长度测量技术

长度测量技术1第一页，共五十九页，编辑于2023年，星期四第一节长度测量概述一、长度检测的意义1、长度是生产实践中最常遇的被测量之一2、长度检测是常规计量项目中的基本项目3、长度是最基本的物理量之一零件尺寸机构位移形位误差十大计量项目：长度、热量、力学、电磁、电子、时间频率、光学、辐射、声学、化学体积＝长*宽*高速度＝位移/时间……2第二页，共五十九页，编辑于2023年，星期四第一节长度测量概述二、长度的单位与基准1、长度的单位与国际基准国际单位制－“米”（m），这是长度的法定单位米的定义：1983年第17届国际计量大会又更新了米的定义，规定：1米是“光在真空中于1/299792458秒的时间间隔内所经历路程的长度”，称为“米的国际基准”。

18世纪末：“1米等于经过巴黎的地球子午线的四千万分之一”

1889年在法国巴黎第一届国际计量大会，从国际计量局订制的30根米尺中选出一根作为统一的国际长度单位量值，称之为“国际米原器”（铂铱合金）。3第三页，共五十九页，编辑于2023年，星期四第一节长度测量概述标准量

标准量是体现测量单位的某种物质形式，具有较高的稳定性和精确度。1.光波波长：直接使用米定义咨询委员会推荐使用的五种激光和两种同位素光谱灯的任一种来复现。4第四页，共五十九页，编辑于2023年，星期四2.量块它是由两个相互平行的测量面中心之间的距离来确定其工作长度的一种高精度量具。形状：金属长方体材料：线膨胀系数小、性质稳定、耐磨以及不易变形的合金钢材料量块是单值量具，可以组合使用。量块的公称尺寸（按级使用时候采用）和实测尺寸（按等使用时候采用）。第一节长度测量概述标准量5第五页，共五十九页，编辑于2023年，星期四第一节长度测量概述标准量6第六页，共五十九页，编辑于2023年，星期四套别总块数级别尺寸系列/mm间隔/mm块数19100,0,10.5

1

1.001,1.002,……,1.009

1.01,1.02,……,1.49

1.5,1.6,……,1.9

2.0,2.5,……,9.

10,20,……,1000.001

0.01

0.1

0.5

101

1

9

49

5

16

10第一节长度测量概述标准量7第七页，共五十九页，编辑于2023年，星期四目前，在实际工作中常使用下述两种实物基准：量块和线纹尺。首先由稳定激光的基准波长传递到基准线纹尺和一等量块，然后再由它们逐次传递到工件，以确保量值准确一致。第一节长度测量概述标准量8第八页，共五十九页，编辑于2023年，星期四9第九页，共五十九页，编辑于2023年，星期四

量块的精度分级又分等，级.量块按制造精度分为0、1、2、3、4级，其中0级精度最高，按检定精度分为1、2、3、4、5、6等，其中1等精度最高。第一节长度测量概述标准量10第十页，共五十九页，编辑于2023年，星期四

量块“等”和“级”之间的关系是：（1）对研合性及平面平行性偏差规定为：l、2等与0级，3、4等与1、2级，5、6等与3、4级分别相同。（2）“等”和‘级”可以代替使用。例如，0、1、2级量块的中心长度制造极限偏差分别与3、4、5等量块的中心长度测量极限误差相同，因此，0、l、2级量块可分别代替3、4、5等量块来使用。第一节长度测量概述标准量11第十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期四线纹尺：带有刻线的尺光栅、磁栅、容栅、……第一节长度测量概述标准量3.光栅、容栅的栅距和感应同步器的线距。①测量效率高；②容易实现数字显示和自动记录，因而读数直观，提高了读数精度，而且工作可靠；③可以实现测量自动化和自动控制。

黑白透射光栅12第十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期四

感应同步器的绕组13第十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期四第一节长度测量概述三、长度测量的方法1、按测量手续划分：直接测量和间接测量例：用卡尺直接测量零件直径，卡尺读数即为被测直径值。

D=20.01mm直接测量：直接对被测量进行测量，测量结果即为被测量的值。间接测量：先测量与被测量相关的其他量，然后按函数关系式求得被测量。例：用弓高弦长法测量大尺寸直径，读数为弓高H和弦长L，计算得直径值D：特点：操作简单，精度较高特点：操作复杂，精度不高14第十四页，共五十九页，编辑于2023年，星期四第一节长度测量概述三、长度测量的方法2、按测量结果的性质划分：绝对测量和相对测量例：用刻度尺直接测量零件长度，刻度尺读数即为零件长度值。

