长测量方法和量具介绍.pptx

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1、 长度单位：米的定义三次定义我国的长度单位是米。在1983年第十七届国际计量大会上正式通过米的新定义如下：“米是光在真空中1299792458秒的时 间内所经过的距离。”第1页/共103页米原器第2页/共103页通过计量检定，将国家计量标准器（基准）所复现的计量单位的量值，通过标准，逐 级传递到工作用的计量器具，以保证对被测对象所测得量值的准确和一致。这个过程称为量值传递。第3页/共103页长度量值传递 目前，在实际工作中常使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递到基准线纹尺和一等量块，然后再由它们逐次传递到工件，以确保量值准确一致。第4页/共103页第5页/共103页

2、 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。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，即一个量块只有一个尺寸，为了满足一定尺寸范围的不同尺寸要求，量块可以组合使用。量块的公称尺寸和实测尺寸。量块的公称尺寸一般都刻印在量块上。刻在量块上的公称值与该量块的实测值之差即为量块的示值误差。第6页/共103页第7页/共103页 量块的精度分级又分等。量块按制造精度分为0、

3、1、2、3、4级，其中0级精度最高，按检定精度分为1、2、3、4、5、6等，其中1等精度最高。量块分级的根据是量块中心长度的允许偏差、平面平行性及研合性质；量块分等的根据是量块中心长度测量的极限误差、平面平行性及研合性质量。第8页/共103页量块按级使用时，用其中心长度的公称尺寸，因此测量结果中包含了量块实测尺寸对其公称尺寸的偏差，即中心长度的制造偏差。量块按等使用时，用其中心长度的实测尺寸，因此测量结果中包含了实测尺寸对其真实尺寸的偏差，即中心长度的测量误差。量块精度分级又分等，其目的就是借助高精度的测量方法，来弥补制造精度的不足。因此，在高精度的科学研究、测量工作中应按等使用，而在一般测量

4、时可按级使用，以简化计算。第9页/共103页量块量块“等等”和和“级级”之间的关系是：之间的关系是：（1）对研合性及平面平行性偏差规定为：l、2等与0级，3、4等与1、2级，5、6等与3、4级分别相同。因此，欲检定1、2等量块时，必须选择不低于0级精度的量块；检定3、4等量块则必须选择不低于1、2级精度的量块，检定5等量块必须选择不低于3级精度的量块。（2）“等”和级”可以代替使用。例如，0、1、2级量块的中心长度制造极限偏差分别与3、4、5等量块的中心长度测量极限误差相同，因此，0、l、2级量块可分别代替3、4、5等量块来使用。第10页/共103页第11页/共103页3.光栅、容栅的栅距和感

5、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，因而读数直观，提高了读数精度，而且工作可靠；可以实现测量自动化和自动控制。黑白透射光栅第12页/共103页感应同步器的绕组第13页/共103页长度测量的基本原则长度测量的基本原则阿阿贝原则贝原则 长度测量的基本原则是阿贝原则:在长度测量时，为了保证测量的准确，应使被测零件的尺寸线(简称被测线)和量仪中作为标准的刻度尺(简称标准线)重合或顺次排成一条直线。符合阿贝原则的测量，其示意图：可尽量减小导轨直线度误差对测量结果的影响。第14页/共103页第15页/共103页游标量具 应用游标读数原理（图3一1）制成的量具叫游标量具。它在机械制造业中

6、应用十分广泛，包括游标卡尺，高度游标卡尺、深度游标卡尺等，可分别用于测量内外尺寸、高度、深度等。游标量具具有结构简单，使用方便，测量范围大以及用途广、使用寿命长等优点。1.游标读数原理 游标量具读数部分主要是由尺身与游标组成，其原理是利用尺身刻线间距与游标刻线间距差来进行小数读数，如图31所示。长度计量中常用的量具与量仪第16页/共103页Vernier Caliper图32所示为三用卡尺，其测量范围一般为0125和0一150mm两种。第17页/共103页尺身刻线间距每小格为尺身刻线间距每小格为l mml mm，在游标长度，在游标长度49mm49mm内刻内刻5050格，即游标上的每一刻线间距为

