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1、第3章测量技术基础1第1页，共59页，编辑于2022年，星期一第三章第三章 测量技术基础测量技术基础3-1 测量的基本概念与尺寸传递测量的基本概念与尺寸传递3-2 测量仪器与测量方法的分类测量仪器与测量方法的分类3-3 测量仪器与测量方法的常用术语测量仪器与测量方法的常用术语3-4 常用长度测量仪器原理常用长度测量仪器原理3-5 测量误差和数据处理测量误差和数据处理3-6 测量误差产生的原因及其减少措施测量误差产生的原因及其减少措施2第2页，共59页，编辑于2022年，星期一31 测量的基本概念与尺寸传递测量的基本概念与尺寸传递一、测量一、测量1.1.目的：目的：判断零件几何参数是否合格。判断
2、零件几何参数是否合格。2.2.定义：定义：把被测量与具有把被测量与具有计量单位计量单位的标准量进行比较，从而确定被的标准量进行比较，从而确定被测量的量值的过程。测量的量值的过程。L=qE被测量被测量比值比值标准量标准量被测量被测量的组成的组成表征几何量的数值表征几何量的数值该几何量的计量单位该几何量的计量单位L=40mm3第3页，共59页，编辑于2022年，星期一n为保证测量过程中标准量的统一，国际单位制是我国为保证测量过程中标准量的统一，国际单位制是我国法定计量单位的基础，一切属于国际单位制的单位都法定计量单位的基础，一切属于国际单位制的单位都是我国法定计量单位。是我国法定计量单位。n几何量
3、测量中，长度单位是几何量测量中，长度单位是米米(m)，角度单位是，角度单位是弧度弧度(rad)。3.3.计量单位计量单位4第4页，共59页，编辑于2022年，星期一n被测对象：被测对象：零件几何参数。长度、角度、表面粗糙度、零件几何参数。长度、角度、表面粗糙度、形位误差等。形位误差等。n计量单位：计量单位：用以度量同类量值的标准量。用以度量同类量值的标准量。mm.m.nmn测量方法：测量方法：测量原理、测量器具、测量条件。测量原理、测量器具、测量条件。n测量精度：测量精度：测量结果与真值一致的程度。测量结果与真值一致的程度。3.3.测量过程的要素测量过程的要素5第5页，共59页，编辑于2022
4、年，星期一二、长度和角度计量单位与尺寸传递二、长度和角度计量单位与尺寸传递1.1.长度单位：长度单位：米米定义：定义：米是光在真空中于米是光在真空中于1299 792 458秒秒(s)时间间隔内的行程长度。时间间隔内的行程长度。量值传递系统：量值传递系统：将米的定义长度一级一级地传递到工作计量器具上，再用其测量工将米的定义长度一级一级地传递到工作计量器具上，再用其测量工件尺寸，从而保证量值的准确一致。件尺寸，从而保证量值的准确一致。2.2.角度单位：角度单位：弧度弧度(rad).(rad).度度().).分分().).秒秒(“).).定义：定义：一个圆周角为一个圆周角为360。角度基准：多面棱
5、体角度基准：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量值传递系统6第6页，共59页，编辑于2022年，星期一三、量块的基本知识三、量块的基本知识1.1.量块的作用量块的作用n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。n相对测量时用来调整量具或量仪的零位。相对测量时用来调整量具或量仪的零位。n有时可以直接用于精密测量、精密划线和精密机床的调整。有时可以直接用于精密测量、精密划线和精密机床的调整。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，
6、不易变形。形状形状：长方体长方体、圆柱体。、圆柱体。标称长度（名义尺寸）标称长度（名义尺寸）：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上测量的量块，其标称长度值刻印在上测量面上；标称长度大于面上；标称长度大于5.5mm的量块，其标称长度值刻印在上的量块，其标称长度值刻印在上测量面的左侧平面上。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，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，其截面尺寸的量块，其截面尺寸为为35mmX9mm。
7、8第8页，共59页，编辑于2022年，星期一3.3.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:0.1.2.3和和K级。级。精度最精度最高高精度最精度最低低校准级校准级 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、量块测量、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合性等指标划面的平面度、量块测量面的粗糙度及量块测量面的研合性等指标划分。分。n量块长度的极限偏差：量块长度的极限偏差：量块中心长度与标称长度之间允许的最大误量块中心长度与标称长度之间允许的最大误
