第2章-长度测量基础课件.ppt

1、1第一节第一节 测量的基本概念测量的基本概念一、测量一、测量1.1.目的：目的：判断零件几何参数是否合格。判断零件几何参数是否合格。2.2.定义：定义：把被测量与具有把被测量与具有计量单位计量单位的标准量进行比较，从的标准量进行比较，从而确定被测量的量值的过程。而确定被测量的量值的过程。L=qE被测量被测量比值比值标准量标准量被测量被测量的组成的组成表征几何量的数值表征几何量的数值该几何量的计量单位该几何量的计量单位L=40mm2u测量对象：测量对象：零件几何参数。长度、角度、表面粗糙零件几何参数。长度、角度、表面粗糙度、形位误差等。度、形位误差等。u计量单位：计量单位：几何量测量中，米制为我

2、国的基本计量几何量测量中，米制为我国的基本计量制度。长度单位是制度。长度单位是米米(m)，角度单位是，角度单位是弧度弧度(rad)。mm.m.nmu测量方法：测量方法：是指在进行测量时所用的按类叙述的一是指在进行测量时所用的按类叙述的一组操作逻辑次序。测量原理、测量器具、测量条件。组操作逻辑次序。测量原理、测量器具、测量条件。u测量的准确度：测量的准确度：测量结果与真值一致的程度。测量结果与真值一致的程度。3.3.测量过程的要素测量过程的要素3第二节第二节 尺寸传递尺寸传递1.1.长度单位：长度单位：米米定义：定义：米是光在真空米是光在真空中于中于1299 792 458秒秒(s)时间间隔内的

3、行程时间间隔内的行程长度。长度。量值传递系统：量值传递系统：将米将米的定义长度一级一级的定义长度一级一级地传递到工作计量器地传递到工作计量器具上，再用其测量工具上，再用其测量工件尺寸，从而保证量件尺寸，从而保证量值的准确一致。值的准确一致。4一、量块及其传递系统一、量块及其传递系统1.1.量块的作用量块的作用u生产中被用来检定和校准测量工具或量仪。生产中被用来检定和校准测量工具或量仪。u比较测量中用来调整仪器的零位。比较测量中用来调整仪器的零位。u也可用于加工中机床的调整和工件的检验等。也可用于加工中机床的调整和工件的检验等。2.2.量块的构成量块的构成材料材料：铬锰钢：铬锰钢线膨胀系数小，性

4、质稳定，耐磨，不易变形。线膨胀系数小，性质稳定，耐磨，不易变形。形状形状：长方体长方体。标称长度（公称尺寸）标称长度（公称尺寸）：两个测量面之间的距离。：两个测量面之间的距离。刻字：刻字：标称长度到标称长度到5.5mm的量块，其标称长度值刻印的量块，其标称长度值刻印在上测量面上；标称长度大于在上测量面上；标称长度大于5.5mm的量块，其标称长的量块，其标称长度值刻印在上测量面的左侧平面上。度值刻印在上测量面的左侧平面上。截面尺寸：截面尺寸：标称长度到标称长度到10mm的量块，其截面尺寸为的量块，其截面尺寸为30mmX9mm；标称长度大于标称长度大于10mm到到1000mm的量块，的量块，其截面

5、尺寸为其截面尺寸为35mmX9mm。53.3.量块的精度量块的精度GB/T 6093-2001规定：量块按制造的技术要求分为规定：量块按制造的技术要求分为5级级:0.1.2.3和和K级。级。精度精度最高最高精度精度最低最低校准级校准级 级级主要是根据量块长度极限偏差主要是根据量块长度极限偏差te、量块长度变动量、量块长度变动量tv、量、量块测量面的平面度、量块测量面的粗糙度及量块测量面的研块测量面的平面度、量块测量面的粗糙度及量块测量面的研合性等指标划分。合性等指标划分。u量块长度：量块长度：是指量块上测量面上一点到与此量块下测量面相研是指量块上测量面上一点到与此量块下测量面相研合的辅助体（平

6、晶）表面之间的垂直距离。合的辅助体（平晶）表面之间的垂直距离。u量块长度变动量：量块长度变动量：量块的最大量块长度与最小量块长度之差。量块的最大量块长度与最小量块长度之差。表表2-1摘录了量块长度极限偏差和长度变动量的部分数值。摘录了量块长度极限偏差和长度变动量的部分数值。包含制造误差包含制造误差63.3.量块的精度量块的精度标准标准规定：量块按检定的技术要求分为规定：量块按检定的技术要求分为5等等：1.2.3.4和和5等。等。精度精度最高最高精度精度最低最低量块分量块分等等的主要指标与分的主要指标与分级级的主要指标其不同点在于用的主要指标其不同点在于用“测测量不确定度量不确定度”代替量块长度

