精密测量理论及技术：第三章 长度尺寸的测量2

第三章长度尺寸的测量基本内容长度尺寸的常用测量仪器及方法：轴类零件尺寸测量孔类零件尺寸测量大尺寸测量微小尺寸测量纳米测量思考题1、举例说明长度尺寸测量仪器的测量原理，分析其结构组成和精度。2、设计凸轮轮廓曲线的测量方法，包括方案、仪器、步骤、注意事项。3、设计细丝/光纤直径测量系统，画出系统原理框图。系统要求：自动在线检测，实时给出测量结果，并对不合格尺寸予以报警。复习长度测量仪器方法分析

序号仪器方法名称标准量原理/类型阿贝原则精度1杠杆齿轮式测微仪量块、度盘机械传动/相对？否2立式光学计量块、刻尺反射光偏转成像/相对？否3球径仪测环、三个尺弦高计算/间接是4卧式测长仪5光学灵敏杠杆+测量显微镜61m测长机7激光干涉测长仪8弦高法测内外径9滚柱法测大轴径10经纬仪测大轴径11经纬仪测大尺寸1、杠杆齿轮式测微仪标准量原理/类型原则精度2、立式光学计标准量原理/类型原则精度3、球径仪标准量原理/类型原则精度精度分析：1、原理误差2、制造误差3、使用误差平板测微原理a当平板玻璃被凸轮的位移量t带动转过角度i时，入射光与出射光的偏移量为：∴a可近似为：由于θ、i

很小，，

，ABC，球径仪矢高源误差（11项）1）平板测微器原理误差Δ12）毫米刻尺误差Δ33）

0.1mm刻尺误差Δ44）0.001mm尺盘误差Δ55）测轴与测环的不垂直度误差Δ66）测轴偏心误差Δ107）物镜放大倍率误差Δ78）凸轮误差Δ119）对准误差Δ810）估读误差Δ911）温度误差Δ24、卧式测长仪标准量原理/类型原则精度5、光学灵敏杠杆+测量显微镜标准量原理/类型原则精度6、1m测长机标准量原理/类型原则精度7、激光干涉测长机底座干涉仪厢体测量头架工作台尾座电机与变速箱闭合钢带电磁离合器固定角隅棱镜尾杆测量主轴可动角隅棱镜激光器分光器XXYZh标准量原理/类型原则精度8、弦高法测直径标准量原理/类型原则精度9、滚柱法测大轴径标准量原理/类型原则精度10、经纬仪测直径标准量原理/类型原则精度11、经纬仪距离标准量原理/类型原则精度各式凸轮圆柱凸轮盘形凸轮滚子转盘带弧面的凸轮盘形凸轮盘形凸轮四、微小尺寸测量随着科学技术和工业生产的发展，产品的小型化或微型化越来超成为一个重要的分支，因而微小尺寸的测量越来越多；被测对象也多样化。如细丝、小孔、小球面、镀层厚度、计算机中磁头与磁盘间的微小间隙等等。面对这些测量任务，迫切地要求提出新的测量原理和方法，下面将介绍几个实例。1、用激光衍射法测量金属丝直径根据夫琅和费衍射(或平行光衍射)原理。当光源和衍射场(即屏幕P)都距衍射物(小孔、狭缝等)无限远时，便产生衍射现象。实际上只要光源、屏幕离衍射物有足够大的距离都可认为是夫琅和费衍射。式中k——衍射斑纹级次此法的相对测量精度约为10-4左右。常用于漆包线细丝直径的动态测量。用激光衍射法还可测量小螺纹各参数，其测量误差约为：中径3％，螺距1％，半角＜1°。被测细丝：φd，——衍射物；光源：激光——平行光，衍射屏P(l≥500mm)，——一组明暗相间且等距的衍射斑纹，斑纹距屏幕中心的距离sk，由衍射条纹的条件：0+1暗1亮k暗2、用激光能量法测量光纤直径光导纤维通常是由两种材料制成的。内圆柱是由折射率较高的透明材料制成，而其外表面则是由折射率较低的透明材料制成，因此在两介质的分界面上可形成全反射，使光束得以远距离的传输。内圆柱的直径是决定光纤传输性能的重要参数。由于光纤是透明介质，前面衍射法难以获得衍射条纹的清晰边界，故不适用。另一束光则作为比较光束直接照到光电二极管6上，以固定的激光能量经转变成电信号输入直流放大器中进行放大，并输入比较器的左端。光纤——曲率很大的柱面透镜。激光束经分光镜1后，分成两束光：一束光透过分光镜1，经透镜2会聚到被测光纤3上，于是在曲率方向上将光束扩展为一条很长的亮线照到透镜4上，透镜4的通光孔径限制了进入透镜的扩展亮线的长短，同时将这部分光线会聚于光电二极管5上，其电信号通过直流放大器后输入比较器的右端；光纤3直径的变化——亮线bb’的长短也发生变化——光电二极管5接收的aa’的能量也发生变化。为提高测量的灵敏度，将透过分光镜1后的全部能量充分地用于光纤的光束扩展，透镜2最好将激光束会聚成小于光纤直径的光点照到光纤上，因此它的焦距很短，只有5mm左右，可根据被测光纤的直径大小选取。这种方法的测量精度可达1％左右。3、小间隙的测量在电子计算机中，磁盘存储器是关键的设备，它的好坏将直接影响着存储信息量的大小。磁盘与磁头之间间隙的大小是一项重要的技术指标，一般在2—6μm之间，比较先进的计算机，头盘间隙已达小于1μm的数量级。由于磁盘是非透明的介质，又由于磁头与磁盘工作间隙是在磁盘高速旋转(每分钟数千转)过程中利用空气动力学原理所形成的，因此给磁盘间隙的测量带来很大的困难。下面介绍一种用光波干涉原理测量其间隙的方法。磁头与磁盘间隙的测量玻璃圆盘磁头滤色镜滤色镜测量原理——小数重合如光线是垂直入射的，则h＝mλ/2。取用两种波长的光源(改变滤色镜4a和4b的位置)，则有:2h=m1λ1和2h=m2λ2式中：λ1、λ2——两种光波的波长；

