；非线性严重39(2)电涡流位移传感器原理：交变电流I1传感器线圈被测导体交变磁场H1电涡流I2交变磁场H2参数变化输出信号线圈与导体距离变化－－电感、阻抗、品质因数等变化---输出信号特点：不受液体、油污、灰尘等介质的影响测量范围有限：仅适于近距离测试数百毫米非线性，精度不高体积大，功耗高40(3)激光位移传感器原理：构成：激光器：发射激光束发射端镜头：准直、汇聚接收端镜头：成像接收器：光电转换（CCD,PSD）特点：测量精度高（0.03％)，分辨率高(0.005％）。与被测体无关（软硬、颜色、冷热、材料…）量程可达数十厘米。传感器探头发射出的激光,通过特殊的透镜被汇聚成一个直径极小的光束，此光束被测量表面漫反射到一个分辨率极高的CCD或PSD探测器上,通过CCD或PSD所感应到光束位置的不同，精确测量被测物体位置变化。4142二、距离测量1、飞行时间测距激光器被测目标被测距离:c---光速t---往返飞行时间原理：特点：对时间测量精度要求高，适于测量超长距离激光器发出单个激光脉冲，并返回发射端接收应用：建筑测绘、桥梁监测、军事探测、野外勘探、天体测量432、相位差测距激光器被测目标被测距离:c-光速f0-频率-相位差特点：测量精度高，测量范围大（中短距离）应用：相机自动对焦建筑测绘、军用目标原理：激光器发出连续激光脉冲返回发射端接收二、距离测量44第五章长度测量技术第一节长度检测概述第二节尺寸测量第三节形位误差测量第四节表面粗糙度测量第五节线位移与距离测量第六节物位检测技术第七节纳米测量技术451、压力式液位计原理：液体对容器底面产生的静压力与液位高度成正比(a)压力表式液位计测量开口容器液位高度的压力式液位计(b)法兰式液位变送器（隔膜式电容压力传感器）46对于密闭容器中的液位测量，还可用差压法进行测量，消除液面上部气压及气压波动对示值的影响。差压式液位计472.钢带浮子式液位计右图为直读式钢带浮子式液位计，这是一种最简单的液位计；浮子做成空心刚体，使它在平衡时能够浮于液面。当液位高度发生变化时，浮子就会跟随液面上下移动。因此测出浮子的位移就可知液位变化量。483、电容式物位计RLHL同心圆柱式电容器R、r—外电极内径和内电极外径493、电容式物位计大致可分成三种工作方式棒状电极导电容器物料非导电液体整体绝缘探头导电容器物料为导电性液体变面积型电容器具有内外电极的管式电极非金属容器物料为非导电性液体504、超声波物位计可测量液体及粒状松散并含有大量气体的被测材料。515、雷达物位计

雷达物位计也采用发射—反射—接收的工作模式。雷达物位计的天线发射出电磁波，这些波经被测对象表面反射后，再被天线接收，电磁波从发射到接收的时间与到液面的距离成正比。

D——雷达物位计到表面的距离

C——光速

T——电磁波运行时间

采用一体化设计，无可动部件，不存在机械磨损，使用寿命长；几乎可以测量所有介质；采用非接触式测量，不受槽内物体的密度、浓度等物理特性的影响；测量范围大，最大可达0~35m，可用于高温、高压的液位测量。

D=CT/252第五章长度测量技术第一节长度检测概述第二节尺寸测量第三节形位误差测量第四节表面粗糙度测量第五节线位移与距离测量第六节物位检测技术第七节纳米测量技术53第七节纳米测量技术定义：尺度为0.01nm-100nm的测量技术。一、扫描隧道显微镜（STM）1981年，IBM公司苏黎世实验室研制成功了世界第一台新型的表面分析仪器——扫描隧道显微镜（ScanningTunnelingMicroscope,以下简称STM）。它的出现，使人类第一次能够实时地