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1、第一节第一节 概述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第1页/共51页米的定义米的定义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”第2页/共51页米的定义米的定义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
2、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第3页/共51页米的复现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中国计量科学研究院研制的碘稳究院研制的碘稳频频633nm激光器激光器第4
3、页/共51页长度量值传递系统长度量值传递系统 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第5页/共51页长度量值传递系统长度量值传递系统高一级精度高一级精度低一级精度低一级精度第6页/共51页长度测量的标准量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第7页/共51页线纹尺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：
4、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。第8页/共51页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。量块量块第9页/共51页量块量块根根据据量量块块测测量量面面上上任任意意点点的的长长度度相相对对于于
5、标标称称长长度度的的极极限限偏偏差差和和长长度度变变动动量量最最大大允允许值许值的不同，量块分为的不同，量块分为K K级、级、0 0级、级、1 1级、级、2 2级、级、3 3级级，共，共5 5个不同的个不同的级别级别。按按“级级”使使用用，应应以以量量块块标标称称长长度度作作为为工工作作尺尺寸寸。显显然然，该该尺尺寸寸包包含含了了量量块块的的实实际际制造误差制造误差。第10页/共51页量块量块如如40mm40mm的量块，的量块，1 1级：按级使用将带入制造误差，结果级：按级使用将带入制造误差，结果：40400.0004mm0.0004mm。第11页/共51页量块量块按按照照量量块块长长度度测测
6、量量不不确确定定度度和和长长度度变变动动量量最最大大允允许许值值的的大大小小分分为为1 1等等、2 2等等、3 3等等、4 4等、等、5 5等等，共，共5 5个不同的等别。个不同的等别。按按“等等”使用，应以经检定后所给出的量块中心长度的使用，应以经检定后所给出的量块中心长度的实测值实测值作为工作尺寸。作为工作尺寸。第12页/共51页量块量块如如40mm40mm的量块，的量块，3 3等：按等使用将带入检定误差。若检定值为等：按等使用将带入检定误差。若检定值为40.000140.0001，则按实际，则按实际尺寸用，结果尺寸用，结果：40.000140.00010.00015mm0.00015mm
7、第13页/共51页光栅光栅 示值精度较高，但对测量环境要求较苛示值精度较高，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。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第14页/共51页长度测量的标准量栅距栅距光栅光栅透射式光栅反射式光栅第15页/共51页长度测量的标准量栅距栅距容栅容栅体积小、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 xAB定尺定尺动尺动尺aW第16页/共51页长度测量的标准量栅距栅距磁栅磁栅易受外界磁场的影响，应注意屏蔽 第17页/共51页长度测量的标准量栅距栅距感应同步器感应同步器抗干扰能力很强，对使用环境的要
8、求较低。第18页/共51页长度测量的基本原则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第19页/共51页长度测量的基本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）第20页/共51页阿贝原则阿贝原则第21页/共51页 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第22页/共51页长度测量的基本原则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
9、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第23页/共51页长度测量的基本原则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，即测量链最短第24页/共51页标准测量环境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，
10、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25页/共51页第二节第二节 长度尺寸的测量长度尺寸的测量一、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
11、3.激光衍射测量法三、原位测量第26页/共51页 绝对测量绝对测量卡尺(Callipers)千分尺(Micrometer Callipers)第27页/共51页 绝对测量绝对测量第28页/共51页 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 第29页/共51页 激光干涉仪激光干涉仪 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第30页/共51页 激光干涉比长仪激光干涉比长仪 5.反射镜反射镜6.固定角锥棱镜固定角锥棱镜7.可动角锥棱镜可动角锥棱镜
12、8.移相板移相板9.分像棱镜组分像棱镜组10.光电显微镜光电显微镜11.工作台工作台12.光电探测器光电探测器13.放大整形电路放大整形电路14.计算机计算机15.光电探测器光电探测器16.差动放大电路差动放大电路17.触发器触发器1.激光器激光器2.平行光管平行光管3.反射镜反射镜4.分光器分光器采用激光干涉原理实现线纹尺和光波波长比较第31页/共51页 激光干涉仪激光干涉仪 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
13、 采用交流放大，隔绝外界环境干扰造成的直流电平漂移第32页/共51页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 第33页/共51页 双频激光干涉仪双频激光干涉仪 第34页/共51页 绝对测量绝对测量各种工具显微镜(Microscope)第35页/共51页第二节第二节 长度尺寸的测量长度尺寸的测量一、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.
14、坐标测量法 2.弓高弦长法 3.激光衍射测量法三、原位测量第36页/共51页 相对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第37页/共51页 相对测量相对测量立式接触式干涉仪测量原理第38页/共51页 相对测量法相对测量法立式接触式干涉仪标定原理第39页/共51页 相对测量法相对测量法电容传感相对测量原理第40页/共51页第二节第二节 长度尺寸的测量长度尺寸的测量一、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、原位测量第41页/共51页坐标
15、测量法坐标测量法接触式 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第42页/共51页弓高弦长法弓高弦长法弓高弦长原理：第43页/共51页弓高弦长法弓高弦长法仪器调零弓高仪第44页/共51页弓高弦长法弓高弦长法作业：推导弓高仪测量公式 所垫量块尺寸公式 第45页/共51页激光衍射测量法激光衍射测量法第46页/共51页激光衍射测量法激光衍射测量法 第47页/共51页第二节第二节 长度尺寸的测量长度尺寸的测量一、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、原位测量第48页/共51页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第49页/共51页原位测量超精密机床自由曲面加工原位测量1.机床主轴机床主轴2.被测工件被测工件3.刀架刀架4.气浮式红宝气浮式红宝石测头石测头5.测头底座测头底座6.测量镜测量镜7.激光干涉仪激光干涉仪第50页/共51页感谢您的观看！第51页/共51页