《长度量测量》PPT课件.ppt

第七章 长度量测量,孙长库天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,第七章 长度量测量,第一节 概述第二节 长度尺寸测量第三节 坐标测量第四节 形位误差测量第五节 表面粗糙度测量第六节 微纳尺度测量,第一节 概述,长度单位和定义长度量值传递系统长度测量的标准量长度测量的基本原则长度测量的标准测量环境,米的定义,1791年，法国国民议会决定采用经过巴黎的地球子午线自北极到赤道这一段弧长的一千万分之一 为长度单位，选取古希腊文中metron一词作为这个单位的名称，后来演变为meter，中文译成“米突”或“米”。1889年，冰点温度下米原器两端刻线间的距离“国际米原器”,米的定义,1927年第7届国际计量大会决定用自然镉（Cd）的红色谱线作为光谱学的长度标准，确定1米1553164.131960年，在第11届国际计量大会上，决定用氪(86Kr)橙线代替镉红线，并决定把米的定义改为：86Kr 原子的2p10 和 5d5能级之间跃迁所对应的辐射在真空中的波长(0.6057 m)的1,650,763.73倍1983年10月第17届国际计量大会通过了米的新定义：光在真空中于1/299 792 458 秒的时间间隔内所行进的路程长度,米的复现,国际计量委员会推荐米可以通过时间法、频率法和辐射法来复现1993年国际计量委员会推荐了8种稳频激光器辐射的标准谱线频率（波长）值，作为复现米定义的国际标准。目前，我国常用的是碘吸收633nm氦氖激光器,中国计量科学研究院研制的碘稳频633nm激光器,长度量值传递系统,把测得的尺寸与基准长度联系起来，以保证长度量值的统一和准确，这种联系渠道称为量值传递系统 量值传递的基本方法：高一级精度的仪器设备对低一级精度的仪器设备进行量值传递,激光波长,量块线纹尺,量具测量仪器,被测工件,长度量值传递系统,长度测量的标准量,光波波长 He-Ne:=632.8nm线纹尺刻度、量块的长度光栅、容栅的栅距精密丝杠的螺距,线纹尺,用金属或玻璃制成的、表面上准确地刻有等间距平行线，也称刻线尺。线条间距：1毫米或0.1毫米。规格：100、200、300、500和1000毫米。基准线纹尺的允许检定误差为0.2微米米；工作线纹尺的刻线精度可达1微米毫米。,量块是应用最广泛的实物基准之一。量块经常用于长度尺寸的检定和相对测量。国家标准对量块的材料、形状、表面粗糙度以及中心尺寸长度的制造精度、检定精度均有明确的规定。量块成套制造和出售，每套量块的总块数有91、83、46等十多种，不同套别中量块的尺寸也不相同。量块属于单值量具，每一块量块仅体现一个标准长度，利用量块的研合特性，可由若干不同尺寸的量块组合成所需的尺寸。,量块,量块,根据量块测量面上任意点的长度相对于标称长度的极限偏差和长度变动量最大允许值的不同，量块分为K级、0级、1级、2级、3级，共5个不同的级别。按“级”使用，应以量块标称长度作为工作尺寸。显然，该尺寸包含了量块的实际制造误差。,量块,如40mm的量块，1级：按级使用将带入制造误差，结果：400.0004mm。,量块,按照量块长度测量不确定度和长度变动量最大允许值的大小分为1等、2等、3等、4等、5等，共5个不同的等别。按“等”使用，应以经检定后所给出的量块中心长度的实测值作为工作尺寸。,量块,如40mm的量块，3等：按等使用将带入检定误差。若检定值为40.0001，则按实际尺寸用，结果：40.00010.00015mm,光栅,示值精度较高，但对测量环境要求较苛刻，特别是对温度及油污、灰尘较敏感。,误差平均作用，测量精度高,长度测量的标准量栅距,长度测量的标准量栅距,光栅透射式光栅反射式光栅,长度测量的标准量栅距,容栅体积小、抗干扰能力强、造价低，有中等精度的产品，也有较高精度的品种,长度测量的标准量栅距,磁栅易受外界磁场的影响，应注意屏蔽,长度测量的标准量栅距,感应同步器抗干扰能力很强，对使用环境的要求较低。,长度测量的基本原则,阿贝原则基准统一原则变形最小原则测量链最短原则,长度测量的基本原则,阿贝原则:被测尺寸线段应与标准量的尺寸线段重合或在其延长线上（共线）,阿贝原则,阿贝原则,测头,哪一个轴符合啊贝原则？