7、，也就是格，即游标上的每一刻线间距为，也就是游标与尺身的刻线间距差为。因此当游标零位线游标与尺身的刻线间距差为。因此当游标零位线与尺身零位线对准时，除最后一很线与尺身第与尺身零位线对准时，除最后一很线与尺身第4949根刻线对准外，其它游标刻线都不与尺身刻线对根刻线对准外，其它游标刻线都不与尺身刻线对准。当移动游标时，游标向右移动，则尺身的第准。当移动游标时，游标向右移动，则尺身的第一很刻线对准游标的第一很刻线；移动时，尺身一很刻线对准游标的第一很刻线；移动时，尺身和游尺身和游标的第二根刻线相对准。依此类推，和游尺身和游标的第二根刻线相对准。依此类推，所以游标在所以游标在l mml mm内向右移

8、动的距离，是由游标刻内向右移动的距离，是由游标刻线与尺身刻线相对准时的游标刻线所决定。线与尺身刻线相对准时的游标刻线所决定。第18页/共103页根据这个道理，游标沿尺身移动，即可使尺身和游标上的某一刻线对准，从而得出被测长度尺寸的毫米整数和小数部分，其读数方法如下：首先读出游标零刻线所指示的左边尺身上的毫米刻线整数；然后观察游标刻线与尺身刻线对准时的格数，将游标对准的格数乘以游标读数值，即为毫米小数；最后将毫米整数与毫米小数相加，即得被测工件的尺寸读数。如图82所示，游标读数值为，则被测工件尺寸为2十。第19页/共103页近十年来发展了一种不用游标读数的新型卡尺，即数显卡尺（又称为电子卡尺），

9、其示意图如图34所示。数显卡尺的测量范围为O150 mm，分度值为 0.01 mm，测深为 0115 mm。数显卡尺主尺上装有高精度的齿条，用齿条作为传动机构，带动一个圆形栅格片转动，用光电脉冲计数原理，将卡尺量爪的位移量转变为脉冲电讯号，通过计数器和显示器将测量尺寸用数字显示出来。数显卡尺的电子部分装有存储器、置零装置和公英制换算装置。第20页/共103页目前我国生产的游标卡尺的测量范围和游标读数值：第21页/共103页测微量具是机械制造中常用的精密量具，它是利用精密螺旋副进行测量，而以微分筒和固定套筒上的刻度进行读数的一种机械式量具。精密螺旋副的螺距为，由于测微螺杆的精度受到制造工艺的限制

10、，其移动量通常为25mm。Outside Micrometers Outside Micrometers 外径千分尺测微量具是应用螺旋副传动原理，将角位移转变为直线位移，直线位移的各行程与螺旋转角成正比，其数学表达式为测微量具第22页/共103页读数：2测微量具的读数机构和读数方法读数机构由固定套筒和微分筒组成，如图所示。在固定套筒上刻有纵刻线，作为微分筒读数的基准线，纵刻线上下方各刻有25个分度，每个分度的刻线间距为1mm，上下刻线的起始位置错开，微分量具中测微螺杆的螺距一船都是，微分筒圆周斜面上刻有50个分度，因此当微分筒旋转一周时，测微螺杆轴向位移，微分筒旋转一个分度时(即150转)，测

11、微螺杆移动，故常用千分尺的读数值为。第23页/共103页 表类量具 此类量具的主要原理是将测量杆微小直线位移通过适当的放大机构放大后而转变为指针的角位移，最后由指针在刻度盘上指示出相应的示值。钟表式百分表分度值为 第24页/共103页杠杆齿轮式测微仪图(a)仪器的外形图(b)仪器结构原理图第25页/共103页测量时，测杆将向上或向下移动，从而使杠杆短臂R4产生摆动，扛杆短臂和杠杆长臂R3连成一体，R3是个扇形齿轮，因此短臂R4的摆动带动扇形齿轮的摆动，当扇形齿轮摆动时，带动小齿轮转动，使与小齿轮连接在一起的指针R1偏转，从而实现将测杆微小的直线位移经杠杆齿轮机构放大后变为指针的大位移。此种仪器

12、一般用于比较测量，因此刻度尺的示值范围多取为0.1mm其放大比K为:第26页/共103页 扭簧测微仪扭簧测微仪又称为扭簧比较仪。在传动式量仪中，使用最广泛。因为它具有传动链无间隙，无摩擦作用，测量力小，放大比较高等优点，所以大大地提高了量仪的精度。扭簧测微仪的灵敏度很高，其分度值一般为，和，相应的示值范围为，15，和，示值误差3m)仅为示值范围的 1%至2.5%，回程误差近似为零。上述可知，这种量仪的精度已大大超过其它机械传动式量仪，通常用作比较测量。第27页/共103页第28页/共103页图（a)为其外形示意图；图(b)为其原理图。仪器的主要元件灵敏弹簧片的剖面是长方形的磷青铜簧片(例如横截

