长测量基础学习.pptx

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1、1u测量对象：测量对象：零件几何参数。长度、角度、表面粗糙零件几何参数。长度、角度、表面粗糙度、形位误差等。度、形位误差等。u计量单位：计量单位：几何量测量中，米制为我国的基本计量几何量测量中，米制为我国的基本计量制度。长度单位是制度。长度单位是米米(m)，角度单位是，角度单位是弧度弧度(rad)。mm.m.nmu测量方法：测量方法：是指在进行测量时所用的按类叙述的一是指在进行测量时所用的按类叙述的一组操作逻辑次序。测量原理、测量器具、测量条件。组操作逻辑次序。测量原理、测量器具、测量条件。u测量的准确度：测量的准确度：测量结果与真值一致的程度。测量结果与真值一致的程度。3.测量过程的要素第1

2、页/共77页2第二节 尺寸传递1.1.长度单位：长度单位：米米定义：米是光在真空中于1299 792 458秒(s)时间间隔内的行程长度。量值传递系统：量值传递系统：将米将米的定义长度一级一级的定义长度一级一级地传递到工作计量器地传递到工作计量器具上，再用其测量工具上，再用其测量工件尺寸，从而保证量件尺寸，从而保证量值的准确一致。值的准确一致。第2页/共77页3一、量块及其传递系统1.1.量块的作用量块的作用u生产中被用来检定和校准测量工具或量仪。生产中被用来检定和校准测量工具或量仪。u比较测量中用来调整仪器的零位。比较测量中用来调整仪器的零位。u也可用于加工中机床的调整和工件的检验等。也可用

3、于加工中机床的调整和工件的检验等。2.2.量块的构成量块的构成材料材料：铬锰钢：铬锰钢线膨胀系数小，性质稳定，耐磨，不易变形。线膨胀系数小，性质稳定，耐磨，不易变形。形状形状：长方体长方体。标称长度（公称尺寸）标称长度（公称尺寸）：两个测量面之间的距离。：两个测量面之间的距离。刻字：刻字：标称长度到标称长度到5.5mm的量块，其标称长度值刻印在的量块，其标称长度值刻印在上测量面上；标称长度大于上测量面上；标称长度大于5.5mm的量块，其标称长度的量块，其标称长度值刻印在上测量面的左侧平面上。值刻印在上测量面的左侧平面上。截面尺寸：截面尺寸：标称长度到标称长度到10mm的量块，其截面尺寸为的量块

4、，其截面尺寸为30mmX9mm；标称长度大于标称长度大于10mm到到1000mm的量块，其的量块，其截面尺寸为截面尺寸为35mmX9mm。第3页/共77页43.3.量块的精度量块的精度GB/T 6093-2001规定：量块按制造的技术要求分为规定：量块按制造的技术要求分为5级级:和和K级。级。精度精度最高最高精度精度最低最低校准级校准级 级级主要是根据量块长度极限偏差主要是根据量块长度极限偏差te、量块长度变动量、量块长度变动量tv、量、量块测量面的平面度、量块测量面的粗糙度及量块测量面的研块测量面的平面度、量块测量面的粗糙度及量块测量面的研合性等指标划分。合性等指标划分。u量块长度：量块长度

5、：是指量块上测量面上一点到与此量块下测量面相研是指量块上测量面上一点到与此量块下测量面相研合的辅助体（平晶）表面之间的垂直距离。合的辅助体（平晶）表面之间的垂直距离。u量块长度变动量：量块长度变动量：量块的最大量块长度与最小量块长度之差。量块的最大量块长度与最小量块长度之差。表表2-1摘录了量块长度极限偏差和长度变动量的部分数值。摘录了量块长度极限偏差和长度变动量的部分数值。包含制造误差包含制造误差第4页/共77页53.3.量块的精度量块的精度标准标准规定：量块按检定的技术要求分为规定：量块按检定的技术要求分为5等等：1.2.3.4和和5等。等。精度精度最高最高精度精度最低最低量块分量块分等等

6、的主要指标与分的主要指标与分级级的主要指标其不同点在于用的主要指标其不同点在于用“测测量不确定度量不确定度”代替量块长度的极限偏差。代替量块长度的极限偏差。量块的量值是按长度量值传递系统进行传递的，即低一等的量量块的量值是按长度量值传递系统进行传递的，即低一等的量块的检定，必须用高一等的量块作基准进行测量，因此应规定块的检定，必须用高一等的量块作基准进行测量，因此应规定其测量不确定度。其测量不确定度。表表2-2摘录了摘录了15等量块的测量不确定度和长度变动量的等量块的测量不确定度和长度变动量的部分数值。部分数值。包含检定时的测量误差包含检定时的测量误差第5页/共77页64.4.量块的特性和使用