L=20.1mm绝对测量：仪器示值为被测量的绝对值。相对测量：先测量被测量与某个已知标准量的相对差值，然后测量结果加上标准量求得被测量。例：用比较仪测量零件长度，标准量为20mm量块，读数为+0.065mm，零件长度20.065mm被测目标测量设备被测目标测量基准测量设备特点：操作简单，测量范围大，精度不高特点：操作复杂，测量范围小，精度高15第十五页，共五十九页，编辑于2023年，星期四第一节长度测量概述三、长度测量的方法3、按照测量器具与目标有无接触划分：接触测量和非接触测量接触测量：测量器具与被测目标相接触，例如：卡尺、千分尺、电感位移传感器、…非接触测量：测量器具与被测目标不接触，例如：电容位移传感器、激光传感器、测量显微镜…特点：测量过程可靠，但响应慢，存在测量力，易变形和划伤特点：响应快，无测力磨损和变形4、按照生产工艺过程划分：在线测量和离线测量（主动测量和被动测量）

16第十六页，共五十九页，编辑于2023年，星期四第一节长度测量概述四、长度测量应遵循的原则1、阿贝原则(AbbePrinciple）测量实例：利用卡尺测量零件尺寸理论：L=D实际：L≠D?SDL原因：导轨不直→测量线与基准线不平行→量爪不平行→偏差误差的大小与夹角大小有关，还与测量线与基准线之间距离有关

。17第十七页，共五十九页，编辑于2023年，星期四阿贝原则：要求被测量的尺寸线应与标准量的尺寸线重合或在其延长线上。作用：此时由导轨直线度误差引起的测量误差是二阶误差，一般可以忽略不计。第一节长度测量概述符合阿贝原则的测量，可尽量减小导轨直线度误差对测量结果的影响。18第十八页，共五十九页，编辑于2023年，星期四第一节长度测量概述五、长度测量对环境的要求1、标准环境温度：尽可能接近标准温度，减小温差（日晒），并进行温度补偿标准环境：温度20℃，大气压力760mmHg（0.1MPa），湿度50％～60％长度参数比其他参数更容易受环境的影响，环境不同，测量结果不同2、实际环境气压：实时测量气压，并进行修正湿度：尽可能接近或低于标准湿度，实时测量并进行修正振动：远离振源，增加隔振措施（隔振地基、减振平台）实际环境：存在较大偏差，对测量结果影响较大例：在20℃下100mm长金属零件，温度每变化1℃，尺寸变化约1m19第十九页，共五十九页，编辑于2023年，星期四第五章长度测量技术第一节长度测量概述第二节尺寸测量第三节形位误差测量第四节表面粗糙度测量第五节线位移测量第六节绝对距离测量20第二十页，共五十九页，编辑于2023年，星期四第二节尺寸测量几个概念测量范围是指该仪器可以测量的最大值和最小值，超过这个范围就会损坏仪器。示值范围是仪器的读数（即可读数据范围），通常它比测量范围小。量程就是示值范围。21第二十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期四第二节尺寸测量坐标测量法坐标测量法是几何量测量最基本最常用的测量方法，通过测量被测几何要素上若干个点的位置坐标继而求得被测参量。包括采样读数和数据处理两个步骤。单坐标、双坐标、三座标及多坐标。实现测量的关键是建立被测参量和采样点在测量机坐标系中的坐标关系模型。22第二十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期四三坐标测量机机架结构三坐标测量机的主体主要由以下各部分组成：底座、测量工作台、立柱、X及Y向支撑梁和导轨、Z轴部件及测量系统（感应同步器、激光干涉仪、精密光栅尺、精密丝杆等）、计算机及软件。23第二十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期四该机通过三个坐标轴在三个空间方向自由移动，测头在测量范围内可以到达任意一个测点，三个轴的测量系统可以测出测点在x，y，z三个方向上的精确坐标位置。三坐标测显机按其精度来说可以分为两大类：一类是精密型万能测量机(UMM)，一般放在有恒温条件的计量室内，用于精密测量，分辨率为0.5um，1um或2um，也有达到0.2或0.1um的；另一类是生产型测量机(CMM)，一般放在生产车间，用于生产过程的检测，并可进行本道工序的精加工，分辩率为5um或10um，小型生产测量机也有1um或2um的。24第二十四页，共五十九页，编辑于2023年，星期四CMM不管任何复杂的几何表面和几何形状，只要测量机的侧头能够瞄准到的地方（接触与非接触法），就可通过坐标机的测量系统得到各点的坐标值，经计算机算出它们的几何尺寸和相对位置，并完成数据处理，因此用三坐标测量机具有较大的万能性。25第二十五页，共五十九页，编辑于2023年，星期四主要参数数值单位

