长度的测量仪器汇总

日期:2021-09-15编辑作者:测绘仪器大全

  长度测量 长度测量的标准量 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。 ? 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。 ? 量块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。 –量块是单值量具,可以组合使用。 –量块的公称尺寸和实测尺寸。 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, ③可以实现测量自动化和自动控制。 黑白透射光栅 长度尺寸测量 ? 轴类零件尺寸的测量 ? 孔类零件尺寸的测量 ? 大尺寸的测量 ? 微小尺寸的测量 轴类零件尺寸测量 ? 绝对测量 – 千分尺、卡尺、测长仪 ? 相对测量 – 在比较仪上和标准块规进行比较读取数值 – 光学比较仪、光学计、干涉仪 一、轴类零件尺寸的测量 ? 光学比较仪(如立式光学计) 结构 ? 光学计管:测量读数的主 要部件; ? 零位调节手轮:可对零位 进行微调整; ? 测帽:根据被测件形状, 选择不同的测帽套在测杆 上。选择原则:与被测件 的接触面积要最小; ? 工作台:对不同形状的被 测件,应选用不同的工作 台. 光学计基本原理:在自准直平行光管系统中加入了一块可旋转 的反射镜。 工作原理 ? 光线进入光学计管中 ? 由通光棱镜7将光线格的刻线,此处刻线的焦平面上 ? 由标尺9发出的光线成为平行光线,射 向平面反射镜 ? 平行光线被反射回来,重新透过物 镜2,再经棱镜3汇聚于分划板4的另 一半上 ? 分划板上有固定指示线上下移动时,推动平面 反射镜1产生摆动,于是标尺9的像 相对于指示线产生了移动 ? 移动量可通过目镜5进行读数 y/s—光学杠杆的放大倍数 一般光学计中,f=203.5mm,a=5.0875mm, k≈80 ? 若光学杠杆放大倍数为80 ? 目镜的放大倍数为12,则量仪的放大倍数K=12* 80=960 ? 光管中分划板上刻度尺的刻度间距为0.08mm,从 目镜中看到的刻度尺影象的刻度间距为 a=12*0.08=0.96mm。因此,量仪的分度值 i=a/K=0.001mm=1μm ? 从目镜中可以读出刻度尺零刻线影象相对于固定 指示线移动的格数,将它乘以量仪的分度值就是 量仪示值。 ? 由于零刻线格刻度,因此量仪的示值 范围为-l00μm到+100μm。 2.仪器精度分析 (1)组成仪器误差主要的系统误差 (2)组成仪器误差的随机误差 (3)测量误差 (1)组成仪器误差主要的系统误差 ? a.由分划板的刻度误差Δ1所引起的误差 ? b.原理误差 ? c.物镜畸变所引起的误差 ? d.由于杠杆短臂调整不准所引起的误差 (2)组成仪器误差的随机误差 ? a.由于量杆配合间隙引起的误差 ? b.读数误差 (3)测量误差 ? a.标准件误差 ? b.测量力引起的误差 ? c. 温度误差 二、孔类零件尺寸的测量 光学灵敏杠杆测量孔径 ? 工具显微镜主要用于测量螺纹的几何参数、 金属切削刀具的角度、样板和模具的外形 尺寸等,也常用于测量小型工件的孔径和 孔距、圆锥体的锥度和凸轮的轮廓尺寸等。 ? 工具显微镜的基本测量方法有影像法和轴 切法。 光学灵敏杠杆 图3—38 灵敏杠杆结构原理 1-测杆 2-反射镜 3-杠杆支点 4-物镜 5-双线-工件 ? 对于双线对米字线的瞄准,瞄准精度约为 10″(≈5×10-5rad) 若l1太大,则体积太大,也影响它的使用范围 三、大尺寸的测量 测长机 测长仪和测长机结构中带有长度标尺,通常是线纹尺, 也可以是光栅尺。 