长度尺寸测量

精密测量技术PrecisionMeasuringTechnique,光电工程学院李丽娟,第二章长度尺寸测量,21长度基准和米定义的发展,22线纹尺的检定,23量块的检定,24轴类零件的测量,25孔类零件的测量,26大尺寸测量,27微小尺寸测量,为进行长度测量，首先要有一个标准的长度单位，这个长度单位必须是稳定可靠的，并且有和科学技术水平相适应的最高精度。世界上长度单位的标准有公制和英制两种，目前绝大多数国家采用公制。长度基准国际单位制的基本单位是“米”。,21长度基准和米定义的发展,“米”的发展：1790年，法国国民议会定义“米”为：“以经过巴黎的地球子午线自北极至赤道这一段弧长的一千万分之一作为一米”。并做了一把米尺。1880年，国际计量局又用铂铱合金制作了米原器，作为国际长度计量基准，定义为：在冰点温度下，米原器两端刻线间的距离。缔约国各分发一根米原器作为各国的长度基准器。国际米原器作为长度单位的实物基准,一直沿用了71年,它的相对精度为千万分之一左右,即1m的测量精度为0.1m左右。到了20世纪中叶，这个精度显得不够用了,不仅影响了自然科学的发展,也不能满足机械制造,特别是精密机械制造等行业的要求。,21长度基准和米定义的发展,“米”的发展：由于实物作基准的种种缺点，随着光波测量技术的发展，在1960年10月第11届国际计量大会上通过了以氪的同位素Kr86的波长作为长度计量的基准。即：“米的长度等于原子的2p10和5d5能级之间跃迁时所辐射的光波波长的1650763.73倍”。此谱线波长为1m/1650763.730.605780201m,21长度基准和米定义的发展,随着具有大量优点的激光的产生，1983年11月，17届国际计量大会上，通过“米”的最新定义：“米是光在真空中在1/299792458S的时间间隔内所进行的路程长度。”利用激光得到真空中光速值C299792458m/s，将真空中的光速作为一个固定不变的基本物理常数,使长度测量可通过时间或频率测量导出,从而使长度单位和时间单位结合了起来。激光干涉测长时，其干涉能力极强，所得干涉条纹图像非常清晰，因此，比Kr86原子辐射谱线优越得多。这一数值的准确性比过去提高了100倍。,21长度基准和米定义的发展,第十七届国际计量大会闭幕的当天,国际计量委员会就召开了会议,通过了推行新的米定义的实施方案，并推荐了5条激光辐射作为波长标准。它们都是以真空光速c为出发点,用直接频率测量或间接频率测量方法测出谱线的频率f,再按f=c这个公式导出波长。5条谱线中,由CH4饱和吸收稳频的He-Ne激光辐射谱线的复现精度最高,其波长为3392231397.0fm,相对不确定度为1.310-10。,21长度基准和米定义的发展,一、线纹尺概述线纹尺是人类使用得最早的量具之一，在现代社会中，它仍然是不可缺少的一种常用计量器具。如建房筑路、几何测量等领域广泛应用各种不同类型的线纹尺。线纹尺是一种具有等分刻度的多值量具，是以任意两条刻线间的垂直距离作为长度的高精度基准器和标准器。,22线纹尺的检定,线纹尺的主要用途：作为长度基准传递系统中与量块并行的另一种实物基准和标准，以保证长度单位量值的准确和统一。是将各种不同精度等级的线纹尺装在测量仪器和精密机床上，作为精密测长标准之用。例如：各种坐标测量仪器（工具显微镜）、测长机和坐标机床上都装有线纹尺，这些仪器和机床的测量和加工精度，主要取决于线纹尺的精度。,22线纹尺的检定,定义：线纹尺是一种具有等分刻度的多值量具，是以任意两条刻线间的垂直距离作为长度的高精度基准器和标准器。,22线纹尺的检定,1线纹尺的基本技术要求示值分度精度对线纹尺的基本要求：精度稳定性为实现这两项基本要求，就必须对线纹尺的材料、结构和工艺处理提出具体要求。即分度偏差、稳定性、刻线质量（清晰度）、刻线面直线度和平面度、抗氧化能力、材料均匀性、线膨胀系数等具体要求。