13、面为0.0l0.25mm)，簧片由中间向左、右两端扭曲而成为扭簧片，它的一端被固定在机壳的连接柱上，另一端则固定在杠杆2的一个支臂上，杠杆2的另一端与测杆1的上部相连，指针4安装在扭簧片3的中部。当测杆1有微小的位移上升或下降时，则带动杠杆2摆动，杠杆2的摆动将使扭簧片伸长或缩短，使扭簧片在中央处发生扭转，从而使连在扭簧片中间的指针4偏转一角度，其大小与拉簧片的伸长或缩短的大小成比例。也就是说，与测杆的微小位移成比例。第29页/共103页光学比较仪（光学计）光学比较仪又称光学计，它是一种精度较高的光学机械式计量仪器。光学比较仪主要用作相对法测量，在测量前先用量块或标准件对准零位，被测尺寸和量块

14、（或标准件）尺寸的差值可在仪器的刻度尺上读得。用光学计在相应的测量条件下，以四等或五等量块为标准可对五等或六等量块进行检定，还可以测量圆柱形、球形、线形等工件的直径以及各种板形工件的厚度。光学比较仪由光较仪管和支架座组成。光较仪管可以从仪器上取下，装在其它支架座上，做其它精密测量之用。按照光较仪管支架座形式的不同，光学比较仪可分成立式光学比较仪即立式光学计和卧式光学比较仪即卧式光学计两种。第30页/共103页被测件最大长:180mm第31页/共103页立式光学计的主要部件是光较仪管，光较仪管的工作原理是自准直光管和正切杠杆机构的组合。如图所示，在物镜焦平面上的焦点C发出的一束光，经物镜后变成一

15、束平行光射到平面反射镜。若平面反射镜与光轴垂直，则经过平面反射境反射的光仍按原路汇聚到发光点C处，即发光点C与象点C重合。若反射镜与光轴不垂直而偏转一个a角，根据反射定律则反射光束与入射光束间的夹角为2 a。此时反射光束汇聚于象点 C”，C与 C”之间的距离应按下式计算：第32页/共103页测量时，应先调整零位，即平面反射镜的镜面与光较仪中的光轴相垂直。由于采用比较测量法，因此当被测尺寸和标准尺寸有差异时，测杆就将沿着导轨做直线移动，从而推动平面反射镜P绕支点O摆动。测杆移动的距离为s时，反射镜偏转了a角，其关系为 式中，b为测杆到支点O的距离。这样，测杆的微小移动S就可以通过正切杠杆机构和光

16、学装置放大，变成光点和象点间的距离CC”，其放大比为光学计的目镜放大倍数为K2，因此光学计的总放大倍数为KK2倍。（）（）umum第33页/共103页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。由于测长仪的设计完全遵循阿贝原则，所以又称为阿贝测长仪。可以对长度进行绝对测量。也可借助其它基准（如量块）进行比较测量。量程较短的称为测长仪量程较短的称为测长仪。仪器的测量座是一个独立部件。由内装100mm线纹标尺的量轴和细分值为的读数显微镜所组成。根据测量座在仪器中的布置分立式测长仪和卧式万能测长仪（简称万能测

17、长仪）两种。立式测长仪用于测量外尺寸；卧式测长仪除能测量外尺寸外，主要用于测量内尺寸。量程在量程在500mm500mm以上的仪器体形较以上的仪器体形较大，称为测长机大，称为测长机。测长机常用于绝对测量。测长仪和测长机第34页/共103页第35页/共103页工作台1上放置被测件2，通过测量轴体4上的可换测量头3与被测件接触测量。测量轴体4是一个高精度圆柱体，在精密滚动轴承支持下，通过钢带8，滑轮9，平衡锤12和阻尼油缸13完成平稳的轴向升降运动。配重7用来调整测量力。测量轴体的轴线上固定有基准标尺(玻璃刻尺)5，其上有l01条刻线，刻度间隔为1mm。由光源11发出的光，经透镜10，再透过基准玻璃