测量时,用此尺作为标准尺与被测长度做比较,通过显 微镜读数以得到测量结果。 量程较短的称为测长仪。 量程在500mm以上的仪器体形较大,称为测长机。测长 机常用于绝对测量。 ? 卧式测长机除能测量外尺寸 外,主要用于测量内尺寸。 ? 测量范围来分,有1,2,3, 4,6m,甚至12m ? 仪器的测量座是一个独立部 件。 ? 由内装100mm线纹标尺的量 轴 ? 细分值为0.001mm的读数显 微镜所组成。 ? 刻线mm内共有刻线mm; ? 分划板共有10块,每块相距100mm,在每 一块上面刻着两条刻线 之间的一个数字,分别代表每一块分划板距 刻线尺零刻线的距离的分米数值 ? 光线自光源,经聚光镜,滤光片、反射镜后照亮分划板 ? 由于分划板位于物镜组N2的焦平面上,光线通过分划板后, 经反射镜M2和物镜组N2后便形成平行光束 ? 平行光束经过同样焦距的物镜组N1和反射镜M1后,使分划板 成象于100mm刻线尺上 ? 因刻线的焦平面上 ? 通过读数显微镜进行读数。小于0.1mm的读数由光学计管完 成 ? 测量过程先对零位,再放工件测量 ? 对零位:将尾架13沿机身床面向右放于分划板14 的零刻线向左移到刻线的零刻 线的 视场内两个零线,使左、 右两个测头接触合适,并从光学计管2中对准零线, 这时表示仪器的的零位已经调好。 ? 安放工件:如工件长度的基本尺寸为100mm或其整倍数, 则只需移动尾座13使之向左,若工件的基本尺寸除了 100mm的整倍数外,还有自0.1至100mm的小数时,则 还需要将头座4向右移动至所需的数值上,至小数点后的 第一位数字为止。此时便可将工件1置于前后二个测量座 的测量头之间。工件的形状如果是圆柱棒,则可用两个放 在床身上的V型支架17支承,支承的高度及它们之间的距 离,均可按需要调节。 ? 工件安放与调整至合适位置后,便可从光学计管2读出小 于0.1mm的数值,可估读至0.1μ。只要加上从显微镜3中 读得的数值,便是全部的测量值。 爱彭斯坦(Eppenstein)光学补偿方法 测长机工作原理图 (对称的棱镜物镜系统) ? 由于床身导轨直线度误差等原因使尾架移动时绕 S点偏转了一个 ? ? 在测量线上使被测线段减小了Δl,由图中的几何 关系 可得 ?l ? H sin ? ? l cos? ? l ? 由于尾架偏转了 ?角,和尾架装在一体的棱镜12、 物镜11射出的平行光束也随着向下与水平光轴倾斜? ? 于是经右方物镜9和棱镜8后,分划板S的象由S’移 至S’’,其移动方向与尾架测头的偏移方向相反。 ?l1 ? Ftg? ? 如果 s?s?? ? ? 则 l1 ? 式中:H—测量线与刻线尺表面间的距离 ? --尾架偏转角 l --尾架测头顶端距S点垂线的焦距 ? S点的像由S’移到S’’,在刻线上意味着读数的 减小,因此 ?l1和 ?起了补偿作用。因此测量误差 l ? H sin ? ? l cos? ? l ? Ftg? ? 将上式展开,略去三次方并化简得 ?L ? ?l1 ? ?l ?L ? ( H ? F )? ? l ? 如取H=F,则 ?2 2 ?L ? ?l ? ?2 2 此为二阶微量误差,故影响不大。此即为爱彭斯坦原则 导轨直线处,在刻线面 产生的误差为 在测量线方向测端倾斜 左移产生的误差为 光学补偿原理 若令h=f,则由尾座倾斜带来的阿贝误差,在读数 时自动消失了,达到了补偿的目的(结构布局补偿) 1m激光测长机底座变形的结构布局补偿法 ?先移动测量头架 3,使测量主轴11 在一定测量力下与 尾杆接触 ?仪器对零 ?移开测量头架, 放上工件 ?