,减小阿贝误差的方法:提高仪器导轨的精度尽可能减小被测线和标准线之间的距离，并保证它们之间平行 跟踪测量导轨的偏移并进行补偿,长度测量的基本原则,测量基准统一原则:指在测量时所选定的测量基准应该和设计时选定的设计基准、加工时选定的加工基准及装配时选定的安装基准一致，以避免因基准不同而产生的附加误差,长度测量的基本原则,变形最小原则:由于环境温度的变化、测量力和自重的影响，被测件和测量仪器各结构部件会产生热变形和弹性变形，影响测量精度。因此，在测量过程中要求被测工件和测量仪器的变形最小,测量链最短原则:对于一个精密测量仪器或测量系统，从感受被测量到结果显示装置，凡是直接与感受标准量和被测信息的有关组件，如被测件、标准件、传感元件、定位元件等均属测量链。要求组成测量链环节的组件数目应最少，即测量链最短,标准测量环境,测量环境的温度、湿度、气压、振动等因素均会引起测量值的变化。因此，某被测量的测量结果应是相对于标准测量环境而言的，即：,环境温度(Environment Temperature)：20 C相对湿度(Relative Moisture)：50%60%环境气压(Environment Pressure)：0.1MPa测量仪器远离振动源(Vibration Source),若测量环境不处于标准状态，则应考虑环境因素引起的测量误差，或进行修正，或计入测量不确定度,第二节 长度尺寸的测量,一、直接测量 1.绝对测量 激光干涉仪 工具显微镜 2.相对测量 立式接触式干涉仪 电容传感小孔径测量仪二、间接测量 1.坐标测量法 2.弓高弦长法 3.激光衍射测量法三、原位测量,绝对测量,卡尺(Callipers),千分尺(Micrometer Callipers),绝对测量,绝对测量,激光干涉仪 激光波长作为长度基准,激光波长稳定，无需校准激光波长非常短，测量分辨率高激光具有干涉特性,激光干涉仪,迈克尔逊：（1852-1931）,美国物理学家。设计了至今仍应用广泛的迈克尔逊干涉仪。荣获了1907年度的诺贝尔物理学奖,激光干涉比长仪,反射镜固定角锥棱镜可动角锥棱镜移相板分像棱镜组光电显微镜工作台光电探测器放大整形电路计算机光电探测器差动放大电路触发器,激光器平行光管反射镜分光器,采用激光干涉原理实现线纹尺和光波波长比较,激光干涉仪,单频激光干涉仪只能进行直流放大器，而不能使用交流放大器外界干扰使干涉信号强度降低，落于计数触发电平之下,外差干涉仪测量镜静止时，光电探测器的输出信号为载波频率的交流信号测量镜运动时，输出信号的频率只在某一范围内增加或减少 采用交流放大，隔绝外界环境干扰造成的直流电平漂移,激光干涉仪,外差干涉仪载波信号产生方法：使参与干涉的两束光产生一个频率差，这样的两束光干涉会产生“光学拍”现象，转化为电信号得到差频信号。“光学拍”干涉条件：两个振幅相同，振动方向相同，且在同一方向传播，频率接近的两单色光叠加,双频激光干涉仪,绝对测量,各种工具显微镜(Microscope),第二节 长度尺寸的测量,一、直接测量 1.绝对测量 激光干涉仪 工具显微镜 2.相对测量 立式接触式干涉仪 电容传感小孔径测量仪二、间接测量 1.坐标测量法 2.弓高弦长法 3.激光衍射测量法三、原位测量,相对测量,采用相对测量法的仪器测量得到的量值是被测量和定值标准量的差值,相对测量,立式接触式干涉仪测量原理,相对测量法,立式接触式干涉仪标定原理,相对测量法,电容传感相对测量原理,第二节 长度尺寸的测量,一、直接测量 1.绝对测量 激光干涉仪 工具显微镜 2.相对测量 立式接触式干涉仪 电容传感小孔径测量仪二、间接测量 1.坐标测量法 2.弓高弦长法 3.激光衍射测量法三、原位测量,坐标测量法,接触式,非接触式,测量精度高测量速度慢有测力误差需补偿测头半径,测量精度低测量速度快无测力误差无需补偿测头半径,弓高弦长法,弓高弦长原理：,弓高弦长法,仪器调零,弓高仪,弓高弦长法,作业：推导弓高仪测量公式 所垫量块尺寸公式,激光衍射测量法,激光衍射测量法,第二节 长度尺寸的测量,一、直接测量 1.绝对测量 激光干涉仪 工具显微镜 2.相对测量 立式接触式干涉仪 电容传感小孔径测量仪二、间接测量 1.坐标测量法 2.弓高弦长法 3.激光衍射测量法三、原位测量,原位测量,原位测量:对正在加工的尺寸进行监测，或加工后的尺寸在加工工位进行测量，根据测量结果决定刀具进给量,自动补调仪,离位测量:对被加工后离开加工工位的尺寸进行监测，根据测量结果对机床进行调整,密封好、测头耐磨、频响高、修正温度误差,有废品、精度高、成本高,加工中的测量仪,原位测量,超精密机床自由曲面加工原位测量,机床主轴被测工件刀架气浮式红宝石测头测头底座测量镜激光干涉仪,