18、刻尺，将毫米刻线影象投射入螺旋读数显微镜6，进行读数。第36页/共103页目镜8的显微读数镜头中，可看到三种刻线重合在一起：一种是毫米玻璃刻线尺5上的刻度（图中的 7、8），其间距为 lmm；一种是目镜视野中间隔为 的刻度（图 中的 0至10）一种是有10圈多一点的阿基米德螺旋线刻度（图中上部的35、40、45），由于螺旋线的螺距为 0.1 mm，而在螺旋线里面的圆周上刻有100格的圆周刻度，因此每格圆周刻度代表阿基米德螺旋移动。读数时，旋转螺旋分划板微调手柄7，使毫米刻线位于某阿基米德螺旋双刻线之间。图的读数为 7.141 mm。不确定度：（1.5+L/100）um第37页/共103页卧式测

19、长仪卧式测长仪又称为万能测长仪。万能测长仪是把测量座作卧式布置，测量轴线成水平方向的测长仪器。万能测长仪除了对外尺寸进行直接和比较测量之外，还可配合仪器的内测附件测量内尺寸。对外尺寸可以测端面间长度、球的直径、垂直位置和水平位置的圆柱直径等：对内尺寸可以测平行平面间长度、内孔直径等。配以附件还可测量螺纹的内、外中径。因此卧式测长仪在测试工作中有着广泛的用途。第38页/共103页卧式测长仪（万能测长仪）第39页/共103页卧式测长仪的毫米刻线尺和测量轴水平卧放在仪器的底座上，并可在底座的导轨上作左右方向的移动；它主要由底座7、测座1、万能工作台5和尾座6组成。测座l和尾座6可在仪器底座7的导轨上

20、移动和锁紧。万能工作台5安装在底座中部的马鞍处，它有五个自由度（升降、前后移动和绕垂直轴或水平轴的转动）测量时可精细调整，保证测得的长度准确位于基准尺同一细线上，以排除测量时的阿贝误差。第40页/共103页测量前先将测量轴2与尾座中的测量砧接触，从读数显微镜中读出读数。测量轴中装有毫米刻线尺作为标准尺，标准尺和测量轴一起移动。测量轴2和读数显微镜同装在测座1上。第一次读数后，将被测工件置于工作台上，并使工件和测砧接触，然后移动测量轴2与工件接触，再一次从读数显微镜读得第二次读数，两次读数之差即为被测工件的尺寸。读数显微镜的视野和读数方法与立式测长仪完全相同。第41页/共103页测长机是机械制造

21、中测量大尺寸的精密仪器，仪器的种类很多，按其测量范围来分，有1，2，3，4，6m，甚至还有12m的。该仪器主要进行绝对测量，但也可用于比较测量。绝对测量是将被测工件与仪器本身上的刻度尺进行比较；而相对测量则是将被测工件和一个预先用来对准仪器零点的标准件(如块规等)相比较，从仪器上读取两者之差值。1 仪器工作原理测长机第42页/共103页第43页/共103页光线自光源15，经聚光镜，滤光片、反射镜后照亮了分划板14。由于分划板位于物镜组11的焦平面上，故光线通过分划板14后，经直角棱镜12和物镜组II后便形成平行光束，经过同样焦距的物镜组9和棱镜8后，使分划板14成象于刻线尺7上(因刻线尺7亦放

22、置在物镜组9的焦平面上)。通过读数显微镜3进行读数。小于的读数由光学计管2完成。图中6是机身，在它的床面上镶有刻线尺7和分划板14。刻线尺7上从0到100mm内共有刻线1000条故每格为；分划板14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7零刻线的距离的分米数值。第44页/共103页玻璃平板2位于尾座物镜5的焦平面上，玻璃刻度尺8位于测座物镜6的焦平面上。根据自准直光管的原理，玻璃平板2：上的双刻线成象于玻璃刻度尺8的平面内，在定位读数显微镜视野中可同时看到玻璃平板2的双刻线和玻璃刻度尺8的刻线。测长机光路第45页/共

23、103页第46页/共103页显微镜法是将被测件的尺寸、轮廓或用光干涉法产生的干涉条纹等，经过显微放大，以便于观察测量。被测件AB位于物镜的物方焦点F1之外，但不超过距物镜两倍焦距的距离，被测件被物镜放大成一倒立的实象AB，此实象位于目镜的物方焦面右方的分划板上分划板上，经目镜再次放大在明视距离明视距离J J250mm250mm处成一可从目镜视场中看到的虚象AB 物镜放大倍率为目镜放大倍率为显微镜的放大倍率为 显微镜光学系统光学筒长 工具显微镜第47页/共103页非接触瞄准照明光源射出的光经滤色片2、可变光阑3、反射镜4和聚光镜5后变为平行光照明被测工件。经物镜放大后的工件轮廓成象在分划板11上