7、的极限偏差。代替量块长度的极限偏差。量块的量值是按长度量值传递系统进行传递的，即低一等的量量块的量值是按长度量值传递系统进行传递的，即低一等的量块的检定，必须用高一等的量块作基准进行测量，因此应规定块的检定，必须用高一等的量块作基准进行测量，因此应规定其测量不确定度。其测量不确定度。表表2-2摘录了摘录了15等量块的测量不确定度和长度变动量的等量块的测量不确定度和长度变动量的部分数值。部分数值。包含检定时的测量误差包含检定时的测量误差74.4.量块的特性和使用量块的特性和使用 特性：特性：稳定性、耐磨性、准确性、研合性（两个量块测量面相互接触，稳定性、耐磨性、准确性、研合性（两个量块测量面相互

8、接触，贴附在一起的性质）。贴附在一起的性质）。使用：使用：量块是定尺寸量具，成组使用。量块是定尺寸量具，成组使用。GB/T 6093-2001规定：我国成套生产的量块共有规定：我国成套生产的量块共有17种套别，每套的块种套别，每套的块数为数为91、83、46、12、10、8、6、5等。等。以以83块一块一套为例套为例例如：例如：28.7851.005 27.781.28 26.56.5 20应尽量减少量块应尽量减少量块组的量块数目。组的量块数目。38.93536.745练习：练习：8二、角度传递系统二、角度传递系统 角度单位：角度单位：弧度弧度(rad).(rad).度度().).分分().)

9、.秒秒(“).).定义：定义：一个圆周角为一个圆周角为360。角度基准：分度盘或多面棱体角度基准：分度盘或多面棱体角度量具：角度量块、测角仪、分度头角度量具：角度量块、测角仪、分度头量值传递系统量值传递系统9第三节第三节 测量仪器与测量方法的分类测量仪器与测量方法的分类一、测量仪器的分类一、测量仪器的分类测量仪器（计量器具）：测量仪器（计量器具）：是指单独地或连同辅助设备一起用是指单独地或连同辅助设备一起用以进行测量的器具。以进行测量的器具。1.实物量具：实物量具：指使用时以固定形态复现或提供给定量的一指使用时以固定形态复现或提供给定量的一个或多个已知值的器具，如量块、线纹尺、直角尺等。个或多

10、个已知值的器具，如量块、线纹尺、直角尺等。2.极限量规：极限量规：一种没有刻度的专用检验工具。一种没有刻度的专用检验工具。3.显示式测量仪器（指示式测量仪器）：显示式测量仪器（指示式测量仪器）：指显示示值的测指显示示值的测量仪器量仪器。如模拟电压表、数字频率计和千分尺等。如模拟电压表、数字频率计和千分尺等。4.测量系统：测量系统：指组装起来以进行特定测量的全套测量仪器指组装起来以进行特定测量的全套测量仪器和其他设备。固定安装着的测量系统称为测量装备。和其他设备。固定安装着的测量系统称为测量装备。一般可分为：一般可分为：10一、测量仪器的分类一、测量仪器的分类几何量测量仪器按结构的特点可分为：几

11、何量测量仪器按结构的特点可分为：u游标式测量仪器：游标式测量仪器：游标卡尺、游标深度尺以及游标量角器等。游标卡尺、游标深度尺以及游标量角器等。u微动螺旋副式测量仪器：微动螺旋副式测量仪器：外径千分尺、内径千分尺等。外径千分尺、内径千分尺等。u机械式测量仪器：机械式测量仪器：百分表、千分表、杠杆比较仪以及扭簧比较百分表、千分表、杠杆比较仪以及扭簧比较仪等。仪等。u光学机械式测量仪器：光学机械式测量仪器：光学计、测长仪、投影仪以及干涉仪等。光学计、测长仪、投影仪以及干涉仪等。u气动式测量仪器：气动式测量仪器：压力式气动量仪、流量计式气动量仪等。压力式气动量仪、流量计式气动量仪等。u电学式测量仪器：