8、差；差；n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3-1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。9第9页，共59页，编辑于2022年，星期一3.3.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。精度最精度最高高精度精度最低最低量块分量块分等等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“测量不确测量不确定度定度”代替量块长度的极限偏差。代替量块长度的极限偏差。
9、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，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，因此应规定其测量不确定度。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。表表3-2摘录了摘录了15等量块的测量不确定度和长度变动量的部分数值。等量块的测量不确定度和长度变动量的部分数值。10第10页，共59页，编辑于2022年，星期一4.4.量块的特性和使用量块的特性和使用 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，贴附在一起的性稳定性、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
10、的性质）。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，每套的块数为种套别，每套的块数为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：28.2851.005 27.281.28 266 20应尽量减少量块组应尽量减少量块组的量块数目。的量块数目。11第11页，共59页，编辑于2022年，星期一32 测量仪器与测量方法的分类测量仪器与测量方法的分类一、测量仪器的分类一、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
11、独地或连同辅助设备一起用以进行测是指单独地或连同辅助设备一起用以进行测量的器具。量的器具。1.实物量具：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、线纹尺等。个已知值的器具，如量块、线纹尺等。2.显示式测量仪器（指示式测量仪器）：显示式测量仪器（指示式测量仪器）：指显示示值的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。如模拟电压表、数字频率计和千分尺等。3.测量系统：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
12、装备。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：12第12页，共59页，编辑于2022年，星期一一、测量仪器的分类一、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：n游标类仪器：游标类仪器：游标卡尺、游标深度尺以及游标量角器等。游标卡尺、游标深度尺以及游标量角器等。n微动螺旋副类仪器：微动螺旋副类仪器：外径千分尺、内径千分尺等。外径千分尺、内径千分尺等。n机械类仪器：机械类仪器：百分表、千分表、杠杆比较仪以及扭簧比较仪等。百分表、千分表、杠杆比较仪以及扭簧比较仪等。n光学机械类仪器：光学机械类仪器：光学计、测长仪、投影仪以及干涉仪等。
13、光学计、测长仪、投影仪以及干涉仪等。n气动类仪器：气动类仪器：压力式气动量仪、流量计式气动量仪等。压力式气动量仪、流量计式气动量仪等。n电学类仪器：电学类仪器：电感比较仪、电动轮廓仪等。电感比较仪、电动轮廓仪等。n激光类仪器：激光类仪器：激光准直仪、激光干涉仪等。激光准直仪、激光干涉仪等。n光学电子类仪器：光学电子类仪器：光栅测长机、光纤传感器等。光栅测长机、光纤传感器等。13第13页，共59页，编辑于2022年，星期一14第14页，共59页，编辑于2022年，星期一15第15页，共59页，编辑于2022年，星期一二、测量方法的分类二、测量方法的分类1.直接测量：直接测量：指不需要将被测量与其
14、他实测量进行一定函数关系的辅助计算而直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。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：绝对测量：直接测得参数的量值。直接测得参数的量值。相对测量：相对测量：相对于基准量的偏差。相对于基准量的偏差。2.间接测量：间接测量：指通过直接测量与被测参数指通过直接测量与被测参数有已知函数关系有已知函数关系的其他量而得到该被测参的其他量而得到该被测参数量值的测量。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