,22线纹尺的检定,结构线纹尺在外形设计上需考虑三点：刚性好、自重小和安装调整方便。在上一章我们已讲过，在测量两端面距离时，变形量最小时支承点是叫白塞尔点（），所以，线纹尺的支承点位置在白塞尔点上时，中性面的自重变形最小。,22线纹尺的检定,线纹尺的截面形状有X形，H形和矩形（U形）。,22线纹尺的检定,X形，H形截面的线纹尺刚性最好，抗弯曲能力强，线纹刻在中性面上时变形最小，但X形工艺困难，造价很高，所以基本不用。矩形截面的线纹尺，因为没有中性面，所以为了增强抗弯曲能力，必须加大截面尺寸。,材料线纹尺的基本材料有两种:a金属线纹尺材料为铁镍合金（58镍，42铁）b玻璃线纹尺多用光学玻璃制造，稳定性一年（用作200mm以内的短标尺，横截面常为矩形。）这两种材料的稳定性好，线膨胀系数尽可能与被测对象接近。,22线纹尺的检定,2线纹尺的种类按计量学功能及材料分类基准线纹尺标准金属线纹尺标准线纹尺标准玻璃线纹尺钢卷尺,22线纹尺的检定,（1）基准线纹尺：,22线纹尺的检定,标准玻璃线纹尺。也称短标尺，一般为100mm和200mm两种。主要用在仪器或精密机床中。标准玻璃线纹尺分为1等和2等,采用光学玻璃F6制成,在使用中为了保护刻线的清晰,附有同样大小的保护玻璃。由于1等和2等线纹尺担负着对高精度的测量仪器和精密机床的量值传递,因此对线膨胀系数、稳定性及准确度都有较高的要求。,22线纹尺的检定,（2）标准线纹尺：,标准金属线纹尺。标准金属线纹尺分为1等、2等和3等。1等和2等标准金属线纹尺的横截面为H型。1等和2等标准金属线纹尺推荐使用殷钢或低炭钢（镀镍或镀铬）制造。3等标准金属线纹尺主要用来检定钢直尺、管尺等低精度的线纹计量器具。,22线纹尺的检定,（2）标准线纹尺：,标准钢卷尺用于检定一、二级钢卷尺或作其他高精度测量。,22线纹尺的检定,（3）标准钢卷尺：,二、线纹尺的检定为了使线纹量值准确一致，以提高其使用精度，需要通过各精度等级线纹尺的检定来实现。我国研制成功的各种类型高精度线纹尺计量基准仪器，如激光比长仪、光电光波比长仪等，检定精度达到，达到了世界先进水平。实现了线纹尺的高精度、高效率和动态自动检定。,22线纹尺的检定,二、线纹尺的检定线纹尺的检定方法主要有二种：绝对检定法：是在仪器上直接获得被测线纹尺的实际尺寸。（光电光波比长仪）相对检定法：是在仪器上读得被检线纹尺相对标准线纹尺的偏差值。（光学式比长仪）,22线纹尺的检定,1、相对检定法：选择一支精度等级比被检线纹尺高一等的标准线纹尺，在线纹比长仪上（光学式阿贝比长仪）将两支线纹尺的刻线间距相比较，借助光学显微镜或静态光电显微镜，读出两者刻线间距的差值的方法。,相对检定法,线纹比长仪（串联纵动式）,相对检定法,A标准线纹尺，B被测线纹尺，MA瞄准显微镜，MB读数显微镜。,A和B首尾相接安装在同一条测量轴上，MA和MB分别对准两线纹尺的同名刻线。测量时，微调工作台使显微镜MA瞄准标准尺的零刻线并对零，再用显微镜MB在被测线纹尺的零刻线上读得数值m0，然后移动工作台C，按预先确定的测量间隔（如每10mm为一个间隔），使MA瞄准A的相应刻线，再用MB在B上瞄准，并读得数值m1。移动工作台至下一个应测间隔，按顺序瞄准，读得数值mk(k=1,2n),测得最后一条刻线为止。被测线纹尺各个间隔对标准线纹尺相应间隔的偏差值L1，L2，Lk,即Lk=mk-m0。,串联式与并联式相比较，串联式符合阿贝原则，误差（二次误差）较小，但仪器体积较大，对保持温度的平衡不利；并联式不符合阿贝原则，误差(一次误差)较大，但仪器尺寸相对小些，因此只适用于检定精度较低的线纹尺。目前，各级计量部门和企业部门都采用结构简单的线纹尺比长仪，以相对法测量线纹尺，这是由于绝对法测量的仪器结构复杂，体积庞大，要求的测量条件很高，目前只有少数科研单位和计量中心才拥有这种仪器。