24、，再经目镜放大后观察。显微镜读数系统由目镜和物镜组成。根据所要求的放大倍数，可更换物镜。在分划板前设置一正象棱镜，使视野内所观察的象为正象。目镜头可以更换.第48页/共103页第49页/共103页大、小型工具显微镜工作台作纵、横坐标移动的距离，由测量时所加的量块尺寸与作纵横方向微动的螺旋测微器微分筒示值之和来确定。万能工具显微境则借助于在以器工作台纵横移动方向上放置的两支精密刻线尺的读数来确定。目镜是各种工具显微镜的一个重要组成部分。根据用途不同可分为测角目镜、轮廓目镜、双象目镜。测角目镜用来测量角度和直线尺寸，轮廓目镜通常又称为螺纹目镜头，可以用它来测量螺纹等形状复杂的工件；使用双象目镜头主

25、要用于测量孔间距、线段长度以及对称图形之间的距离，其优点是使用简便，易于掌握。第50页/共103页为了减轻测量人员眼睛的疲劳以及人眼带来的读数误差，近年来已普遍采用投影读数的方法。图是19JA型万能工具显微镜的投影装置图。影屏上有11个光缝，共10个间距，每间距相当于，即将毫米刻线尺的1mm分成10等分。读数鼓轮上均匀地刻有100个分度，读数鼓轮旋转100个分度可带动影屏移动一个光缝，即，故读数鼓轮的最小分度值为。读数时，旋转读数鼓轮使毫米刻线影象位于某一光缝正中。读数为第51页/共103页图1为万能工具显微镜接触瞄准系统光学灵敏杠杆的工作原理示意图。由照明光源1照亮的分划板2上的三对双刻线，

26、经透镜3后由与测杆相连的反射镜4反射，再经物镜5放大，最后成像在测角目镜分划板6上。反射镜4随测杆摆动时，三组双刻线的象随之左右移动。仅当测杆中心线与显微镜光轴重合时，双刻线的象位于米字分划板的中心位置。第52页/共103页在工具显微镜上用光学灵敏杠杆测量端面定位孔的直径时，可用两种方法确定采样点的位置。找拐点法1.测弦找中点法第53页/共103页立式接触式干涉仪是一种高精度测微仪，其光学系统如图46所示。自光源1发出的光束经聚光镜2后成平行光，再经保护玻璃4（干涉滤色片3在定分度值时插入光路）投射到分光镜6上。一束被分光面A反射后，射至可调反射镜5，返回后透过分光镜射向物镜9；另一束光透过分

27、光镜6及补偿镜7，射至与测杆相连的反射镜8，反射后经补偿镜7再在A面反射也进人物镜9，两束光产生干涉，物镜9将干涉条纹放大并成像在分划板10上。分划板上有50个刻线间隔，通过目镜11可同时观察到刻线和干涉条纹。补偿镜的作用是产生零级黑色条纹。立式接触式干涉仪第54页/共103页用接触式干涉仪测量时使用白光，即移出滤色片，使视场中出现零级黑条纹。根据测头先后与标准件及被测件接触时零级条纹位置间的距离，即可测得被测量相对于标准量的偏差值。例如检定量块：测头与标准量块接触时，零级条纹位于al（格），测头与被检量块接触时，零级条纹位于a=+4格，若仪器分辨力，则被测量块相对于标准量的中心长度偏差为i(

28、a2-a1比较法测量第55页/共103页干涉测长是激光在几何量测量中最重要的应用。光波干涉法作为精密测量长度和位移的有力手段问世已久其测量精度很高。但在激光问世以前，由于缺乏亮度高、单色性好的光源，干涉办法的应用有着许多局限性，激光的出现则为干涉测长提供了极好的相干光源。目前在几何量测量中最重要的激光技术是用光电转换、条纹计数等方法来测量长度，这种方法具有精度高、速度快、量程大、能不接触测量及自动测量等许多优点。(激光具有方向性好、能量高度集中、单色性好、干涉能力强的优点）。激光干涉测长仪第56页/共103页经稳频的氦一氖激光，由望远系统2使之成为平行光，经反射镜3射到分光镜4上，然后光束分成