15、然后通过D=L/计算被测零件的直径，计算被测零件的直径，3.综合测量：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。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：单项测量：指单个地彼此没有联系地测量工件的单项参数。指单个地彼此没有联系地测量工件的单项参数。16第16页，共59页，编辑于2022年，星期一测量方法的分类测量方法的分类5.接触测量：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。力存在。6.非接触测量：非接触测量：指仪器的传感部分与被测零件表面间不接触。指仪器的传感
16、部分与被测零件表面间不接触。7.在线测量：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。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：离线测量：指零件加工完后在检验站进行的测量。指零件加工完后在检验站进行的测量。9.静态测量：静态测量：指被测表面与测量头相对静止，没有相对运动。指被测表面与测量头相对静止，没有相对运动。10.动态测量：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。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。在线测量在线测量和和动态测量动态测量是测量技术的主要发展方向。在线测量能将加工和测量是测量技术的主要发展方
17、向。在线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零件的质量。高测量效率和保证零件的质量。18第18页，共59页，编辑于2022年，星期一33 测量仪器与测量方法的常用术语测量仪器与测量方法的常用术语1.标尺（刻度）间距：标尺（刻度）间距：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，一般为读数，一般为12.5mm。2.标尺间隔（分度值）：标尺间隔（分度值）：仪器标尺上每刻度间距所代表的被测量的量值。
18、仪器标尺上每刻度间距所代表的被测量的量值。3.标称（示值）范围：标称（示值）范围：测量仪器标尺或刻度盘内全部刻度所代表的最大与最小值测量仪器标尺或刻度盘内全部刻度所代表的最大与最小值的范围。的范围。4.测量范围（工作范围）：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。测量仪器所能测量的最大与最小的范围。分度值：分度值：1m示值范围：示值范围：100m测量范围：测量范围：0180mm19第19页，共59页，编辑于2022年，星期一常用术语常用术语5.测量仪器的示值：测量仪器的示值：测量仪器所给出的量的值。测量仪器所给出的量的值。6.测量仪器的示值误差：测量仪器的示值误差：测量仪器的
19、示值与对应输入量的真值之差。测量仪器的示值与对应输入量的真值之差。7.修正值：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。值等于负的系统误差。8.测量仪器的最大允许误差：测量仪器的最大允许误差：给定的测量仪器，规范、规程等所允许的误给定的测量仪器，规范、规程等所允许的误差极限值。差极限值。9.测量力：测量力：测量过程中测量仪器测头与被测工件之间的接触力。测量过程中测量仪器测头与被测工件之间的接触力。10.稳定性：稳定性：测量仪器保持其计量特性随时间恒定的能力。测量仪器保持其计量特性随时间恒定的能力。
20、11.测量仪器的重复性：测量仪器的重复性：在相同测量条件下，重复测量同一个被测量，测在相同测量条件下，重复测量同一个被测量，测量仪器提供相近示值的能力。量仪器提供相近示值的能力。20第20页，共59页，编辑于2022年，星期一常用术语常用术语12.灵敏度：灵敏度：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。13.鉴别力阈：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。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，