,相对检定法,2、绝对检定法：使被测线纹尺长度直接与光波波长进行比较，用光波波长来确定两刻线间距离。它是用干涉测长原理，通过光电转换和电子技术对干涉条纹进行计数来获得被测长度。,绝对检定法,该仪器测线纹尺精度为，适用于高精度的基准线纹尺和一等标准线纹尺的检定。,用稳频的氦氖激光器作为光源，由于它的相干长度很大，干涉仪的测量范围可以大大的扩展；而且由于它的光束发散角小，能量集中，因而它产生的干涉条纹可以用光电接收器接收，变为电讯号，并由计数器一个不漏的记录下来，从而提高了测量速度和测量精度，比如说我国自行设计与制造的以氦氖激光器作为光源的光电光波比长仪，可以在20分钟之内把1米线纹尺上1001条刻线依次自动鉴定完毕，精度达到0.2m。,绝对检定法,绝对检定法,光电光波比长仪,当工作台11向一个方向前进时，在分光镜6上就会出现明暗交变的干涉条纹，交变的次数乘以半波长即为工作台移动的距离，也就是被测线纹尺的移动距离。即：,绝对检定法,N为干涉场明暗变化次数为激光波长,7和9采用三面直角棱镜。它的三个反射面彼此互成直角，第四面是折射面，光束由此面入射与出射，它的特点是，不论往哪一方向有微小歪斜，出射光束总与入射光束平行，并以中点对称。,绝对检定法,在测量中由于外界振动，机械传动不太稳定等因素，可能使工作台产生微量后移，这时干涉场上同样会发生明暗交变的干涉条纹，对于工作台是向前还是后退，仪器应有判别方向的功能，以便计算电路对工作台移动时作加减法运算，为此在分光镜前放置一块移相板。,绝对检定法,移相板使用两块材料和几何形状完全相同的平行玻璃板以一定夹角胶合而成，安置在光轴的一半处。从分光镜射来的圆形光束只有一半经过移相板。,绝对检定法,如果将圆光束分成4个象限，调整移相板的角度，使3，4象限光束具有90o相位差。当光束射至三面直角棱镜，由于棱镜上述特性，所以第1象限入射的光束从第3象限反射，3的光束从1反射，2和4也交换反射。所以具有90o相位差的3，4象限光束反射回来后不通过移相板，仍保留原相位差；后来未通过移相板的具有相同相位的1，2象限光束反射回来时通过移相板，因此也具有90o相位差。这样，1，3象限光束相位相同，2，4象限光束也相同，两部分光相差90o，这两部分光与从参考棱镜9反射回来的一路光在分光镜6汇合，就得到相位差90o的两组干涉条纹。,辨向电路无论测量直线位移还是测量角位移，都必须能够根据传感器的输出信号判别移动的方向，即判断是正向移动还是反向移动，是顺时针旋转还是逆时针旋转。,为了辨别方向，通常采用在相隔1/4莫尔条纹间距B的位置上安放两个光电元件，获得相位差为90的两个信号，然后送到如图所示的辨向电路进行处理。,辨向电路,细分电路光栅数字传感器的测量分辨率等于一个栅距。但是，在精密检测中常常需要测量比栅距更小的位移量，为了提高分辨率，可以采用两种方法实现：1）增加刻线密度来减小栅距，但是这种方法受光栅刻线工艺的限制。2）采用细分技术，使光栅每移动一个栅距时输出均匀分布的n个脉冲，从而得到比栅距更小的分度值，使分辨力提高到W/n。,在进行检定时，一定要注意环境条件对测量值的影响，要进行修正。检定时，空气折射率用瑞利干涉仪直接测出，并输入计算机进行修正，以得到标准状态下的刻线的实际距离。为了减小温度误差，仪器应安置在的室内，并采用恒温罩，罩内温度不大于。,绝对检定法,三、线纹尺的评定指标1刻线误差：刻线的实际位置与理论位置之差。用i表示。,22线纹尺的检定,图中：实际位置在理论位置右侧时：0为“+”；左侧时：1为“”；重合时：2为0,2刻线间距误差：间距的实际长度与公称长度之差，用表示。,3刻线误差与刻线间距误差关系：,22线纹尺的检定,4任意间距：任意两条刻线间的距离为任意间距。任意间距误差：任意间距的实际值与公称值之差。