底座增加重量( 工件重量) ?测量头架及工作 台在底座上的位置 改变 若在测量位置上,尾座轴线相对于导轨面在 垂直平面内,发生5″倾斜角的零位变化, 设尾座中心高200mm 措施: 1.固定角隅棱镜9与尾座 5固接成一体 2.固定角隅棱镜的锥顶 安放在尾杆10的轴线 离底座导轨面等高的 同一平面内 3.可动角隅棱镜12的锥 顶位于测量主轴11的 轴心线在水平面内 的距离 2)测量头在垂直平面内有倾角变化 由于总体布局满足第三项内容,符合阿贝原 则,因此只有二阶微小误差,可忽略 3)尾座在水平面内有摆角变化 因为不符合阿贝原则,因此误差不能补偿, 根据总体布局第四条,d值越小,误差越小 激光干涉测长 单频激光干涉仪原理 双频激光干涉测长仪光路 迈克尔逊干涉仪 激光干涉测长仪 如图,主要有几部分组成: 1、激光光源: 激光器 He-Ne气体激光器,频宽达103Hz, 相干长度可达300km。 2、干涉系统:迈克尔逊干涉原理, 位移---测量臂; He ? Ne 可移动平台 光束1 BS 激光束 光束2 待测物体 光电计数器 显示记录装置 光电显微镜 3、光电显微镜:给出起始位置。实现对对测长度或位移的精密瞄准,使干 涉仪的干涉信号处理部分和被测量之间实现同步。 4、干涉信号处理部分:光电控制、信号放大、判向、细分及可逆计数和显 示记录等。 测量光束2和参考光束1相互叠加干涉形成干涉信号。其明暗变化次数直接 对应于测量镜的位移,可表示为: ? L?N? 2 N?0 基本公式: L ? 2n 初始位置光程差: N干涉信号明暗变化次数,L测量镜位移 干涉条纹数: 0 2n( Lm ? Lc ) K ? 2n( Lm ? Lc ) / ?0 测量时,反射镜M2移动,若移动长度为L,干涉条纹数变为K K ? 2nL / ?0 ? 2n( Lm ? Lc ) / ?0 干涉条纹m倍细分后,再用计数器读数,计数为N: N ? Km ? 2mnL / ?0 ? 2mn( Lm ? Lc ) / ?0 被测长度L L ? N?0 / 2mn ? ( Lm ? Lc ) N?0 L? 2mn 激光干涉测长是增量码式测量,测量开始计数清零 Lm-Lc不变 N?0 进行全微分,用微分法求出影响激光干涉测长的 对 L? 2mn 主要误差 ?0 N??0 N ?L ? ?N ? ??0 ? ?n ? ?( Lm ? Lc ) 2 2mn 2mn 2mn 误差表达式: ?N ?? 0 ?n ?L ? L( ? ? ) ? ?( Lm ? Lc ) N ?0 n ?N L( ) N ??0 L( ) ?0 计数误差 ?n L( ) n 空气折射率的影响 波长不稳定带来的测量误差 ?( Lm ? Lc ) 温度、力变形及振动造成初始 光程差变化带来的误差 应用: S 2 G1 M2 ? M1 G2 1 M1 ? 测光谱线的波长和精细结 构 ? 测量微小位 半透半反膜 移 ? 测折射 率 1907年,迈克耳逊获得诺贝尔奖 2? 1? E 例 如图在光路2中, 插入厚度为h 的玻璃板, 已知测得条纹冒出的数目为N, 所用光源的波长为λ, 求玻璃的折射率n 解: M2 2 G1 S G2 1 M1 2? 1? 半透半反膜 E 插入厚度为h 的玻璃板 使的光束2要比光束1多走一段光程, 在屏幕相遇所附加光程差为 ? ? 2(hn ? h) ? N ? 2 四 、微小尺寸测量 细丝、小孔、镀层厚度、集成电路中的氧化层厚度、 各元件间的微小距离、计算机中磁头与磁盘间的微小 间隙等等; 精度要求也越来越高,如超大规模集成电路中要求位 置的测量精度为0.lum的数量级。 