7、量块的特性和使用 特性：特性：稳定性、耐磨性、准确性、研合性（两个量块测量面相互接触，稳定性、耐磨性、准确性、研合性（两个量块测量面相互接触，贴附在一起的性质）。贴附在一起的性质）。使用：使用：量块是定尺寸量具，成组使用。量块是定尺寸量具，成组使用。GB/T 6093-2001规定：我国成套生产的量块共有规定：我国成套生产的量块共有17种套别，每套的块种套别，每套的块数为数为91、83、46、12、10、8、6、5等。等。以以83块一块一套为例套为例例如：例如：28.7851.005 27.781.28 26.56.5 20应尽量减少量块应尽量减少量块组的量块数目。组的量块数目。38.9353

8、6.745练习：练习：第6页/共77页7二、角度传递系统 角度单位：角度单位：弧度弧度(rad).(rad).度度().).分分().).秒秒(“).).定义：一个圆周角为360。角度基准：分度盘或多面棱体角度基准：分度盘或多面棱体角度量具：角度量块、测角仪、分度头角度量具：角度量块、测角仪、分度头量值传递系统第7页/共77页8第三节 测量仪器与测量方法的分类一、测量仪器的分类测量仪器（计量器具）：测量仪器（计量器具）：是指单独地或连同辅助设备一起用是指单独地或连同辅助设备一起用以进行测量的器具。以进行测量的器具。1.实物量具：指使用时以固定形态复现或提供给定量的一个或多个已知值的器具，如量块

9、、线纹尺、直角尺等。2.极限量规：一种没有刻度的专用检验工具。3.显示式测量仪器（指示式测量仪器）：指显示示值的测量仪器。如模拟电压表、数字频率计和千分尺等。4.测量系统：指组装起来以进行特定测量的全套测量仪器和其他设备。固定安装着的测量系统称为测量装备。一般可分为：一般可分为：第8页/共77页9一、测量仪器的分类几何量测量仪器按结构的特点可分为：几何量测量仪器按结构的特点可分为：u游标式测量仪器：游标卡尺、游标深度尺以及游标量角器等。u微动螺旋副式测量仪器：外径千分尺、内径千分尺等。u机械式测量仪器：百分表、千分表、杠杆比较仪以及扭簧比较仪等。u光学机械式测量仪器：光学计、测长仪、投影仪以及

10、干涉仪等。u气动式测量仪器：压力式气动量仪、流量计式气动量仪等。u电学式测量仪器：电感比较仪、电动轮廓仪等。u光电式测量仪器：激光干涉仪、激光准直仪、光栅测长机、光纤传感器等。第9页/共77页10第10页/共77页11第11页/共77页12二、测量方法的分类1.直接测量：指不需要将被测量与其他实测量进行一定函数关系的辅助计算而直接得到被测量值的测量。直接测量又可分为绝对测量和相对测量。绝对测量：直接测得参数的量值。相对测量：相对于基准量的偏差。2.间接测量：指通过直接测量与被测参数有已知函数关系的其他量而得到该被测参数量值的测量。例如测量圆柱零件的直径时，可先测出圆周长度L，然后通过D=L/计

11、算被测零件的直径，3.综合测量：指同时测量工件上的几个有关参数综合地判断工件是否合格。4.单项测量：指单个地彼此没有联系地测量工件的单项参数。第12页/共77页14测量方法的分类5.接触测量：指仪器的测量头与被测零件表面直接接触，并有机械作用的测力存在。6.不接触测量：指仪器的传感部分与被测零件表面间不接触。7.在线测量：指零件在加工中进行的测量，能及时防止和消灭废品。8.离线测量：指零件加工完后在检验站进行的测量。9.静态测量：指被测表面与测量头相对静止，没有相对运动。10.动态测量：指被测表面与测头之间有相对运动。它能反映被测参数的变化过程。在线测量和动态测量是测量技术的主要发展方向。在线

12、测量能将加工和测量紧密结合起来，从根本上改变测量技术的被动局面；动态测量能较大的提高测量效率和保证测量准确度。第14页/共77页15第四节 测量技术的部分常用术语1.标尺间距（刻度）：仪器刻度标尺或刻度盘上两相邻刻线中心线间的实际距离。为便于读数，一般为12.5mm。2.分度值（标尺间隔）：仪器标尺上每刻度间距所代表的被测量的量值。3.测量范围（工作范围）：测量仪器所能测量的最大与最小的范围。4.灵敏度：测量仪器的响应变化值除以相应激励变化值。反映被测几何量微小变化的能力。如果被测参数的变化为L，引起测量器具示值变化量为X，则灵敏度S=L/X。（放大比或放大倍数）分度值：分度值：1m示值范围：