29、两路，一路光透过分光镜经全反射镜5射到三面激光棱镜6，再返回到分光镜4上；另一路反射到装在工作台上的三角激光棱镜7上，而后又返回分光镜4上。两路光在分光镜处汇合而产生干涉。当工作台连续移动时，由于两束光的光程差的变化，而得到明暗相间的干涉条纹的变化，黑白条纹的变化变为光信号并经反射镜8和9，照射到光敏元件10上，光敏元件接收后转换为电信号，再经放大、整形、脉冲变换等电路，最后由可逆计数器计下脉冲数。工作台移动的距离可用下式算出：第57页/共103页激光干涉比长仪原理图第58页/共103页电动量仪电动量仪是将被测尺寸即测杆的位移转变为电信号实现尺寸测量的一种仪器。此类仪器一般由测量装置（或传感装

30、置）、电器装置和显示装置三部分组成。近年来，显示装置已发展到采用专用电子计算机或数字显示装置等，可以直接处理测量数据。电动量仪种类很多，一般可分为电感式、电容式、和光电式等。由于电动量仪灵敏度和精度很高，测量装置和显示装置可以分离，所以有利于进行远距离测量和实现测量自动化。电感式量仪的传感装置一般分为电感式和互感式两种。电感式又分为气隙式、截面式和螺管式三种。互感式也分为气隙式和螺管式两种。第59页/共103页电感测量的基本原理如图所示。图（a）是气隙式电感传感器，它由线圈1、衔铁3、铁心2和测杆4组成。铁心与衔铁之间有一个厚度为 的空气隙，仪器的测杆与衔铁3连接在一起。当被测工件尺寸发生变化

31、时，引起测杆向上或向下移动，使空气隙的厚度 也随之改变。此种传感器的灵敏度高，但其缺点是电感量的变化与位移量的变化呈非线性关系，因此误差较大。为减小由于非线性关系产生的误差；气隙的变化必须限制在较小的范围内。第60页/共103页一般原始气隙约为0l05mm。要求气隙变化为原始气隙15，即，所以这类传感器的示值范围和测头行程均较小。电感量除与气隙a有关外，还与通磁气隙的面积S有关，其关系式为从上式可知，电感量与导磁体的截面积成正比。第61页/共103页图(b）为截面式电感传感器。当被测工件尺寸发生变化时，则测杆将上升或下降的此时导磁体的截面积S也发生改变故而引起电感量的变化。这种传感器在实际使用

32、时常采用差动连接的一对线圈。当测杆移动时，其中一个线圈的电感量增大，而另一个线圈的电感量则以同样的数值减小。因此，这种传感器能抵消因电源电压波动、温度变化以及非线性变化等因素引起的误差；故该类传感器不但有较高的灵敏度，而且非线性误差小，示值范围较大。第62页/共103页 差动式电感传感器第63页/共103页 总结：绝对测量法：仪器示值为被测量的绝对值，常以刻度尺、光栅尺等作为测量基准，一般具有绝对零位，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。相对测量法：仪器示值为被测量相对于某一定值标准量的偏差值。标准量应尽可能与被测量具有相同定义及公称值。用于相对测量的仪器多称作测微

33、仪或比较仪，一般具有放大倍数大，示值范围较小、测量精度高、零位可调的特点。如杠杆百分表，扭簧式比较仪、光学比较仪、接触式干涉仪、电感测微仪等。直接测量法：将被测量直接和标准量进行比较。绝对测量和相对测量第64页/共103页间接测量法：测量得到的量值是采样点的坐标（坐标测量法）或其他与被测量有确定函数关系的参量，被测量的值须通过计算求得。微小尺寸的间接测量大直径的间接测量坐标测量法第65页/共103页 随着科学技术和工业生产的发展，产品的小型化或微型化越来越成为一个重要的分支，因而微小尺寸的测量越来越多：如细丝、小孔、镀层厚度、集成电路中的氧化层厚度、各元件间的微小距离、计算机中磁头与磁盘间的微

34、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测量精度为的数量级。显然，现有的传统测量方法和仪器是难以完成任务的，迫切地要求提出新的测量方法，下面将介绍几个测量方法的实例。微小尺寸测量第66页/共103页一、用激光衍射法测量金属细丝直径 一般的钢丝直径常用电感测微仪以接触法进行测量，这种方法受测量力的影响很大，即使在测量力较小的情况下，其相对测量误差也是较大的，而且容易引起细丝的弯曲变形。此外，如测力过小，也由于测量不稳定而无法保证测量精度。近年来由于激光技术的发展，为测量细丝直径提供了新的测量原理和方法。第67页/共103页夫琅和费衍射原理当光源和衍射场(即屏幕P)都距衍