21、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。)21第21页，共59页，编辑于2022年，星期一14.显示装置的分辨力：显示装置的分辨力：显示装置能有效辨别的最小的示值差。显示装置能有效辨别的最小的示值差。15.测量不确定度：测量不确定度：表示合理地赋于被测量之值的分散性，与测量结果相联系表示合理地赋于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。明测量结果的质量的一个参数。定义中的“相联系”，意指测量
22、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。常用术语常用术语22第22页，共59页，编辑于2022年，星期一34 常用长度测量仪器原理常用长度测量仪器原理机械类量仪：机械类量仪：杠杆齿轮式比较仪，扭簧比较仪杠杆齿轮式比较仪，扭簧比较仪电学类量仪：电学类量仪：电感比较仪电感比较仪气动类量仪：气动类量仪：流量计式气动量仪流量计式气动量仪光学机械类量仪：光学机械类量仪：几何光学类量仪：光学计和测长仪，光波几何光学类量仪：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干涉类量仪：接触干涉仪和激光干涉仪光栅类量仪：光栅类量仪：计量光栅计量光栅23第23页，
23、共59页，编辑于2022年，星期一一、机械类量仪一、机械类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。上指示出相应的示值。1.杠杆齿轮式比较仪原理杠杆齿轮式比较仪原理测量时，测杆测量时，测杆1向上或向下移动，使向上或向下移动，使杠杆短臂杠杆短臂R4发生摆动。杠杆长臂发生摆动。杠杆长臂R3是一是一个扇形齿轮。当扇形齿轮摆动时，带个扇形齿轮。当扇形齿轮摆动时，带动小齿轮转动，从而使与小齿轮固接动小齿轮转动，从而使与小齿轮
24、固接的指针的指针R1偏转并由刻度盘偏转并由刻度盘2进行读数。进行读数。实现放大、传动被测量的目的。实现放大、传动被测量的目的。24第24页，共59页，编辑于2022年，星期一2.扭簧比较仪原理扭簧比较仪原理结构：结构：仪器的主要元件是横截面为仪器的主要元件是横截面为0.01x0.25mm且由中间向两端左、右扭曲而成且由中间向两端左、右扭曲而成的扭簧片的扭簧片3，它的一端连接在机壳的连接柱上，它的一端连接在机壳的连接柱上，另一端连接在杠杆另一端连接在杠杆2的一个支臂上。杠杆的一个支臂上。杠杆2的另的另一端与测杆一端与测杆1的上部相接触。指针的上部相接触。指针4粘在扭簧片的粘在扭簧片的中部。中部。
25、测量原理：测量原理：测量时，测杆测量时，测杆1向上或向下移动，向上或向下移动，推动杠杆推动杠杆2摆动，使扭簧摆动，使扭簧3被拉伸或者缩短，从而被拉伸或者缩短，从而使扭簧转动引起指针偏转，并在刻度盘使扭簧转动引起指针偏转，并在刻度盘5上进行读上进行读数。数。25第25页，共59页，编辑于2022年，星期一二、电学类量仪二、电学类量仪电学类量仪是将微小直线位移转变成电阻、电容或电感量的电学类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电流或电压输出，由表头或数显器变化，经电路放大处理后变为电流或电压输出，由表头或数显器给出读数。给出读数。电感比较仪原理电感比较仪原理 在
26、线圈架的中部绕有初级线圈在线圈架的中部绕有初级线圈1，线圈架的，线圈架的两端绕有次级线圈两端绕有次级线圈2和和3，当，当1通以一定频率的交流电通以一定频率的交流电后，在后，在2和和3中将产生感应电势。测量时，若衔铁中将产生感应电势。测量时，若衔铁4处在中间位置，则处在中间位置，则2和和3中所产生的感应电势中所产生的感应电势U2和和U3相等，其电位差为零，即相等，其电位差为零，即U出出=0。当测杆随零件。当测杆随零件尺寸变化而移动时，衔铁尺寸变化而移动时，衔铁4不在中间位置。因此不在中间位置。因此2和和3所产生的感应电势所产生的感应电势U2和和U3不相等，电位差不再为不相等，电位差不再为零，有信
27、号输出，从而将直线位移转变成电信零，有信号输出，从而将直线位移转变成电信号。号。26第26页，共59页，编辑于2022年，星期一三、气动类量仪三、气动类量仪流量计式气动量仪原理流量计式气动量仪原理气动量仪是根据流体力学的原理，用压缩空气作介质，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，用流量计或压力计进行读数的仪器。计或压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，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经浮标与玻璃管间
28、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，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使测量喷嘴与工件间的间隙S发生变化。因而使流过喷嘴发生变化。因而使流过喷嘴的气体流量的气体流量Q也发生变化，从而引起浮标位置发生变化。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。相对于玻璃管上的刻度尺的位置进行读数。27第27页