13、示值范围：100m测量范围：测量范围：0180mm第15页/共77页16常用术语5.稳定性：测量仪器保持其计量特性随时间恒定的能力。6.鉴别力阈：使测量仪器产生未察觉的响应变化的最大激励变化。(它是指当测量仪器在某一示值给以一定的输入，确定某激励值，这种激励再缓慢从同一方向逐步增加，开始为未察觉响应的变化，当测量仪器的输出开始有可觉察的响应变化时，读取该激励值，此输入的激励变化称为鉴别力阈。)7.分辨力：指显示装置能有效辨别的最小的示值差。8.测量结果的重复性：在相同测量条件下，对同一被测量进行连续多次测量所得结果之间的一致性。9.测量仪器的示值：测量仪器所给出的量的值。第16页/共77页17

14、常用术语10.测量仪器的示值误差：测量仪器的示值与对应输入量的真值之差。11.测量仪器的最大允许误差：对给定的测量仪器，规范、规程等所允许的误差极限值。12.修正值：用代数法与未修正测量结果相加，以补偿其系统误差的值。修正值等于负的系统误差。13.测量不确定度：表示合理地赋予被测量之值的分散性，与测量结果相联系的参数。它是由于测量误差的存在而对被测几何量不能肯定的程度，是定量说明测量结果的质量的一个参数。定义中的“相联系”，意指测量不确定度是一个与测量结果“在一起”的参数，在测量结果的完整表示中应包括测量不确定度。（恒为正值）第17页/共77页18第五节 常用长度测量仪器机械式量仪：机械式量仪

15、：杠杆齿轮式比较仪，扭簧比较仪杠杆齿轮式比较仪，扭簧比较仪电动式量仪：电动式量仪：电感比较仪电感比较仪气动式量仪：气动式量仪：流量计式气动量仪流量计式气动量仪光学机械式量仪：光学机械式量仪：几何光学类量仪：光学计和测长几何光学类量仪：光学计和测长仪，光波干涉类量仪：接触干涉仪和激光干涉仪仪，光波干涉类量仪：接触干涉仪和激光干涉仪第18页/共77页19一、机械式量仪这类量仪是将测杆的上下微小直线移动，通过机械的传动与放大，转变为仪器指针的角位移，从而由指针在刻度盘上指示出相应的示值。1.杠杆齿轮比较仪杠杆齿轮比较仪测量时，测杆1向上或向下移动，使杠杆短臂R4发生摆动。杠杆长臂R3是一个扇形齿轮。

16、当扇形齿轮摆动时，带动小齿轮转动，从而使与小齿轮固接的指针R1偏转并由刻度盘2进行读数。实现放大、传动被测量的目的。第19页/共77页202.扭簧比较仪扭簧比较仪结构：仪器的主要元件是横截面为且由中间向两端左、右扭曲而成的扭簧片3，它的一端连接在机壳的连接柱上，另一端连接在杠杆2的一个支臂上。杠杆2的另一端与测杆1的上部相接触。指针4粘在扭簧片的中部。测量原理：测量时，测杆1向上或向下移动，推动杠杆2摆动，使扭簧3被拉伸或者缩短，从而使扭簧转动引起指针偏转，并在刻度盘5上进行读数。第20页/共77页21二、电动式量仪电动式量仪是将微小直线位移转变成电阻、电容或电感量的变化，经电路放大处理后变为

17、电流或电压输出，由表头或数显器给出读数。电感比较仪电感比较仪 在线圈架的中部绕有初级线圈1，线圈架的两端绕有次级线圈2和3，当1通以一定频率的交流电后，在2和3中将产生感应电势。测量时，若衔铁4处在中间位置，则2和3中所产生的感应电势U2和U3相等，其电位差为零，即U出=0。当测杆随零件尺寸变化而移动时，衔铁4不在中间位置。因此2和3所产生的感应电势U2和U3不相等，电位差不再为零，有信号输出，从而将直线位移转变成电信号。第21页/共77页22三、气动式量仪流量计式气动量仪流量计式气动量仪气动量仪是根据流体力学的原理，用压缩空气作介质，将微小直线位移转变成气体的压力变化或流量变化，用流量计或压

18、力计进行读数的仪器。清洁、干燥和恒压的空气由锥形玻璃管下端引入，经浮标与玻璃管间的间隙，由锥形玻璃管上端经连接软管再由测量喷嘴进入大气。测量时，工件尺寸发生变化，使测量喷嘴与工件间的间隙S发生变化。因而使流过喷嘴的气体流量Q也发生变化，从而引起浮标位置发生变化。当流过浮标与锥形管间的空气流量与从测量喷嘴流出的空气流量相等时，浮标就停止不动。此时可从浮标相对于玻璃管上的刻度尺的位置进行读数。第22页/共77页23四、光学机械式量仪光学机械式量仪可分为几何光学式量仪和光波干涉式量仪(或物理光学式量仪)。1.几何光学式量仪几何光学式量仪是将微小的长度量或物体经光学方法放大以后，进行读数或瞄准的量仪。