X行程

3600mm

Y行程

2438mm

Z行程

1524mm

最大运行速度

25.4m/min

刻度值

0.0005mm

测量精度

0.028/1400mm26第二十六页，共五十九页，编辑于2023年，星期四Chameleon7107三坐标测量机

美国布朗·夏普公司制造测量范围:650×1000×650测量精度:2.1+L/355(ISO10360-2)。除常规精密测量外，还可以进行高精度曲面扫描测量，可辅助进行逆向设计。27第二十七页，共五十九页，编辑于2023年，星期四常见尺寸指的是介于1mm和1m之间的尺寸。这类尺寸可用直接测量法或坐标测量法来实现。测量的主要步骤：定位---瞄准---读数---数据处理---给出测量结果。第二节尺寸测量几个概念28第二十八页，共五十九页，编辑于2023年，星期四平面定位外圆定位第二节尺寸测量1、定位定位：使被测件处于最佳方位，使实际测量量符合被测量的定义。典型定位方法：平面定位、外圆定位、内圆定位、顶尖定位要求：首先保证能按被测量的定义进行测量；选取尺寸及形状精度高的面为定位面；为保证可靠性，选择定位面时应遵守长度测量原则，定位面尽可能与测量基面、工艺基面、装配基面统一29第二十九页，共五十九页，编辑于2023年，星期四2、瞄准：瞄准：确定被测量上的测量点相对于标准量的确切位置。形式：•接触式：一定形状的测头与被测对象机械接触•非接触式：影像法(工具显微镜）、CCD图像影像法的瞄准精度受主观因素影响比较大，很多新型仪器采用光电元件代替人眼进行瞄准，实现电子化和自动化。----CCD瞄准十字线双刻线第二节尺寸测量30第三十页，共五十九页，编辑于2023年，星期四3、读数/采样读数：读取测量仪的显示值（指针、数显）无论是哪种显示方式，正式读取数值之前均需检查仪器显示值是否能够“回零”。采样：采集传感器的输出信号，送入处理器。31第三十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期四第二节尺寸测量二、常规尺寸测量1、接触式尺寸测量常规尺寸：几毫米～几米，典型－零部件尺寸游标原理：利用尺身与游标的刻线间距差进行小数读数游标10刻线，距离差1mm，每线差0.1mm

尺身读整数，游标读小数（刻线对齐）游标卡尺(Caliper)：组成：定尺－长，整数刻度，尺身滑尺－短，非整数刻度，游标例：尺身读2mm，游标读0.3mm，读数结果2.3mm规格：常见的游标卡尺有精度为0.1毫米、0.02毫米和0.05毫米三种。32第三十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期四主尺游标9毫米刻10格，0.9毫米/格即：每格相差0.1毫米第二节尺寸测量33第三十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期四第二节尺寸测量测量值：11mm+7×0.1mm=11.7mm01034第三十四页，共五十九页，编辑于2023年，星期四三用卡尺，其测量范围一般为0-125和0-150mm两种。电子数显卡尺：35第三十五页，共五十九页，编辑于2023年，星期四第二节尺寸测量二、常规尺寸测量1、接触式尺寸测量(2)千分尺(Micrometer)读数原理：固定套筒－刻度0.5mm，微分套筒－刻度50线，每格0.01mm组成：量爪一侧固定，另侧移动尺身－支撑、定位读数机构－固定套筒和微分筒例：固定套筒读14mm，微分套筒读0.10mm，测量结果14.10mm电子数显千分尺：36第三十六页，共五十九页，编辑于2023年，星期四第二节尺寸测量二、常规尺寸测量1、接触式尺寸测量(3)百分表/千分表

(DialIndicator)指针式千分表：组成：测杆导轨－接触工件，移动传动机构－转换、传动、放大指针机构－显示、读数数显式千分表：37第三十七页，共五十九页，编辑于2023年，星期四第二节尺寸测量二、常规尺寸测量1、接触式尺寸测量测量零件尺寸(4)高度尺

(HeightGage)原理：与卡尺相同游标式数显式38第三十八页，共五十九页，编辑于2023年，星期四第二节尺寸测量二、常规尺寸测量1、接触式尺寸测量(5)测长仪

(Metroscope)组成：基座7－支撑、固定、隔振测量座1－长度基准(线纹尺)、读数尾座6－固定、定位工作台5－安放工件、接触测量测量原理：移动测头与固定测头接触，放置工件，移动测头接触，线纹尺读数特点：符合阿贝原则，精度高39第三十九页，共五十九页，编辑于2023年，星期四第二节尺寸测量二、常规尺寸测量1、接触式尺寸测量(6)电感传感器