12、电学式测量仪器：电感比较仪、电动轮廓仪等。电感比较仪、电动轮廓仪等。u光电式测量仪器：光电式测量仪器：激光干涉仪、激光准直仪、光栅测长机、光激光干涉仪、激光准直仪、光栅测长机、光纤传感器等。纤传感器等。111213二、测量方法的分类二、测量方法的分类1.直接测量：直接测量：指不需要将被测量与其他实测量进行一定函数关系的辅助指不需要将被测量与其他实测量进行一定函数关系的辅助计算而直接得到被测量值的测量。直接测量又可分为绝对测量和相对测量。计算而直接得到被测量值的测量。直接测量又可分为绝对测量和相对测量。绝对测量：绝对测量：直接测得参数的量值。直接测得参数的量值。相对测量：相对测量：相对于基准量的

13、偏差。相对于基准量的偏差。2.间接测量间接测量：指通过直接测量与被测参数指通过直接测量与被测参数有已知函数关系有已知函数关系的其他量而得的其他量而得到该被测参数量值的测量。到该被测参数量值的测量。例如测量圆柱零件的直径时，可先测出圆周长度例如测量圆柱零件的直径时，可先测出圆周长度L，然后通过然后通过D=L/计算被测零件的直径，计算被测零件的直径，3.综合测量：综合测量：指同时测量工件上的几个有关参数综合地判断工件是指同时测量工件上的几个有关参数综合地判断工件是否合格。否合格。4.单项测量：单项测量：指单个地彼此没有联系地测量工件的单项参数。指单个地彼此没有联系地测量工件的单项参数。14间接测量

14、举例间接测量举例用用“弦高法弦高法”测量大尺寸圆柱体的直径，由弦长测量大尺寸圆柱体的直径，由弦长L与弦高与弦高H的测量结果，可求得直径的测量结果，可求得直径D的实际值。的实际值。HHLD4215测量方法的分类测量方法的分类5.接触测量：接触测量：指仪器的测量头与被测零件表面直接接触，并有机械作用指仪器的测量头与被测零件表面直接接触，并有机械作用的测力存在。的测力存在。6.不接触测量：不接触测量：指仪器的传感部分与被测零件表面间不接触。指仪器的传感部分与被测零件表面间不接触。7.在线测量：在线测量：指零件在加工中进行的测量，能及时防止和消灭废品。指零件在加工中进行的测量，能及时防止和消灭废品。8

15、.离线测量：离线测量：指零件加工完后在检验站进行的测量。指零件加工完后在检验站进行的测量。9.静态测量：静态测量：指被测表面与测量头相对静止，没有相对运动。指被测表面与测量头相对静止，没有相对运动。10.动态测量：动态测量：指被测表面与测头之间有相对运动。它能反映被测参数指被测表面与测头之间有相对运动。它能反映被测参数的变化过程。的变化过程。在线测量在线测量和和动态测量动态测量是测量技术的主要发展方向。在线测量能将加是测量技术的主要发展方向。在线测量能将加工和测量紧密结合起来，从根本上改变测量技术的被动局面；动态工和测量紧密结合起来，从根本上改变测量技术的被动局面；动态测量能较大的提高测量效率

16、和保证测量准确度。测量能较大的提高测量效率和保证测量准确度。16第四节第四节 测量技术的部分常用术语测量技术的部分常用术语1.标尺间距（刻度）：标尺间距（刻度）：仪器刻度标尺或刻度盘上两相邻刻线中心线间的实仪器刻度标尺或刻度盘上两相邻刻线中心线间的实际距离。为便于读数，一般为际距离。为便于读数，一般为12.5mm。2.分度值（标尺间隔）：分度值（标尺间隔）：仪器标尺上每刻度间距所代表的被测量的量值。仪器标尺上每刻度间距所代表的被测量的量值。3.测量范围（工作范围）：测量范围（工作范围）：测量仪器所能测量的最大与最小的范围。测量仪器所能测量的最大与最小的范围。4.灵敏度：灵敏度：测量仪器的响应变

17、化值除以相应激励变化值。反映被测几何量微测量仪器的响应变化值除以相应激励变化值。反映被测几何量微小变化的能力。如果被测参数的变化为小变化的能力。如果被测参数的变化为 L，引起测量器具示值变化量为，引起测量器具示值变化量为 X，则灵敏度则灵敏度S=L/X。（放大比或放大倍数）。（放大比或放大倍数）分度值：分度值：1 m示值范围：示值范围：100 m测量范围：测量范围：0180mm17常用术语常用术语5.稳定性：稳定性：测量仪器保持其计量特性随时间恒定的能力。测量仪器保持其计量特性随时间恒定的能力。6.鉴别力阈：鉴别力阈：使测量仪器产生未察觉的响应变化的最大激励使测量仪器产生未察觉的响应变化的最大