m1

、m2——用两种波长测量时相当于间隙h的条纹数。m1和m2未知，但可测得Δm

=

m1-m2

。当λ1<λ2，h小于5μm时，Δm<1。由：m1=m2+

Δm则：2h=m1λ12h=(m2+

Δm)λ12h=m2λ2m2=2h/λ2则：此法的测量精度较高，取决于波长的检定精度和Δm的读数瞄准精度。实践证明，其极限测量误差＜±0.2

μm。4、小球径的测量干涉显微镜：非接触测量测量误差λ/2。干涉显微镜测小球径L——量块组尺寸λ——测量光波的波长（580nm）；N、ΔN——两次测量零级干涉带偏离的条纹数。小内球面半径的测量0ikR在测微目镜中测出第k、i两个(任选)干涉环的半径rk、ri，则球面半径R为：干涉显微镜，球面中心位于光轴上，调至其顶点为零级干涉五、纳米测量随着纳米加工技术的发展、各种超灵敏传感器的诞生以及微电子工程精度要求的不断提高，人们对高于100pm精度测量技术的需求与日俱增，因此近年来纳米级测量技术发展很快，新研制的纳米测量仪器精度越来越高、体积越来越小、功能越来越强。常见的纳米测量仪器有X射线干涉仪、扫描探针显微镜、集成激光干涉仪。1、X射线干涉仪工作原理：莫尔条纹（单晶微薄片）01112、显微镜光学显微镜分辨极限电子显微镜隧原子道力显微镜荧光显微镜改变波长其它原理分离标记IBM科学家首次拍下单分子照片二氧化锡薄膜火星土壤遭疟疾感染的人体红血球和蓝藻（1）透射电子显微镜TEM电子源电子透镜系统真空装置样品架探测器原理：

电子束与样品中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射。

散射角的大小与样品的密度、厚度相关，形成明暗不同的影像。1931~1939扫描透射电子全息显微镜（STEHM）

2013.7.31最高分辨率为35pm葡萄球菌细胞,放大倍数50000x探头压电陶瓷臂被测表面（2）扫描隧道显微镜STM针尖探头安置在一个可实现三维运动的压电陶瓷支架上，通过控制加在三个压电陶瓷臂上的电压可分别控制针尖在x、y、z方向上的运动。若以针尖为一电极，被测表面为另一电极，则当两者间距离小到纳米量级时即会产生隧道电流。

原理19811986诺贝尔物理学奖工作模式扫描隧道显微镜有两种工作模式：恒高度模式：当被测表面仅有原子尺度(0.1nm)的起伏时，针尖在被测表面上方作平面扫描(即针尖高度不变)，用现代电子技术测出隧道电流的变化即可描绘出表面的微观起伏形态。但当被测表面起伏较大时，恒高度模式会使针尖撞击表面造成针尖损坏(理想针尖的尖端只有一个稳定原子)。

恒电流模式：控制加在z向压电陶瓷臂上的电压，使针尖在扫描过程中随表面起伏上下移动，而保持隧道电流不变(即针尖与被测表面间的间距不变)，由压电陶瓷上电压的变化获得表面形貌的信息。目前扫描隧道显微镜多采用后一种模式，其分辨力可达pm量级。

扫描隧道显微镜影像石墨有机半导体喹吖啶酮的超分子链量子围栏钴原子Cu(111)表面（3）原子力显微镜AFM1986~1989本原公司由我国纳米科技首席科学家白春礼院士于1988年创立多功能原子力显微镜系统

MFP-3D™-StandAloneAFM

美国AsylumResearch原子力显微镜公司原子力显微镜原子力显微镜

Cypher™AFM原子力显微镜（4）荧光显微技术

——2014诺贝尔化学奖纳米显微技术——突破光学显微镜200nm的光学极限，人们对细胞的认识从未像现在这么清晰。

①光激活定位显微技术PALM黑腹果蝇细胞中的微管诺贝尔奖得主EricBetzig和WilliamMoerner1nm②受激发射损耗技术（STED）诺贝尔奖获得者StefanHell一个人类脑瘤样本0.2um③随机光学重建显微技术STORM细胞中的线粒体哈佛大学的庄晓薇传统显微镜STORM的三维成像STORM的层切面④饱和结构照明显微技术SSIM人骨癌细胞的三维SIM图像肌动蛋白呈紫色，DNA呈蓝色，线粒体呈黄色通过栅格移动照明模式，产生干涉图案⑤晶格层光显微镜细胞分裂时细胞骨架个体蛋白质的运动2014年10月23日诺贝尔奖得主EricBetzig团队长度测量分析序号仪器方法名称标准量原理/类型阿贝原则精度1杠杆齿轮式测微仪量块、度盘相对2立式光学计量块、刻尺相对3球径仪