35、射物(小孔、狭缝等)无限远时的衍射称为夫琅和费衍射(或平行光衍射)，实际上只要光源、屏幕离衍射物有足够大的距离部可认为是夫琅和费衍射。第68页/共103页第69页/共103页式中K1，2正整数。正负号表示亮暗条纹对称地分布在中央亮条纹的两侧，0给出了中央亮条纹P0的中心位置。图为衍射条纹的光强分布图。由图可见，随着衍射角的增加，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，条纹可以更加清晰，衍射级次也更高(即能见到的衍射条纹致目多)。第70页/共103页由前知，夫琅和费衍射要求光源和衍射场位于无穷远处，但实际上只要这些距离足够大便可认为符合夫琅和费衍射的条

36、件了。为此，如图所示，设被测细丝为 d，相当于狭缝。我们采用激光作为光源，由于其发散角很小，可认为是平行光，所以可免除透镜L1；并将衍射屏幕放置离细丝较远处(譬如l500mm)，这样又可免除透镜L2。于衍射场P处即可获得一组明暗相间的衍射条纹，只要测得衍射条纹距屏幕中心的距离Sk，便可求得细丝直径。由于la(即d)，此时角很小，故可取:第71页/共103页第72页/共103页第73页/共103页第74页/共103页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

37、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。激光能量法第75页/共103页一、用弦高法测量大直径的孔和轴如图所示为手持式测量装置。在装置基体1的中央放着指示表4；两侧装有带滚柱3的支杆2。在测量时两个滚柱3能在其整个长度上与被测件5接触，从而能保证仪器在测量时的正确

38、位置。这种装置在测量前应在平板上进行调螫指示表的零位，即两个滚柱与平板表面接触，而在指示表的量杆下端，垫以适当的块规。当测量外直径时，块规组的尺寸可按图确定，由三角形OO,A，有；大尺寸的测量第76页/共103页第77页/共103页第78页/共103页坐标测量法坐标测量法是几何量测量最基本最常用的测量方法，通过测量被测几何要素上若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理两个步骤。单坐标、双坐标、三座标及多坐标。实现测量的关键是建立被测参量和采样点在测量机坐标系中的坐标关系模型。第79页/共103页三坐标测量机机架结构三坐标测量机的主体主要由以下各部分组成：底座、测量工作台、立柱

39、、X及Y向支撑梁和导轨、Z轴部件及测量系统（感应同步器、激光干涉仪、精密光栅尺、精密丝杆等）、计算机及软件。第80页/共103页该机通过三个坐标轴在三个空间方向自由移动，测头在测量范围内可以到达任意一个测点，三个轴的测量系统可以测出测点在x，y，z三个方向上的精确坐标位置。三坐标测显机按其精度来说可以分为两大类：一类是精密型万能测量机(UMM)，一般放在有恒温条件的计量室内，用于精密测量，分辨率为，1um或2um，也有达到或的；另一类是生产型测量机(CMM)，一般放在生产车间，用于生产过程的检测，并可进行本道工序的精加工，分辩率为5um或10um，小型生产测量机也有1um或2um的。第81页/

40、共103页CMM不管任何复杂的几何表面和几何形状，只要测量机的侧头能够瞄准到的地方（接触与非接触法），就刻通过坐标机的测量系统得到各点的坐标值，经计算机算出它们的几何尺寸和相对位置，并完成数据处理，因此用三坐标测量机具有较大的万能性。第82页/共103页主要参数数值单位X行程3600mmY行程2438mmZ行程1524mm最大运行速度25.4m/min刻度值0.0005mm测量精度0.028/1400mm第83页/共103页Chameleon 7107 三坐标测量机 美国布朗夏普公司制造测量范围:6501000650测量精度:2.1+L/355(ISO 10360-2)。除常规精密测量外，还可

41、以进行高精度曲面扫描测量，可辅助进行逆向设计。第84页/共103页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。圆度误差定义：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第85页/共103页 圆度误差的评定方法第86页/共103页第87页/共103页最小包容区域法最小，最小二乘法稍大第88页/共103页圆度仪测量法第89页/共103页第90页/共103页表面粗糙度测量表面粗糙度测量是一种微观几何形状误差。特点：量值小（小于1mm)，变化频率高，所以粗糙度测量方法必须具有分辨率高和频