18、激励变化。变化。(它是指当测量仪器在某一示值给以一定的输入，它是指当测量仪器在某一示值给以一定的输入，确定某激励值，这种激励再缓慢从同一方向逐步增加，开确定某激励值，这种激励再缓慢从同一方向逐步增加，开始为未察觉响应的变化，当测量仪器的输出开始有可觉察始为未察觉响应的变化，当测量仪器的输出开始有可觉察的响应变化时，读取该激励值，此输入的激励变化称为鉴的响应变化时，读取该激励值，此输入的激励变化称为鉴别力阈。别力阈。)7.分辨力：分辨力：指显示装置能有效辨别的最小的示值差。指显示装置能有效辨别的最小的示值差。8.测量结果的重复性：测量结果的重复性：在相同测量条件下，对同一被测量进在相同测量条件下

19、，对同一被测量进行连续多次测量所得结果之间的一致性。行连续多次测量所得结果之间的一致性。9.测量仪器的示值：测量仪器的示值：测量仪器所给出的量的值。测量仪器所给出的量的值。18常用术语常用术语10.测量仪器的示值误差：测量仪器的示值误差：测量仪器的示值与对应输入量测量仪器的示值与对应输入量的真值之差。的真值之差。11.测量仪器的最大允许误差：测量仪器的最大允许误差：对给定的测量仪器，规范、对给定的测量仪器，规范、规程等所允许的误差极限值。规程等所允许的误差极限值。12.修正值：修正值：用代数法与未修正测量结果相加，以补偿其用代数法与未修正测量结果相加，以补偿其系统误差的值。系统误差的值。修正值

20、等于负的系统误差。修正值等于负的系统误差。13.测量不确定度：测量不确定度：表示合理地赋予被测量之值的分散性，表示合理地赋予被测量之值的分散性，与测量结果相联系的参数。与测量结果相联系的参数。它是由于测量误差的存在而它是由于测量误差的存在而对被测几何量不能肯定的程度，对被测几何量不能肯定的程度，是定量说明测量结果的是定量说明测量结果的质量的一个参数。定义中的质量的一个参数。定义中的“相联系相联系”，意指测量不确，意指测量不确定度是一个与测量结果定度是一个与测量结果“在一起在一起”的参数，在测量结果的参数，在测量结果的完整表示中应包括测量不确定度。（恒为正值）的完整表示中应包括测量不确定度。（恒

21、为正值）19第五节第五节 常用长度测量仪器常用长度测量仪器机械式量仪：机械式量仪：杠杆齿轮式比较仪，扭簧比较仪杠杆齿轮式比较仪，扭簧比较仪电动式量仪：电动式量仪：电感比较仪电感比较仪气动式量仪：气动式量仪：流量计式气动量仪流量计式气动量仪光学机械式量仪：光学机械式量仪：几何光学类量仪：光学计和测长几何光学类量仪：光学计和测长仪，光波干涉类量仪：接触干涉仪和激光干涉仪仪，光波干涉类量仪：接触干涉仪和激光干涉仪20一、机械式量仪一、机械式量仪这类量仪是将测杆的上下微小直线移动，通过机械这类量仪是将测杆的上下微小直线移动，通过机械的传动与放大，转变为仪器指针的角位移，从而由指的传动与放大，转变为仪器

22、指针的角位移，从而由指针在刻度盘上指示出相应的示值。针在刻度盘上指示出相应的示值。1.杠杆齿轮比较仪杠杆齿轮比较仪测量时，测杆测量时，测杆1向上或向下移动，向上或向下移动，使杠杆短臂使杠杆短臂R4发生摆动。杠杆长臂发生摆动。杠杆长臂R3是一个扇形齿轮。当扇形齿轮摆是一个扇形齿轮。当扇形齿轮摆动时，带动小齿轮转动，从而使与动时，带动小齿轮转动，从而使与小齿轮固接的指针小齿轮固接的指针R1偏转并由刻偏转并由刻度盘度盘2进行读数。实现放大、传动进行读数。实现放大、传动被测量的目的。被测量的目的。212.扭簧比较仪扭簧比较仪结构：结构：仪器的主要元件是横截面为仪器的主要元件是横截面为0.01x0.25