19、按几何光学的原理这类仪器又可分为望远镜式（光学计）和显微镜式（测长仪）。光学计有立式光学计和卧式光学计，其光学原理属于望远镜类，即物镜的像方焦点和目镜的物方焦点重合。(1)立式光学计第23页/共77页24(1)光学计原理物镜像方焦点c发出的光，经物镜后变成平行光到达平面反射镜P。若反射镜与主光轴垂直，则经平面反射镜反射的光由原路回到发光点c，即发光点与像点c重合。若平面反射镜P与主光轴不垂直而偏转一个角，则反射光束与入射光束间的夹角为2，反射光束返射后汇聚于像点c”。c与c”之间的距离为：反射镜的偏转由光学计的测杆来推动。测杆的一端与平面反射镜P相接触，测量时，随着工件尺寸变化，测杆推动反射镜

20、P绕支点o摆动。当测杆移动一个距离s，反射镜P偏转一个角，则其关系为：这样测杆的微小移动s就可通过正切杠杆机构和自准直光管构成的光杠杆原理，实现将微小位移进行放大，其放大倍数为：当很小时，且f=200mm，b=5mm，则K=80。由于光学计的目镜放大倍数为12，故光学计总放大倍数为960倍。第24页/共77页25(2)卧式测长仪测长仪有卧式和立式两种，其测量部件原理相同。卧式测长仪原理：工件1安装在尾座4中的测砧6与测座7中的测轴5之间，其尺寸由读数显微镜3读出。5上安装有一只100mm长的毫米刻度尺2，3将2刻线放大，并用平面螺旋线原理进行细分读数。显微镜的光学原理：显微镜的物镜为4，目镜为

21、5，光源6发出的光照亮刻度尺3，3上的两条相邻毫米刻线经4成像以后正好等于固定分划板2上的10个刻线间距，因此2上的每个刻线间距代表0.1mm。图中1是刻有双刻线的平面螺旋线分划板。该分划板可以转动，并在内圆周上均匀地刻有100条刻线，平面螺旋线的螺距与2上的刻线间距相等。因此也代成0.1mm。第25页/共77页26(2)测长仪原理显微镜的光学原理：测量时，用目镜5观察，可见到3组刻线：刻度尺3上分度值为1mm的刻线；固定分划板2上分度值为0.1mm的刻线和平面螺旋线及其上的圆周刻线。先读毫米读数如图中的46，然后按毫米刻线(如46)在固定分划板2上的位置读出零点几毫米的数(如0.3)，最后转

22、动小滚花轮7即平面螺旋线分划板1，使平面螺旋线的双线将毫米刻度尺刻线夹住，再从圆周分度上读出尾数(如62m)。读数方法：46.362mm显微镜读数装置应用较广，除在测长仪上应用外，在比长仪上、凸轮轴检查仪上以及万能工具显微镜上均有应用。第26页/共77页272.光波干涉式量仪这类量仪主要利用光的分振幅法将同一光源的光分成两束，一束为参考光，另一束为测量光，两束光相遇后发生干涉。由于测量光束的光程随被测工件尺寸变化而变化，因此两光束相遇后光程差也发生变化，干涉条纹将产生移动。通过测量干涉条纹的移动距离(或干涉条纹移过的数目)即可测得微小直线位移。接触干涉仪光源1发出的光经聚光镜2、滤色片安装孔3

23、射入分光镜4。光束从分光镜上分成两束：一束透过4、补偿镜5到达和仪器测杆相连的反射镜6，然后从反射镜反射按原光路回到4，形成测量光束；另一束光在4上反射至参考镜7，再由参考镜7反射回4，形成参考光束。此两束光相遇后产生干涉。从目镜10中即可看到干涉条纹。第27页/共77页28接触干涉仪测量开始时，先将滤色片(已知标准波长)装于安装孔3上，然后调整反射镜7与光轴的倾角，从而调整干涉条纹的宽度和方向，并可定出在此状态下刻度尺9的分度值。取下滤色片，再用白光照明，此时在目镜中可看到彩色干涉条纹。其中，零级干涉条纹是一条黑线，则以此黑线作为仪器指针进行读数。由上述光学系统可知，这种仪器是按迈克尔逊干涉

24、仪原理设计的。第28页/共77页291.莫尔条纹光栅在几何量计量中应用愈来愈广。这里主要指计量光栅，这种光栅一般分为长光栅和圆光栅。长光栅相当于一根线纹密度较大的刻度尺，通常每1mm刻25条、50条或100条刻线。圆光栅相当于线纹密度大的分度盘，一般在一个圆周上刻上 5400条、10800条或21600条刻线。将两块栅距相同的长光栅(或圆光栅)叠放在一起，使两光栅保持0.010.1mm的间距，并使两块光栅的线纹相交一个很小角度，即得如图a所示的莫尔条纹。从几何学的观点来看，莫尔条纹就是同类(明的或暗的)线纹交点的连线。由于光栅的衍射现象，实际得到的莫尔条纹如图b所示。第六节 坐标测量机中的光栅