29、，共59页，编辑于2022年，星期一四、光学机械类量仪四、光学机械类量仪光学机械类量仪可分为光学机械类量仪可分为几何光学类量仪几何光学类量仪和和光波干涉类量仪光波干涉类量仪(或或物理光学类量仪物理光学类量仪)。1.几何光学类量仪几何光学类量仪几何光学类量仪是将微小的长度量或物体经光学方法放大以后，进行读几何光学类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。按几何光学的原理这类仪器又可分为数或瞄准的量仪。按几何光学的原理这类仪器又可分为显微镜类（测长仪）显微镜类（测长仪）和和望远镜类（光学计）望远镜类（光学计）。光学计有立式光学计和卧式光学计，其光学原理属于望光学计有立式
30、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。远镜类，即物镜的像方焦点和目镜的物方焦点重合。(1)光学计原理光学计原理28第28页，共59页，编辑于2022年，星期一(1)光学计原理光学计原理物镜像方焦点物镜像方焦点c发出的光，经物镜后变成平行光到达平面反发出的光，经物镜后变成平行光到达平面反射镜射镜P。若反射镜与主光轴垂直，则经平面反射镜反射的光。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由原路回到发光点c，即发光点与像点，即发光点与像点c重合。若平面反重合。若平面反射镜射镜P与主光轴不垂直而偏转一个与主光轴不垂直而偏转一个角，则反射光束
31、与入射光束角，则反射光束与入射光束间的夹角为间的夹角为2，反射光束返射后汇聚于像点，反射光束返射后汇聚于像点c”。c与与c”之之间的距离为：间的距离为：反射镜的偏转由光学计的测杆来推。测杆的一端与平面反射镜反射镜的偏转由光学计的测杆来推。测杆的一端与平面反射镜P相接触，测量相接触，测量时，随着工件尺寸变化，测杆推动反射镜时，随着工件尺寸变化，测杆推动反射镜P绕支点绕支点o摆动。当测杆移动一个距离摆动。当测杆移动一个距离s，反射，反射镜镜P偏转一个偏转一个角，则其关系为：角，则其关系为：这样测杆的微小移动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，实就可通过正切杠杆机构
32、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：现将微小位移进行放大，其放大倍数为：当当很小时，且很小时，且f=200mm，b=5mm，则，则K=80。由于光学计的目镜放大倍数为由于光学计的目镜放大倍数为12，故光学计总放大倍数为，故光学计总放大倍数为960倍。倍。29第29页，共59页，编辑于2022年，星期一(2)测长仪原理测长仪原理测长仪有卧式和立式两种，其测量部件原理相同。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：卧式测长仪原理：工件工件1安装在尾座安装在尾座4中的测砧中的测砧6与测座与测座7中的测轴中的测轴5之间，其尺寸由之间，其尺寸由读数显微镜
33、读数显微镜3读出。读出。5上安装有一只上安装有一只100mm长的毫米刻度尺长的毫米刻度尺2，3将将2刻线放大，并用平面螺旋线刻线放大，并用平面螺旋线原理进行细分读数。原理进行细分读数。显微镜的光学原理：显微镜的光学原理：显微镜的物镜为显微镜的物镜为4，目镜为，目镜为5，光源，光源6发出发出的光照亮刻度尺的光照亮刻度尺3，3上的两条相邻毫米刻线经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成像以后正好等于固定分划板2上的上的10个刻线间个刻线间距，因此距，因此2上的每个刻线间距代表上的每个刻线间距代表0.1mm。图。图中中1是刻有双刻线的平面是刻有双刻线的平面螺旋线分划板。该分划板可以转动
34、，并在内圆周上均匀地螺旋线分划板。该分划板可以转动，并在内圆周上均匀地刻有刻有100条刻线，平面螺旋线的螺距与条刻线，平面螺旋线的螺距与2上的刻线间距相等。上的刻线间距相等。因此也代成因此也代成0.1mm。30第30页，共59页，编辑于2022年，星期一(2)测长仪原理测长仪原理显微镜的光学原理：显微镜的光学原理：测量时，用目镜测量时，用目镜5观察，可见到观察，可见到3组刻线：刻度尺组刻线：刻度尺3上分上分度值为度值为1mm的刻线；固定分划板的刻线；固定分划板2上分度值为上分度值为0.1mm的刻线和的刻线和平面螺旋线及其上的圆周刻线。平面螺旋线及其上的圆周刻线。先读毫米读数先读毫米读数如图中的
35、如图中的46，然后按毫米刻线，然后按毫米刻线(如如46)在固在固定分划板定分划板2上的位置读出零点几毫米的数上的位置读出零点几毫米的数(如如0.3)，最后转动，最后转动小滚花轮小滚花轮7即平面螺旋线分划板即平面螺旋线分划板1，使平面螺旋线的双线将，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毫米刻度尺刻线夹住，再从圆周分度上读出尾数(如如62m)。读数方法：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。仪上以及万能工具显微镜上均有应