23、mm且由中间向两端左、右扭且由中间向两端左、右扭曲而成的扭簧片曲而成的扭簧片3，它的一端连接在机壳的，它的一端连接在机壳的连接柱上，另一端连接在杠杆连接柱上，另一端连接在杠杆2的一个支臂的一个支臂上。杠杆上。杠杆2的另一端与测杆的另一端与测杆1的上部相接触。的上部相接触。指针指针4粘在扭簧片的中部。粘在扭簧片的中部。测量原理：测量原理：测量时，测杆测量时，测杆1向上或向下移向上或向下移动，推动杠杆动，推动杠杆2摆动，使扭簧摆动，使扭簧3被拉伸或者被拉伸或者缩短，从而使扭簧转动引起指针偏转，并缩短，从而使扭簧转动引起指针偏转，并在刻度盘在刻度盘5上进行读数。上进行读数。22二、电动式量仪二、电动

24、式量仪电动式量仪是将微小直线位移转变成电阻、电容或电感电动式量仪是将微小直线位移转变成电阻、电容或电感量的变化，经电路放大处理后变为电流或电压输出，由表头量的变化，经电路放大处理后变为电流或电压输出，由表头或数显器给出读数。或数显器给出读数。电感比较仪电感比较仪 在线圈架的中部绕有初级线圈在线圈架的中部绕有初级线圈1，线圈，线圈架的两端绕有次级线圈架的两端绕有次级线圈2和和3，当，当1通以一定通以一定频率的交流电后，在频率的交流电后，在2和和3中将产生感应电势。中将产生感应电势。测量时，若衔铁测量时，若衔铁4处在中间位置，则处在中间位置，则2和和3中中所产生的感应电势所产生的感应电势U2和和U

25、3相等，其电位差为相等，其电位差为零，即零，即U出出=0。当测杆随零件尺寸变化而移。当测杆随零件尺寸变化而移动时，衔铁动时，衔铁4不在中间位置。因此不在中间位置。因此2和和3所产所产生的感应电势生的感应电势U2和和U3不相等，电位差不再为不相等，电位差不再为零，有信号输出，从而将直线位移转变成电零，有信号输出，从而将直线位移转变成电信号。信号。23三、气动式量仪三、气动式量仪流量计式气动量仪流量计式气动量仪气动量仪是根据流体力学的原理，用压缩空气作气动量仪是根据流体力学的原理，用压缩空气作介质，将微小直线位移转变成气体的压力变化或流量介质，将微小直线位移转变成气体的压力变化或流量变化，用流量计

26、或压力计进行读数的仪器。变化，用流量计或压力计进行读数的仪器。清洁、干燥和恒压的空气由锥形玻璃管下清洁、干燥和恒压的空气由锥形玻璃管下端引入，经浮标与玻璃管间的间隙，由锥形玻璃端引入，经浮标与玻璃管间的间隙，由锥形玻璃管上端经连接软管再由测量喷嘴进入大气。测量管上端经连接软管再由测量喷嘴进入大气。测量时，工件尺寸发生变化，使测量喷嘴与工件间的时，工件尺寸发生变化，使测量喷嘴与工件间的间隙间隙S发生变化。因而使流过喷嘴的气体流量发生变化。因而使流过喷嘴的气体流量Q也发生变化，从而引起浮标位置发生变化。当流也发生变化，从而引起浮标位置发生变化。当流过浮标与锥形管间的空气流量与从测量喷嘴流出过浮标与

27、锥形管间的空气流量与从测量喷嘴流出的空气流量相等时，浮标就停止不动。此时可从的空气流量相等时，浮标就停止不动。此时可从浮标相对于玻璃管上的刻度尺的位置进行读数。浮标相对于玻璃管上的刻度尺的位置进行读数。24四、光学机械式量仪四、光学机械式量仪光学机械式量仪可分为光学机械式量仪可分为几何光学式量仪几何光学式量仪和和光波干涉式光波干涉式量仪量仪(或物理光学式量仪或物理光学式量仪)。1.几何光学式量仪几何光学式量仪几何光学式量仪是将微小的长度量或物体经光学方法几何光学式量仪是将微小的长度量或物体经光学方法放大以后，进行读数或瞄准的量仪。按几何光学的原放大以后，进行读数或瞄准的量仪。按几何光学的原理这

28、类仪器又可分为理这类仪器又可分为望远镜式（光学计）望远镜式（光学计）和和显微镜式显微镜式（测长仪）（测长仪）。光学计有立式光学计和卧式光学计，其光学原理属光学计有立式光学计和卧式光学计，其光学原理属于望远镜类，即物镜的像方焦点和目镜的物方焦点重于望远镜类，即物镜的像方焦点和目镜的物方焦点重合。合。(1)立式光学计立式光学计25(1)光学计原理光学计原理物镜像方焦点物镜像方焦点c发出的光，经物镜后变成平行光发出的光，经物镜后变成平行光到达平面反射镜到达平面反射镜P。若反射镜与主光轴垂直，则经平。若反射镜与主光轴垂直，则经平面反射镜反射的光由原路回到发光点面反射镜反射的光由原路回到发光点c，即发光