25、与激光测量原理一、光栅装置一、光栅装置第29页/共77页301.莫尔条纹 很小很小由于角是一个很小的数，因而1/是一个较大的数。这样测量莫尔条纹宽度就比测量光栅线纹宽度容易得多，由此可知莫尔条纹起着放大作用。当两光栅尺在X方向产生相对移动时，莫尔条纹在大约与X相垂直的Y方向也产生移动。当光栅移动一个栅距时，莫尔条纹随之移动一个条纹间距。当光栅尺按相反方向移动时，莫尔条纹的移动方向也相反。莫尔条纹还具有平均作用。每条莫尔条纹都是由许多光栅线纹的交点组成，当线纹中有一条线纹有误差时(间距不等、歪斜或弯曲)，这条有误差的线纹和另一光栅线纹的交点位置将产生变化。但是一条莫尔条纹是由许多光栅线纹的交点组

26、成，因此一条线纹交点的位置变化对一条莫尔条纹来说影响就非常小，因而莫尔条纹具有平均效应。第30页/共77页312.计数原理光栅计数装置种类较多，读数头结构、细分方法等也各不相同。图a是一种简单的光栅头示意图，图b是其数显装置。光源1发出的光经透镜2成一束平行光，这束光穿过标尺光栅4和指示光栅3后形成莫尔条纹。在指示光栅后安放一个四分硅光电池5。调整指示光栅相对于标尺光栅的夹角，使条纹宽度B等于四分硅光电池的宽度，当莫尔条纹信号落到光电池上后，则由四分硅光电池引出4路光电信号，且相邻两信号的相位相差90。当标尺光栅相对于指示光栅移动时，可逆计数器就能进行计数。其计数电路方框图如图3-17所示。第

27、31页/共77页32计数电路方框图由硅光电池引出的4路信号分别送入两个差动放大器，然后差动放大器分别输出相位相差90的两路信号，再经整形、倍频和微分后，经门电路到可逆计数器，最后由数字显示器显示出两光栅尺相对移动的距离。工作时，标尺光栅和指示光栅分别安装在仪器的固定部件和运动部件上，可代替光学标尺。第32页/共77页33直角棱镜由4个面组成，其中abd，acd和bdc三个反射面彼此相互垂直，d为锥顶，abc是入射面（也是出射面）。当光束A由abc面射入，经acd，abd和bcd三个面三次反射后，由abc面射出。这种立体直角棱镜能保证入射光A和出射光B平行，因而降低了对导轨直线度的要求。这种仪器

28、和接触干涉仪的原理是相同的。由于激光的干涉长度大，故可测范围也大，为使反射镜的移动不因导轨的误差而影响正常的工作，因此将接触干涉仪的平面反射镜7和6改成立体直角棱镜，并取消了补偿镜5。立体直角棱镜二、激光装置二、激光装置第33页/共77页34激光测长机JDJ1000型激光测长机光路从氨氖激光器5射出的光束经反射镜6、7到达准直光管8。从8射出的光经移相分光镜10分成两束：一束光由移相分光镜反射，经反射镜3、光楔2到固定立体直角棱镜1，再由1经原光路返回到10，形成参考光束；另一束光透过10到达活动立体直角棱镜12(它随测座移动)，再经12返回到10。两束光相遇后在10上透射和反射，从而在分光镜

29、前、后形成两组干涉条纹。通过控制10的镀膜层厚度，可使两干涉条纹相位相差90，并分别由光电三极管9，11接收，将光信号转变成电信号输入计数器电路，最后显示出12的直线位移量。图中的光电三极管4用于接受激光光强变化信息，用于激光器的稳频。上述单频激光干涉法常受一些不利因素的影响(如稳频状况、测量环境变化等)，因此。双频激光干涉仪也得到广泛应用，特别是对较大尺寸的测量，由于它采用差频信号、交流放大，因而可在车间环境下工作。第34页/共77页35第七节 探针扫描显微镜简介 1982年，IBM瑞士苏黎士实验室的葛宾尼（GBinning）和海罗雷尔（HRohrer）研制出世界上第一台扫描隧道显微镜（Sc

30、anning Tunneling Microscope，简称STM）。STM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，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用前景，被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一。为表彰STM的发明者们对科学研究所作出的杰出贡献，1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖金。1.隧道显微镜隧道显微镜STM第35页/共77页第36页/共77页 扫描隧道显微镜的扫描隧道显微镜的基本原理基本原理是将极细探针是将极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖

31、的距离非常接近（大约为针尖的距离非常接近（大约为0.30.31.0nm1.0nm）时，在外加偏置电压的作用下，电子会穿过两时，在外加偏置电压的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极。也就是说电个电极之间的势垒流向另一电极。也就是说电子就可以因量子隧道效应由针尖（或样品）转子就可以因量子隧道效应由针尖（或样品）转移到样品（或针尖），在针尖与样品之间形成移到样品（或针尖），在针尖与样品之间形成隧道电流隧道电流.1.隧道显微镜隧道显微镜STM第37页/共77页38 隧道电流隧道电流j j：1.隧道显微镜隧道显微镜STM第38页/共77页a)恒电流模式：第39页/共77页恒电流模式中，恒电流

32、模式中，STMSTM在扫描时始终保持隧道电流的恒定，这是通过反馈回路控制在扫描时始终保持隧道电流的恒定，这是通过反馈回路控制针尖和样品之间的距离的不断变化来实现的。针尖和样品之间的距离的不断变化来实现的。从反馈回路取得针尖在样品表面扫从反馈回路取得针尖在样品表面扫描过程中它们之间距离的变化信息，就可以得到最终的样品表面的原子图像。描过程中它们之间距离的变化信息，就可以得到最终的样品表面的原子图像。由由于恒电流模式时，于恒电流模式时，STMSTM的针尖随着样品表面形貌的起伏而上下移动，针尖不会因表的针尖随着样品表面形貌的起伏而上下移动，针尖不会因表面形貌起伏太大而碰撞到物体表面，因此可以用来观察

33、形貌起伏较大的样品。正面形貌起伏太大而碰撞到物体表面，因此可以用来观察形貌起伏较大的样品。正因为具备以上的特点，恒电流模式成为最常用的扫描模式。因为具备以上的特点，恒电流模式成为最常用的扫描模式。a)恒电流模式：第40页/共77页b)恒高度模式：第41页/共77页恒高度模式中，针尖的高度始终不变，表面的原子图像是恒高度模式中，针尖的高度始终不变，表面的原子图像是通过取出扫描过程中针通过取出扫描过程中针尖和样品之间隧道电流变化的信息得到的。尖和样品之间隧道电流变化的信息得到的。由于在恒高度模式中针尖的高度恒定由于在恒高度模式中针尖的高度恒定不变，当表面形貌起伏较大时，针尖很容易碰撞到样品，因此恒

34、高度模式只能用不变，当表面形貌起伏较大时，针尖很容易碰撞到样品，因此恒高度模式只能用于观察表面形貌起伏不大的样品。但由于没有反馈控制环节，因此恒高度扫描模于观察表面形貌起伏不大的样品。但由于没有反馈控制环节，因此恒高度扫描模式的测量速度更快。式的测量速度更快。b)恒高度模式：第42页/共77页2.原子力显微镜（AFM）扫描隧道显微镜工作时要检测针尖和样品之间隧道电流的变化，因此它只能直接观察导体和半导体的表面结构。而在研究非导电材料时必须在其表面覆盖一层导电膜。导电膜的存在往往掩盖了样品的表面结构的细节。为了弥补扫描隧道显微镜的这一不足，19861986年BinningBinning、Quat

35、eQuate和GerberGerber发明了第一台原子力显微镜（AFMAFM）。第43页/共77页AFMAFM示意图示意图 第44页/共77页原子力显微镜是将一个对微弱力敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品的表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力（1010-8-81010-6-6 N N），通过扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用光学检测法和隧道电流检测法，可以测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品的表面形貌的信息。2.原子力显微镜（AFM）第45页/共

36、77页46第八节 测量误差和数据处理1.测量误差(绝对误差)：测量结果与被测量的真值之差。一、测量误差的基本概念真值真值L：是难以获得的。在实际工作中常以较高精度的是难以获得的。在实际工作中常以较高精度的测量值作为相对真值。测量值作为相对真值。-测量误差测量误差 L-L-被测量的真值被测量的真值 ll 测量结果测量结果相对误差相对误差f(%)第46页/共77页47u1.随机误差：在同一条件下，多次测量同一量值时，误差的绝对值和符号以不可预定的方式变化着的误差。u是指测量结果与在重复性条件下对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值之差。u2.系统误差：在同一条件下，多次测量同一量值时，误差的

37、绝对值和符号保持恒定或按一定规律变化的误差。u是指在重复性条件下对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差。u粗大误差：超出在规定条件下预计的误差。二.误差的分类第47页/共77页48u精密度：表示测量结果中随机误差的影响程度。u正确度：表示测量结果中系统误差的影响程度。u准确度（精确度）：表示测量结果中随机误差和系统误差综合的影响程度。正确度高正确度高精密度低精密度低正确度低正确度低精密度高精密度高准确度高准确度高测量精度测量结果与被测量真值的接近程度。第48页/共77页491.随机误差的正态分布三、随机误差在同一条件下，多次测量同一量值时，误差的绝对值和符号以不可预定的