(InductiveSensor)结构：线圈---产生磁场/感受磁场衔铁---移动部件，调制元件套筒---磁性，防磁、防漏原理：衔铁深度→磁力线回路的磁阻→线圈电感变化应用：接触测量螺管型电感传感器40第四十页，共五十九页，编辑于2023年，星期四第二节尺寸测量二、常规尺寸测量2、非接触式尺寸测量(1)万能工具显微镜(UniversalMicroscope)显微镜：将被测件的尺寸、轮廓经过显微光学系统放大，便于观察测量，提高精度。读数：被测目标成像于目镜的分划板上，目测瞄准、读数。41第四十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期四第二节尺寸测量二、常规尺寸测量2、非接触式尺寸测量(2)影像测量仪光源准直透镜工作台物镜CCD摄像机零件工作原理：光源→目标→镜头→CCD→图像→计算机→数据处理→测量结果特点：快速－可以直接获取一维、二维、三维尺寸智能－无需找正和对准，自动调焦、自动瞄准精准－高放大倍率、亚像素细分美国OGP42第四十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期四第二节尺寸测量二、常规尺寸测量2、非接触式尺寸测量工作原理：光源→准直透镜→平行光→目标→物镜→反射镜→投影幕光源准直透镜工作台物镜投影幕零件反射镜测量方法：人工目视瞄准读数(3)投影测量仪43第四十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期四第二节尺寸测量二、常规尺寸测量3、厚度测量超声波测厚：发射探头→超声脉冲→工件→另一侧→接收探头换能器换能器工件厚度：c：超声波在工件内部传播速度t：发射脉冲至接收脉冲时间间隔特点：无损检测可检测镀层厚度速度快便携，易用44第四十四页，共五十九页，编辑于2023年，星期四

超声波测厚仪主要由主机和探头两部分组成。主机电路包括发射电路、接收电路、计数显示电路三部分，由发射电路产生的高压冲击波激励探头，产生超声发射脉冲波，脉冲波经介质介面反射后被接收电路接收，通过单片机计数处理后，经液晶显示器显示厚度数值。

45第四十五页，共五十九页，编辑于2023年，星期四第二节尺寸测量三、大尺寸测量1、大直径测量大尺寸：几米～几十米，大型工件、长导轨…被测轴：直径D标准轮：已知直径d(1)弓高弦长法：测量弓高和弦长，计算直径D：(2)滚轮法：Dd纯滚动根据标准轮转过的圈数N和角度θ，计算被测轮的直径：46第四十六页，共五十九页，编辑于2023年，星期四第二节尺寸测量三、大尺寸测量2、大长度测量(1)距离测量法：分别瞄准被测长度的两端A和B，分别测量两个位置的距离DA和DB，计算得出长度：L=DA－DB常用测量器具：激光干涉仪AB47第四十七页，共五十九页，编辑于2023年，星期四第二节尺寸测量48第四十八页，共五十九页，编辑于2023年，星期四(2)光学测量法：

通过光学系统将被测目标缩小(比例k)，测量被测长度所成的像的长度L0，计算得出被测长度：L=kL0常用测量器具：影像测量仪…第二节尺寸测量49第四十九页，共五十九页，编辑于2023年，星期四第二节尺寸测量四、微小尺寸测量1、金属丝直径测量衍射测量法：平行光→金属丝→透镜→接收屏→明暗相间的衍射条纹微小尺寸：<1mm金属丝、小孔、台阶、薄膜厚度、刻线…f：透镜焦距xk：k级暗条纹的位置

衍射级的增加金属丝直径：直径变化引起的条纹位置变化增大→灵敏度提高光强迅速减小→灵敏度下降衍射级的选择：综合考虑，一般选择第二级或第三级条纹50第五十页，共五十九页，编辑于2023年，星期四夫琅和费衍射原理当光源和衍射场(即屏幕P)都距衍射物(小孔、狭缝、细丝等)无限远时的衍射称为夫琅和费衍射(或平行光衍射)，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。51第五十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期四图为衍射条纹的光强分布图。由图可见，随着衍射角的增加，亮条纹的光强将迅速降低，暗点位置是等距分布的。如采用激光作为光源，由于能量高度集中，条纹可以更加清晰，衍射级次也更高(即能见到的衍射条纹致目多)。52第五十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期四2光纤直径的测量方法：激光能量法。右图中3代表光纤。激光---光纤---亮线汇聚于光敏二极管5上---比较器（测量通道）激光--光敏二极管6—比较器（参考通道）光纤直径变化引起比较器的输出结果，据此实现光纤直径的测量。53第五十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期四第二节尺寸测量四、微小尺寸测量3、小尺寸零件测量小尺寸零件：小孔、台阶、刻线、微机械、PCB尺寸、纤维…光源→准直透镜→平行光→零件→显微物镜→CCD