29、点与，即发光点与像点像点c重合。若平面反射镜重合。若平面反射镜P与主光轴不垂直而偏转与主光轴不垂直而偏转一个一个 角，则反射光束与入射光束间的夹角为角，则反射光束与入射光束间的夹角为2，反，反射光束返射后汇聚于像点射光束返射后汇聚于像点c”。c与与c”之间的距离为：之间的距离为：2tanfcc tanbs 反射镜的偏转由光学计的测杆来推动。测杆的一端与平面反射镜反射镜的偏转由光学计的测杆来推动。测杆的一端与平面反射镜P相相接触，测量时，随着工件尺寸变化，测杆推动反射镜接触，测量时，随着工件尺寸变化，测杆推动反射镜P绕支点绕支点o摆动。当摆动。当测杆移动一个距离测杆移动一个距离s，反射镜，反射镜

30、P偏转一个偏转一个 角，则其关系为：角，则其关系为：这样测杆的微小移动这样测杆的微小移动s就可通过正切杠杆机构和自准直光管构成的就可通过正切杠杆机构和自准直光管构成的光杠杆原理，实现将微小位移进行放大，其放大倍数为：光杠杆原理，实现将微小位移进行放大，其放大倍数为：tan2tanbfsccK 当当 很小时，且很小时，且f=200mm，b=5mm，则，则K=80。由于光学计的目镜放大倍数为由于光学计的目镜放大倍数为12，故光学计总放大倍数为，故光学计总放大倍数为960倍。倍。26(2)卧式测长仪卧式测长仪测长仪有卧式和立式两种，其测量部件原理相同。测长仪有卧式和立式两种，其测量部件原理相同。卧式

31、测长仪原理：卧式测长仪原理：工件工件1安装在尾座安装在尾座4中的测砧中的测砧6与测座与测座7中的测轴中的测轴5之间，其尺寸由之间，其尺寸由读读数显微镜数显微镜3读出。读出。5上安装有一只上安装有一只100mm长的毫米刻度尺长的毫米刻度尺2，3将将2刻线刻线放大，并用平面螺旋线原理进行细分读数。放大，并用平面螺旋线原理进行细分读数。显微镜的光学原理：显微镜的光学原理：显微镜的物镜为显微镜的物镜为4，目镜为，目镜为5，光源，光源6发出的光照亮刻度尺发出的光照亮刻度尺3，3上的两条相邻毫上的两条相邻毫米刻线经米刻线经4成像以后正好等于固定分划板成像以后正好等于固定分划板2上的上的10个刻线间距，因此

32、个刻线间距，因此2上的每个刻线上的每个刻线间距代表间距代表0.1mm。图中。图中1是刻有双刻线的是刻有双刻线的平面平面螺旋线分划板。该分划板可以转动，并在内圆周上均螺旋线分划板。该分划板可以转动，并在内圆周上均匀地刻有匀地刻有100条刻线，平面螺旋线的螺距与条刻线，平面螺旋线的螺距与2上的刻线上的刻线间距相等。因此也代成间距相等。因此也代成0.1mm。27(2)测长仪原理测长仪原理显微镜的光学原理：显微镜的光学原理：测量时，用目镜测量时，用目镜5观察，可见到观察，可见到3组刻线：刻度尺组刻线：刻度尺3上分度值为上分度值为1mm的刻线；固定分划板的刻线；固定分划板2上分度值为上分度值为0.1mm

33、的刻线和平面螺旋线及其上的圆周刻线。的刻线和平面螺旋线及其上的圆周刻线。先读毫米读数先读毫米读数如图中的如图中的46，然后按毫米刻线，然后按毫米刻线(如如46)在固定分划板在固定分划板2上的位置读出零点几毫米的数上的位置读出零点几毫米的数(如如0.3)，最后转动小滚花轮，最后转动小滚花轮7即平面螺旋线分划板即平面螺旋线分划板1，使平面螺旋线的双线将毫米刻度尺刻线夹住，再从圆使平面螺旋线的双线将毫米刻度尺刻线夹住，再从圆周分度上读出尾数周分度上读出尾数(如如62 m)。读数方法：读数方法：46.362mm显微镜读数装置应用较广，除在测长仪上应用外，在比长仪上、显微镜读数装置应用较广，除在测长仪上