36、用。31第31页，共59页，编辑于2022年，星期一2.光波干涉类量仪光波干涉类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，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。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通过测量干涉条纹的移动距离(或干涉条纹移过的数目或干涉条纹移过的数目)即可测得微小直线
37、位移。即可测得微小直线位移。(1)接触干涉仪原理接触干涉仪原理光源光源1发出的光经聚光镜发出的光经聚光镜2、滤色片安装孔、滤色片安装孔3射入分光射入分光镜镜4。光束从分光镜上分成两束：一束透过。光束从分光镜上分成两束：一束透过4、补偿镜、补偿镜5到达和仪器测杆相连的反射镜到达和仪器测杆相连的反射镜6，然后从反射镜反射按，然后从反射镜反射按原光路回到原光路回到4，形成，形成测量光束测量光束；另一束光在；另一束光在4上反射至上反射至参考镜参考镜7，再由参考镜，再由参考镜7反射回反射回4，形成，形成参考光束参考光束。此两。此两束光相遇后产生干涉。从目镜束光相遇后产生干涉。从目镜10中即可看到干涉条纹
38、。中即可看到干涉条纹。32第32页，共59页，编辑于2022年，星期一(1)接触干涉仪原理接触干涉仪原理测量开始时，先将滤色片测量开始时，先将滤色片(已知标准波长已知标准波长)装于安装孔装于安装孔3上，然后调整反射镜上，然后调整反射镜7与光轴的倾角，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态下刻度尺9的分度值。取下滤色片，再用白的分度值。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。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，则以此黑其中，零级干涉条纹是一条黑线，则以此黑线作为仪器指针
39、进行读数。由上述光学系统线作为仪器指针进行读数。由上述光学系统可知，这种仪器是按可知，这种仪器是按迈克尔逊干涉仪原迈克尔逊干涉仪原理理设计的。设计的。33第33页，共59页，编辑于2022年，星期一(2)激光干涉仪原理激光干涉仪原理直角棱镜由直角棱镜由4个面组成，其中个面组成，其中abd，acd和和bdc三个反射面三个反射面彼此相互垂直，彼此相互垂直，d为锥顶，为锥顶，abc是入射面（也是出射面）。是入射面（也是出射面）。当光束当光束A由由abc面射入，经面射入，经acd，abd和和bcd三个面三次反射三个面三次反射后，由后，由abc面射出。这种立体直角棱镜能保证入射光面射出。这种立体直角棱镜
40、能保证入射光A和出射光和出射光B平行，因而降低了对导轨直线度的要求。平行，因而降低了对导轨直线度的要求。这种仪器和接触干涉仪的原理是相同的。由这种仪器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，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因此将接触干涉仪的平面反射镜7和和6改成立体直角改成立体直角棱镜，并取消了补偿镜棱镜，并取消了补偿镜5。立体直角棱镜立体直角棱镜34第34页，共59页，编辑于2022年，星期一(2)激光干涉仪原理激光干涉仪原理JDJ1000
41、型激光测长机光路型激光测长机光路从从氨氖激光器氨氖激光器5射出的光束经射出的光束经反射镜反射镜6、7到达到达准直准直光管光管8。从。从8射出的光经射出的光经移相分光镜移相分光镜10分成两束：一束分成两束：一束光由移相分光镜反射，经光由移相分光镜反射，经反射镜反射镜3、光楔光楔2到到固定立体直固定立体直角棱镜角棱镜1，再由，再由1经原光路返回到经原光路返回到10，形成参考光束；另，形成参考光束；另一束光透过一束光透过10到达到达活动立体直角棱镜活动立体直角棱镜12(它随测座移动它随测座移动)，再经，再经12返回到返回到10。两束光相遇后在。两束光相遇后在10上透射和反射，上透射和反射，从而在分光
42、镜前、后形成两组干涉条纹。通过控制从而在分光镜前、后形成两组干涉条纹。通过控制10的的镀膜层厚度，可使两干涉条纹相位相差镀膜层厚度，可使两干涉条纹相位相差90，并分别，并分别由由光电三极管光电三极管9，11接收，将光信号转变成电信号输入计数接收，将光信号转变成电信号输入计数器电路，最后显示出器电路，最后显示出12的直线位移量。图中的的直线位移量。图中的光电三极管光电三极管4用于接受激光光强变化信息，用于激光器的稳频。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、测量环境变化等如稳频状况、测量环境变化等)