,5任意间距误差和刻线间距误差的关系：,6全尺长的误差,刻线间距误差,一、量块的基本概念1、定义：是一种用两端平行平面之间的距离来表示长度量值的长方形六面体单值量具。,23量块的检定,2、量块的精度等级精度等级使计量器具的主要分类特征之一。级计量器具按其不加修正值的示值使用时分为级。等计量器具按其加修正值的示值使用时分为等。量块按制造精度分级，即根据两块测量面的平面度、研合性及中心长度和平面平行性的制造偏差分为00、01、1、2、3、4共六级，其中00级精度最高。按“级”使用时，用量块中心长度的公称尺寸。量块按测量精度分等，即根据两块测量面的平面度、研合性、量块中心长度测量的极限误差和平面平行性偏差分为1、2、3、4、5、6共六等，其中1等精度最高。按“等”使用时，用量块中心长度的实际尺寸。,23量块的检定,二、量块的检定平面度误差：包容量块测量面且距离为最小的两个平行平面之间的距离，即为量块测量面的平面度误差。用光波干涉法检定量块测量面的平面度。注：两光束相干的条件：（1）波长相同（2）振动方向相同（3）两光束在相遇点位相差恒定。两相干光束在在相遇点上的亮度由其相位差所决定，当相位差为半波长的偶数倍时（2K/2），亮度达到极大值；当相位差为半波长的奇数倍时【（2K1）/2）】，亮度达到极小值；,23量块的检定,利用光波等厚干涉原理，用平晶测量面作为标准平面与量块被测表面轻轻接触，相互形成一个很小的空气楔角。（光学平晶工作面的平面度精度很高，其工作面可作为一理想平面，在给定方向上则体现一条理想直线）。在平晶的上方，装一个单色光源s，从s发出的平行光束在平晶的底面被分解成两支：一支s1反射，另一支s2沿AB方面折射，折射光在量块表面B再反射。这两支光束满足相干光束条件。,量块平面度误差的检定,利用光波等厚干涉原理，用平晶测量面作为标准平面与量块被测表面轻轻接触，相互形成一个很小的空气楔角。（光学平晶工作面的平面度精度很高，其工作面可作为一理想平面，在给定方向上则体现一条理想直线）。,量块平面度误差的检定,空气楔的夹角相当微小（一般仅为1020），当单色光源近于垂直投射时，则s1与s2将相互重合，此时，光束s1与s2在A点干涉后的亮度，取决于两者的相位差，它和A点处空气楔的厚度h有关，因光束s2比光束s1在空气楔中多经过的光程为2h。由于存在半波损失，（光束自光疏射向光密物质时，在分界面上的反射光有半波损失，即反射光和入射光相比，有一个相位突变，即当入射波波峰到达分界面时，反射波在这一点刚好是波谷。这一现象称为半波损失）。两相干光束s1与s2的实际光程差就为2h/2。当2h/22K/2时，即在h（2K1）/4处，出现亮条纹；当2h/2（2K1）/2时，即在hK/2处，出现暗条纹；,量块平面度误差的检定,如图中，K=0处的黑色带（常称零级干涉带），表示为平晶与量块的接触线；K=1处的干涉带，其干涉带下方的空气楔厚度为/2；K2处的干涉带，其干涉带下方的空气楔厚度为2/2，其余类推，故这种干涉称为等厚干涉。,量块平面度误差的检定,当被测表面为理想平面时，干涉条纹是直的；如被测表面呈凸形球面，则干涉条纹就成环状的，由同心环的数目，可计算出被测表面的平面度。,量块平面度误差的检定,平面度偏差可由下式确定：式中：a干涉条纹弯曲度（mm）b相邻两干涉条纹的相隔（mm）所用光源的波长（m）当出现一组与楔行棱边平行的干涉条纹时，说明量块与测量面的平面偏差为0，当干涉条纹弯曲方向与楔角方向同向时说明两块测量面呈凸形。当干涉条纹向楔形棱边弯曲时，说明量块测量面呈凹形。,量块平面度误差的检定,量块研合性检定：,量块研合性的检定,量块平面平行性检定：量块一测量面上任意点到另一测量面的距离与中心长度之差的最大绝对值，称为平面平行性偏差。可用接触式干涉仪测出量块中心o与四个角上a、b、c、d尺寸差来确定其平面平行性偏差。