38、方式变化着，但误差出现的整体是服从统计规律的。随机误差是指测量结果与在重复性条件下对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值之差。大量实践证明：多数随机误差是服从大量实践证明：多数随机误差是服从正态分布正态分布规律的。规律的。概率分布密度函数为：概率分布密度函数为：指数衰减函数指数衰减函数 标准偏差标准偏差第49页/共77页50u对称性：绝对值相等的正误差和负误差出现的次数大致相等。u单峰性：绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的次数多。u有界性：在一定的条件下，误差的绝对值不会超过一定的限度。u抵偿性：当测量次数n增大到无穷时，正负误差的总和趋于0，算术平均值愈趋近于真值。随机误差的特点第5

39、0页/共77页512.标准偏差大小与误差分布曲线的大小与误差分布曲线的形状形状有密切关系。有密切关系。越小，越小，大，大，大，指大，指数衰减快。数衰减快。曲线变陡曲线变陡分布越集中，测量方法精密度越高。分布越集中，测量方法精密度越高。理论上：理论上：nnniin=+=1222221dddds.其中其中 llL L 为随机误差（没为随机误差（没有系统误差的条件下）有系统误差的条件下）第51页/共77页表表2-452随机误差的分布界限理论上，随机误差的分布是在理论上，随机误差的分布是在 之间之间 实际上，常将实际上，常将 3 作为随机误差的误差界限。作为随机误差的误差界限。3 也是包含因也是包含因

40、子为子为3的扩展不确定度的扩展不确定度U（测量总不确定度）（测量总不确定度）.概率概率第52页/共77页533.算术平均值当测量次数n增大时，算术平均值愈趋近于真值。用算术平均值作为最后测量结果比用其它任一测量值作为测量结果更可靠。为重复性条件下，为重复性条件下，n次测量的结果。次测量的结果。第53页/共77页544.由残余误差求标准偏差理论上：理论上：nnniin=+=1222221ddddsL实际上：实际上：111222221-=-+=nnSniinnnnnLLLlii-=nLlii-=d残余误差残余误差实验标准偏差实验标准偏差算术平均值的实验标准差：算术平均值的实验标准差：（例（例2-2

41、）第54页/共77页551.误差修正法四、系统误差在重复性测量条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得的结果的平均值与被测量的真值之差。消除或减小系统误差对测量结果影响的方法：消除或减小系统误差对测量结果影响的方法：如果知道测量结果（即未修正的结果）中包含的系如果知道测量结果（即未修正的结果）中包含的系统误差大小和符号，则可用统误差大小和符号，则可用测量结果减去已知的系统误测量结果减去已知的系统误差值差值，从而获得不含（或少含）系统误差的测量结果，从而获得不含（或少含）系统误差的测量结果（已修正结果）。（已修正结果）。误差修正法在高准确度测量中，应用比较广泛。此时所使用的测量误差修正法在高准确

42、度测量中，应用比较广泛。此时所使用的测量仪器的示值，均有误差修正表，以便在测量时对误差进行修正。仪器的示值，均有误差修正表，以便在测量时对误差进行修正。第55页/共77页562.误差抵偿法分析测量结果发现，在有的测量结果中包含的系统误分析测量结果发现，在有的测量结果中包含的系统误差值和另一个测量结果中包含的系统误差值的大小相等，差值和另一个测量结果中包含的系统误差值的大小相等，符号则相反。符号则相反。用此两测量结果相加取平均值，可抵消其系统误差。用此两测量结果相加取平均值，可抵消其系统误差。3.误差分离法误差分离法常用在形状误差测量中。通过采用误差误差分离法常用在形状误差测量中。通过采用误差分

43、离法将测量结果中的系统误差分离开，从而获得准确分离法将测量结果中的系统误差分离开，从而获得准确的测量结果。的测量结果。第56页/共77页571.函数的系统误差五、函数误差用于间接测量中。当直接测量值当直接测量值x1,x2,xt有系统误差有系统误差x1,x2,xt 存在时，函数值的系统误差为存在时，函数值的系统误差为y，则，则表示：表示：函数的系统误差等于该函数对各自变量（直接测量值）在给函数的系统误差等于该函数对各自变量（直接测量值）在给定点上的偏导数与其相应直接测量值的系统误差的乘积之和。定点上的偏导数与其相应直接测量值的系统误差的乘积之和。灵敏系数（误差传递系数）灵敏系数（误差传递系数）第

44、57页/共77页582.函数的随机误差当直接测量值当直接测量值x1,x2,xt有随机误差的实验方差有随机误差的实验方差Sx1,Sx2,Sxt 存在时，函数值随机误差的实验方差为存在时，函数值随机误差的实验方差为Sy，则则（3-25）第58页/共77页59例2-1用用弦长弓高法弦长弓高法测量圆形零件的直径。测量圆形零件的直径。1）若测得弦长若测得弦长L=100mm，弓高弓高h20mm，其系统误差分别为其系统误差分别为L5m，h4m，计算计算D的直径的直径，系统误差系统误差和和已修正测量结果已修正测量结果。所以所以 D=145+0.0085=145.0085mm已修正测量结果已修正测量结果=测量结