光纤直径的测量 激光能量法 如图所示,激光束经分光镜1后,分 成固定能量的两来光:一束光透过分 光镜1,经透镜2会聚到被测光导纤维 3上,于是在曲率方向上将光束扩展 为一条很长的亮线的通光孔径限制了进入透镜的扩 展亮线的长短,同时将这部分光线上,其电信号通过 直流放大器后输入比较器的右端;而 另一束光则作为比较光束直接照到光 电二级管6上,输入直流放大器中进 行放大,并输入比较器的左端,由于 光导纤维3直径的变化,所扩展的亮 线bb’的长短也发生变化,而被光电 二极管5接收的aa’的能量也会有所变 化。因而经比较器比较后,可由显示 器显示其直径的变化量或绝对值。 ? ①准直光源,采用半导体激光为光源,经整形、扩束、准直 后形成光点小于Φ1mm的圆形光束; ? ②扫描转镜,为正多面体旋转反射镜,一般为金属在精密机 床上切削,后进行抛光、镀膜而成; ? ③发射光学系统,为形成准直、匀速扫描光束,采用特殊的 Kθ透镜组作为发射光学系统; ? ④接收光学系统,为短焦距聚光光学系统; ? ⑤光电传感器,采用面型PIN型光电二极管,响应速度快; ? 当激光光束对被测工件进行扫描,在光学系统给定的有效扫 描区域内,被测工件对扫描光束的遮挡起到光强调制的作用。 ? 当扫描器对被测工件进行高速扫描时,产生一光强调制信号, 这一光强调制信号携带被测量的有关特征信息,接收器通过 光电变换将这一光信号变成电信号,再经过电子学系统和微 机实时处理,就可以得到测量结果。 ? 若扫描速度为ν,对工件扫描时间为t,则被测工件直径D 未放入被测件 放入被测件 整形后 未放入被测件 放入被测件 分离、整形 扫描脉冲 高频脉冲控制 ?激光扫描光束在距透镜光 轴为±y 的位置与多面棱 n、ω为多面棱镜的转速和角速度 f为透镜的焦距 ±y为激光光束距光轴的距离 体旋转角度之间的关系: ?在与光轴垂直方向上 的扫描线速度为 ?设计中近似地认为在 与光轴垂直方向上激 y ? f tan(2? t ) ? f tan(4? nt ) v0 ? dy ? 4? nf sec2 ( 4? nt) dt y 2 ) ] f ? 4? nf [1 ? tan2 ( 4? nt)] ? 4? nf [1 ? ( f ? 150 .2 mm 光光束的扫描线速度 是均匀的 ?填充脉冲频率为M= 2.5MHz,则脉冲当量: v ? 2? f ? 4? n f n ? 50转 / 秒 v ? 94 .373 m / 秒 v 94.373 ? 10 3 q? ? ? 0.03775 mm / 脉冲 6 M 2.5 ? 10 ?设实际测量钢丝直 经为 d0,所用时间 ?在 T 时间段内所计脉 冲数 ?仪器指示的被测直经 T ? 2? ? d0 / 2 0 d0 / 2 1 1 dy ? 2 ? dy 0 v0 4n?f 1 ? ( y / f )2 ? ? 1 d arctan( 0 ) 2n? 2f N ? T ? M ? T ? 2.5 ? 106 d ? N ? q ? T ? M ? q ? T ? 4n?f d0 ? 2 f arctan( ) 2f ?d ? d ? d 0 ? 2 f arctan( d0 ) 2f ?d ? 1 d 2f d ? 2 f ? ? 0 ? ? ( 0 ) 3 ?? ? d 0 ? ? ? ( 0 )3 3 2f 3 2f ?2 f ? ?引起的原理误 差 可见:将测量空间中非线性的扫描速度视为线性,采用均匀的(线性的、 固定的)填充脉冲频率,造成线性信号处理方式与非线性扫描特性之间 矛盾,其是产生原理误差的根本原因。一旦设计完成,此误差也就确定。

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