34、应用外，在比长仪上、凸轮轴检查仪上以及万能工具显微镜上均有应用。凸轮轴检查仪上以及万能工具显微镜上均有应用。282.光波干涉式量仪光波干涉式量仪这类量仪主要利用光的分振幅法将同一光源的光分成两束，一束为这类量仪主要利用光的分振幅法将同一光源的光分成两束，一束为参考光，另一束为测量光，两束光相遇后发生干涉。由于测量光束的光参考光，另一束为测量光，两束光相遇后发生干涉。由于测量光束的光程随被测工件尺寸变化而变化，因此两光束相遇后光程差也发生变化，程随被测工件尺寸变化而变化，因此两光束相遇后光程差也发生变化，干涉条纹将产生移动。通过测量干涉条纹的移动距离干涉条纹将产生移动。通过测量干涉条纹的移动距离

35、(或干涉条纹移过或干涉条纹移过的数目的数目)即可测得微小直线位移。即可测得微小直线位移。接触干涉仪接触干涉仪光源光源1发出的光经聚光镜发出的光经聚光镜2、滤色片安装孔、滤色片安装孔3射入分光镜射入分光镜4。光束从分光镜上分成两束：一束。光束从分光镜上分成两束：一束透过透过4、补偿镜、补偿镜5到达和仪器测杆相连的反射镜到达和仪器测杆相连的反射镜6，然后从反射镜反射按原光路回到然后从反射镜反射按原光路回到4，形成，形成测量光测量光束束；另一束光在；另一束光在4上反射至参考镜上反射至参考镜7，再由参考镜，再由参考镜7反射回反射回4，形成，形成参考光束参考光束。此两束光相遇后产生。此两束光相遇后产生干

36、涉。从目镜干涉。从目镜10中即可看到干涉条纹。中即可看到干涉条纹。29接触干涉仪接触干涉仪测量开始时，先将滤色片测量开始时，先将滤色片(已知标准已知标准波长波长)装于安装孔装于安装孔3上，然后调整反射镜上，然后调整反射镜7与光轴的倾角，从而调整干涉条纹的宽与光轴的倾角，从而调整干涉条纹的宽度和方向，并可定出在此状态下刻度尺度和方向，并可定出在此状态下刻度尺9的分度值。取下滤色片，再用白光照明，的分度值。取下滤色片，再用白光照明，此时在目镜中可看到彩色干涉条纹。其此时在目镜中可看到彩色干涉条纹。其中，零级干涉条纹是一条黑线，则以此中，零级干涉条纹是一条黑线，则以此黑线作为仪器指针进行读数。由上述

37、光黑线作为仪器指针进行读数。由上述光学系统可知，这种仪器是按学系统可知，这种仪器是按迈克尔逊迈克尔逊干涉仪原理干涉仪原理设计的。设计的。301.莫尔条纹莫尔条纹光栅在几何量计量中应用愈来愈广。这里主要指计量光栅，这种光栅光栅在几何量计量中应用愈来愈广。这里主要指计量光栅，这种光栅一般分为长光栅和圆光栅。长光栅相当于一根线纹密度较大的刻度尺，通一般分为长光栅和圆光栅。长光栅相当于一根线纹密度较大的刻度尺，通常每常每1mm刻刻25条、条、50条或条或100条刻线。圆光栅相当于线纹密度大的分度条刻线。圆光栅相当于线纹密度大的分度盘，一般在一个圆周上刻上盘，一般在一个圆周上刻上 5400条、条、108

38、00条或条或21600条刻线。条刻线。将两块栅距相同的长光栅将两块栅距相同的长光栅(或圆光栅或圆光栅)叠放在一起，使两光栅保持叠放在一起，使两光栅保持0.010.1mm的间距，并使两块光栅的线纹相的间距，并使两块光栅的线纹相交一个很小角度，即得如图交一个很小角度，即得如图a所示的莫尔所示的莫尔条纹。条纹。从几何学的观点来看，莫尔条纹就是从几何学的观点来看，莫尔条纹就是同类同类(明的或暗的明的或暗的)线纹交点的连线。由于线纹交点的连线。由于光栅的衍射现象，实际得到的莫尔条纹如光栅的衍射现象，实际得到的莫尔条纹如图图b所示。所示。第六节第六节 坐标测量机中的光栅与激光测量原理坐标测量机中的光栅与激