45、果测量结果+修正值修正值=测量结果测量结果-系统误差系统误差。已修正测量结果称为真值的最佳估计已修正测量结果称为真值的最佳估计第59页/共77页60举例用弦长弓高法测量圆形零件的直径。（续）用弦长弓高法测量圆形零件的直径。（续）2）若若L和和h的实验标准偏差分别为的实验标准偏差分别为：SL0.7m，Sh0.3m，计算计算D的实验标准偏差的实验标准偏差。测量结果表示：测量结果表示：D=145.0085mm，标准不确定度为，标准不确定度为2.35m第60页/共77页61六、重复条件下测量结果的处理例如：在正常情况下，对同一零件某一个尺寸在重复性条件下进行系列测例如：在正常情况下，对同一零件某一个尺

46、寸在重复性条件下进行系列测量，若系统误差已被消除，得测量列量，若系统误差已被消除，得测量列Li列于表中，试进行数据处理。列于表中，试进行数据处理。第61页/共77页62重复条件下测量结果处理（续）1.计算算术平均值计算算术平均值2.计算残余误差计算残余误差3.求单次测量的实验标准偏差求单次测量的实验标准偏差4.求算术平均值的实验标准偏差求算术平均值的实验标准偏差5.测量结果表示测量结果表示测量结果测量结果=L+UL:修正后的测量值修正后的测量值U:测量的总不确定度测量的总不确定度第62页/共77页63第九节 计量器具的选择 机械制造中，计量器具的选择主要决定于计量器具的技术指标和经济指标。综合

47、考虑这些指标时，主要有以下两点要求。(1)按被测工件的部位、外形和及尺寸来选择计量器具，使所选择的计量器具的测量范围能满足工件的需要。(2)按被测工件的公差来选择计量器具。第63页/共77页第64页/共77页2023/4/2365二、光滑工件尺寸的检验二、光滑工件尺寸的检验 GB/T 3177-1997GB/T 3177-1997 此标准适用于车间用的计量器具（游标卡尺、此标准适用于车间用的计量器具（游标卡尺、千分尺和分度值不小于千分尺和分度值不小于0.50.5 m m的指示表和比较仪等的指示表和比较仪等）。主要用以检测公差等级为主要用以检测公差等级为IT6IT6IT18IT18的工件尺的工件

48、尺寸。寸。标准规定了安全裕度和验收极限以及计量器具标准规定了安全裕度和验收极限以及计量器具的具体选用方法。的具体选用方法。一、安全裕度与验收极限1、验收极限的定义 验收极限是指检测工件尺寸时判断合格与否的尺寸界限。第65页/共77页2023/4/2366方法方法1(1(内缩方式内缩方式)：从工件的：从工件的最大实体尺寸和最小实体尺寸最大实体尺寸和最小实体尺寸分别向公差带内移动一个分别向公差带内移动一个安全安全裕度裕度A A来确定。来确定。A A由工件公差值由工件公差值确定，如表确定，如表2-72-7所列。所列。方法方法2(2(不内缩方式不内缩方式)：验收：验收极限等于图样上标定的最大极极限等于

49、图样上标定的最大极限尺寸和最小极限尺寸，即限尺寸和最小极限尺寸，即A A0 0。2、验收极限的确定方法国家标准对用普通计量器具检测工件尺寸规定国家标准对用普通计量器具检测工件尺寸规定了了两种两种验收极限。验收极限。第66页/共77页2023/4/23673.3.验收方式的选择原则验收方式的选择原则对采用包容要求的尺寸及公对采用包容要求的尺寸及公差等级要求较高的尺寸，应差等级要求较高的尺寸，应选用选用内缩方式。内缩方式。当当工艺能力指数工艺能力指数C CP P 1 1时时(C(CP P=T/6,T=T/6,T为工件尺寸公差，为工件尺寸公差，为加工方法的标准偏差为加工方法的标准偏差 )，可用，可用

50、不内缩方式，不内缩方式，但当采但当采用包容要求时，最大实体尺用包容要求时，最大实体尺寸的一侧采用寸的一侧采用内缩方式。内缩方式。第67页/共77页2023/4/2368当工件的实际尺寸服当工件的实际尺寸服从偏态分布时，可只从偏态分布时，可只对尺寸偏向的一侧采对尺寸偏向的一侧采用用内缩方式。内缩方式。对于非配合尺寸和采对于非配合尺寸和采用一般公差的尺寸，用一般公差的尺寸，可用可用不内缩方式。不内缩方式。3.3.验收方式的选择原则验收方式的选择原则第68页/共77页2023/4/2369二、计量器具的选择原则二、计量器具的选择原则应按测量不确定度允许值应按测量不确定度允许值U U来进行选择计量器来