43、，因此。双，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，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。因而可在车间环境下工作。35第35页，共59页，编辑于2022年，星期一五、光栅类量仪原理五、光栅类量仪原理1.莫尔条纹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到
44、到25条、条、50条或条或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上 5400条、条、10800条或条或21600条刻线。条刻线。将两块栅距相同的长光栅将两块栅距相同的长光栅(或圆光栅或圆光栅)叠叠放在一起，使两光栅保持放在一起，使两光栅保持0.010.1mm的间距，的间距，并使两块光栅的线纹相交一个很小角度，即得并使两块光栅的线纹相交一个很小角度，即得如图如图a所示的莫尔条纹。所示的莫尔条纹。从几何学的观点来看，莫尔条纹就是同从几何学的观点来看，莫尔条纹就是同类类(明的或暗的明的或暗的)线纹交点的连线。由于光
45、栅的衍线纹交点的连线。由于光栅的衍射现象，实际得到的莫尔条纹如图射现象，实际得到的莫尔条纹如图b所示。所示。36第36页，共59页，编辑于2022年，星期一1.莫尔条纹莫尔条纹 很小很小由于由于角是一个很小的数，因而角是一个很小的数，因而1/是一个较大的数。这样测是一个较大的数。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者放大作用。纹起者放大作用。当两光栅尺在当两光栅尺在X方向产生相对移动时，莫尔条纹在大约与方向产生相对移动时，莫尔条纹在大约与X相垂直的相垂直的Y方向也产生移动。当光栅移动一个栅距时，莫尔条方向
46、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。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线纹中有一条线纹有误差时(间距不等、歪斜或弯曲间距不等、歪斜或弯曲)，这条有误差的线纹和另一光栅，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成，因此一条线线纹的交点位置将产生变化。但是一条莫尔条纹是
47、由许多光栅线纹的交点组成，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。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。37第37页，共59页，编辑于2022年，星期一2.计数原理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是一种简是一种简单的光栅头示意图，图单的光栅头示意图，图b是其数显装置。是其数显装置。光源光源1发出的光经发出的光经透镜透镜2成一束平行光，这束光穿成一束平行光，这束光穿过过标尺光栅标尺光栅4和和指示光栅指示光栅3后形成莫尔条纹。
48、在指示光栅后安放一个后形成莫尔条纹。在指示光栅后安放一个四分硅光电池四分硅光电池5。调整指示光栅相对于标尺光栅的夹角调整指示光栅相对于标尺光栅的夹角，使条纹宽度，使条纹宽度B等于四分硅光电池的宽度，当莫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，且相邻两信号路光电信号，且相邻两信号的相位相差的相位相差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。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其计数电路方框图如图3-17所示。所示。38第38页，共59页，编辑于
49、2022年，星期一计数电路方框图计数电路方框图由硅光电池引出的由硅光电池引出的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。件和运动部件上，可代替光学标尺。39第39页，共59页，编
50、辑于2022年，星期一35 测量误差和数据处理测量误差和数据处理1.测量误差：测量误差：测量结果与被测量的真值之差。测量结果与被测量的真值之差。一、测量误差的基本概念一、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测量值作为是难以获得的。在实际工作中常以较高精度的测量值作为相对真值。相对真值。-测量误差测量误差 L-被测量的真值被测量的真值 l测量结果测量结果相对误差相对误差f(%)40第40页，共59页，编辑于2022年，星期一n系统误差：系统误差：n随机误差：随机误差：粗大误差：粗大误差：超出在规定条件下预计的误差。超出在规定条件下预计的误差。2.误差分类误差分类