42、响快的特性。接触式轮廓仪（触针式轮廓仪）针描法是一种接触式测量方法。用一个很尖的触针垂直于表面横移，触针将随着表面轮廓几何形状作垂直起伏运动，把这个微小位移的信号转换成电量加以放大，再进行运算处理即可获得某个表面光洁度参数数值，或者用记录器描绘出放大了的表面轮廓图形（早期曾经采用机械或机械一光学的方法放大触针的垂直位移量，现基本上已被淘汰）。第91页/共103页第92页/共103页表面粗糙度的测量基准线原则上要求与被测表面的理想形状一致，但在实际测量中难以实现。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测量基准。传感器壳体通过连接杆4与驱动器相连接，在触针3附近的传感器壳体上装有一个

43、圆弧形导头 1，这导头支承在被测表面 5上，并和触针一起在试件表面上滑行。此时，测量基准线为圆弧形导头曲率中心的移动轨迹，所测得的轮廓信息是触针相对于导头的垂直位移。（导头有机械滤波的作用）。第93页/共103页装有测针T的杠杆M固定在绕有线圈的磁铁中心枢轴上，触针垂直位移改变磁铁两端的空气隙，转换为电感线圈的电感量变化，从而对载波信号进行调制，产生交变电流，然后再通过解调器获得截面轮廓信号，送入下级放大和运算电路。这类电感传感器的特点是输出信号只和触针位移有关，亦称位移灵敏传感器，它可以把轮廓图形逐点描绘出来，所以一般带有记录器。第94页/共103页非接触式轮廓仪第95页/共103页国家标准

44、中规定的评定基准为轮廓中线，最小二乘中线和算术平均中线。表面粗糙度的高度评定参数：轮廓算术平均偏差:微观不平度十点高度：轮廓最大高度：表面粗糙度的评定方法第96页/共103页纳米测量技术1982年，IBM公司苏黎世实验室的葛宾尼（Gerd Binnig）博士和海罗雷尔(Heinrich Rohrer)博士及其同事们共同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（Scanning Tunneling Microscope,以下简称STM）。它的出现，使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质。第97页/共103页扫描隧道显微镜（STM)的

45、基本原理是利用量子力学中的隧道效应，在样品与探针之间加一定的电压，当样品与针尖距离非常接近时，样品和针尖之间将产生隧道电流exp（）,是探针与样品之间的电压，为样品与针尖距离，k为常数。从上式可以看出，与成指数关系，即隧道电流对样品的微观表面起伏特别敏感，当减小.1时，将增加一个量级。第98页/共103页工作原理将被测样品作为一个电极，将作为另一个电极的极细探针靠近样品（通常距离应小于1nm），就会发生隧道效应，产生隧道效应电流。当控制压电陶瓷使探针在样品表面扫描时，由于样品表面高低不平而使针尖与样品之间的距离发生变化，而距离的变化引起了隧道电流的变化，控制和记录隧道电流的变化，并把信号送入计

46、算机进行处理，就可以得到样品表面高分辨率的形貌图像。我们可以把扫描隧道显微镜的工作过程总结为：利用探针针尖扫描样品，通过隧道电流获取信息，经计算机处理得到图象。第99页/共103页 1990年，IBM公司的科学家展示了一项令世人瞠目结舌的成果，他们在金属镍表面用35个惰性气体氙原子组成“IBM”三个英文字母。第100页/共103页 原子力显微镜（Atomic Force Microscope 简称AFM）原子力显微镜的设计思想是这样的：一个对力非常敏感的微悬臂，其尖端有一个微小的探针，当探针轻微地接触样品表面时，由于探针尖端的原子与样品表面的原子之间产生极其微弱的相互作用力而使微悬臂弯曲，将微悬臂弯曲的形变信号转换成光电信号并进行放大，就可以得到原子之间力的微弱变化的信号。从这里我们可以看出，原子力显微镜设计的高明之处在于利用微悬臂间接地感受和放大原子之间的作用力，从而达到检测的目的。原子力显微镜同样具有原子级的分辨率。由于原子力显微镜既可以观察导体，也可以观察非导体，从而弥补了STM的不足。第101页/共103页左图是目前商品化的原子力显微镜仪器普遍采用的激光检测法示意图。第102页/共103页感谢您的观看！第103页/共103页