测量时，按o、a、b、c、d顺序检定，然后再按d、c、b、a、o顺序对每一位置检定，取两次读数的平均值。则上述所得结果中的最大值即为被检量块的平面平行性。,量块平面平行性的检定,中心长度：量块一个测量面的中点到与另一个测量面相研合的平晶表面的垂直距离。量块的精度很高，但其测量面并不是理想平面，也非绝对平行，因此，规定以中心长度作为量块尺寸。,量块中心长度的检定,1用相对测量法检定量块中心长度将被测量块与精度等级比它高一等的标准量块，在规定测量精度的仪器上进行比较，求出被测量块长的方法。叫相对测量法。所用仪器主要有：立式和卧式接触干涉仪立式和卧式光学计测长机其中，立式接触干涉仪式广泛用于相对测量法的高精度测量仪器，检定长度在150mm以下，精度等级在4等或2等以上的量块。其测量原理采用迈克尔逊干涉仪原理。,量块中心长度的检定相对测量,接触式干涉仪,量块中心长度的检定,量块中心长度的检定相对测量,接触式干涉仪测量原理图,在干涉系统中，将可动反射镜6与机械式的测杆相连，由于测杆的测头与被检量块相接触，因而当量块长度尺寸变化时，可动反射镜也随着变化，引起光程差的变化，相当于白光干涉零次干涉条纹的位移。利用该零次干涉条纹作为指针，即可由其位移反映两块长度尺寸变化。注：白光干涉系统中只有两光路严格达到等光程时，才会产生零级条纹（一组彩色干涉图案，其中有一条纹为黑色条纹，即为零次条纹）,量块中心长度的检定相对测量,日本三丰公司（Mitutoyo）双头型自动量块比较仪GBCD100A（接触式）,量块中心长度的检定相对测量,测量范围：0.5mm100mm分辨率：0.01m测量精度：(0.03+0.3L/1000)m上测头：1N下测头：0.6N,日本三丰公司（Mitutoyo）双头型量块比较仪GBCD-250（接触式）,量块中心长度的检定相对测量,测量范围：0.5mm250mm分辨率：0.01m测量精度：(0.03+0.3L/1000)m,日本三丰公司（Mitutoyo）单头型量块比较仪GBCS250（接触式）,量块中心长度的检定相对测量,测量范围：0.5mm250mm分辨率：0.01m测量精度：(0.03+0.3L/1000)m测量力：0.4N带有量块定位装置,瑞士TESA公司量块比较仪,量块中心长度的检定相对测量,校准设备的应用可校准K级及K级以下量块重复精度：0.04m；测量精度：(0.07+0.5L)m，L的单位:米；量块范围：0.5-100mm，100500mm。,瑞士TESA公司，Hexagon（海克斯康）计量产业集团旗下的世界著名量具量仪制造商，有着60多年的制造历史并以瑞士品质的精密制造享誉业界。具备60多年精密制造经验的瑞士TESA公司，是全球知名的精密计量设备制造商，拥有着超过5000多种的量具量仪产品，广泛使用在生产部门、计量室、长度标准传递部门，为工业检测提供了强有力的配套能力，并进而为尺寸计量提供了全面的解决方案。,瑞士TESA公司,2用绝对测量法检定量块中心长度用光的波长作标准直接与量块比较，求出量块中心长度的方法叫绝对测量法。所用仪器主要有：柯式干涉仪（绝对光波干涉仪）激光干涉仪。,量块中心长度的检定绝对测量,柯式光波干涉仪可检定最大尺寸为125mm的一等量块，它检定量块的方法是通过小数重合法求得量块中心长度。测量误差为。其原理图如下：,量块中心长度的检定绝对测量,柯式光波干涉仪,量块中心长度的检定绝对测量,发出三条谱线：,由三块棱镜组合而成，它的作用是将光源三条谱线分开，借助旋钮每次只让一条谱线进入干涉系统。,量块的另一测量面和平晶表面一起作为测量反射镜,参考反射镜10所产生的虚像与两块上的测量面和平晶表面分别形成两个虚楔平板，量块上表面和平晶表面平行，这两个虚楔具有相同的夹角，所以在视场里将看到两组具有相同间距的干涉条纹，利用小数重合法可求得量块的中心长度。,量块中心长度的检定绝对测量,若量块的中心长度恰好等于