39、光测量原理一、光栅装置一、光栅装置311.莫尔条纹莫尔条纹BWtanWB1 很小很小由于由于 角是一个很小的数，因而角是一个很小的数，因而1/是一个较大的是一个较大的数。这样测量莫尔条纹宽度就比测量光栅线纹宽度容易数。这样测量莫尔条纹宽度就比测量光栅线纹宽度容易得多，由此可知莫尔条纹起着放大作用。得多，由此可知莫尔条纹起着放大作用。当两光栅尺在当两光栅尺在X方向产生相对移动时，莫尔条纹在方向产生相对移动时，莫尔条纹在大约与大约与X相垂直的相垂直的Y方向也产生移动。当光栅移动一个方向也产生移动。当光栅移动一个栅距时，莫尔条纹随之移动一个条纹间距。当光栅尺按栅距时，莫尔条纹随之移动一个条纹间距。当

40、光栅尺按相反方向移动时，莫尔条纹的移动方向也相反。相反方向移动时，莫尔条纹的移动方向也相反。莫尔条纹还具有平均作用。每条莫尔条纹都是由许多光栅线纹的交点莫尔条纹还具有平均作用。每条莫尔条纹都是由许多光栅线纹的交点组成，当线纹中有一条线纹有误差时组成，当线纹中有一条线纹有误差时(间距不等、歪斜或弯曲间距不等、歪斜或弯曲)，这条有误，这条有误差的线纹和另一光栅线纹的交点位置将产生变化。但是一条莫尔条纹是由差的线纹和另一光栅线纹的交点位置将产生变化。但是一条莫尔条纹是由许多光栅线纹的交点组成，因此一条线纹交点的位置变化对一条莫尔条纹许多光栅线纹的交点组成，因此一条线纹交点的位置变化对一条莫尔条纹来说

41、影响就非常小，因而莫尔条纹具有平均效应。来说影响就非常小，因而莫尔条纹具有平均效应。322.计数原理计数原理光栅计数装置种类较多，读数头结构、细分方法等也各不相同。图光栅计数装置种类较多，读数头结构、细分方法等也各不相同。图a是是一种简单的光栅头示意图，图一种简单的光栅头示意图，图b是其数显装置。是其数显装置。光源光源1发出的光经发出的光经透镜透镜2成成一束平行光，这束光穿过一束平行光，这束光穿过标尺光栅标尺光栅4和和指示光栅指示光栅3后形成莫尔条纹。在指示后形成莫尔条纹。在指示光栅后安放一个光栅后安放一个四分硅光电池四分硅光电池5。调整指示光栅相对于标尺光栅的夹角。调整指示光栅相对于标尺光栅

42、的夹角，使条纹宽度使条纹宽度B等于四分硅光电池的宽度，当莫尔条纹信号落到光电池上后，等于四分硅光电池的宽度，当莫尔条纹信号落到光电池上后，则由四分硅光电池引出则由四分硅光电池引出4路光电信号，且相邻两信号的相位相差路光电信号，且相邻两信号的相位相差90。当标。当标尺光栅相对于指示光栅移动时，可逆计数器就能进行计数。其计数电路方尺光栅相对于指示光栅移动时，可逆计数器就能进行计数。其计数电路方框图如图框图如图3-17所示。所示。33计数电路方框图计数电路方框图由硅光电池引出的由硅光电池引出的4路信号分别送入两个差动放大器，然后差动放大器路信号分别送入两个差动放大器，然后差动放大器分别输出相位相差分

43、别输出相位相差90 的两路信号，再经整形、倍频和微分后，经门电路到的两路信号，再经整形、倍频和微分后，经门电路到可逆计数器，最后由数字显示器显示出两光栅尺相对移动的距离。工作时，可逆计数器，最后由数字显示器显示出两光栅尺相对移动的距离。工作时，标尺光栅和指示光栅分别安装在仪器的固定部件和运动部件上，可代替光标尺光栅和指示光栅分别安装在仪器的固定部件和运动部件上，可代替光学标尺。学标尺。34直角棱镜由直角棱镜由4个面组成，其中个面组成，其中abd，acd和和bdc三三个反射面彼此相互垂直，个反射面彼此相互垂直，d为锥顶，为锥顶，abc是入射面是入射面（也是出射面）。（也是出射面）。当光束当光束A

44、由由abc面射入，经面射入，经acd，abd和和bcd三个面三个面三次反射后，由三次反射后，由abc面射出。这种立体直角棱镜能保面射出。这种立体直角棱镜能保证入射光证入射光A和出射光和出射光B平行，因而降低了对导轨直线平行，因而降低了对导轨直线度的要求。度的要求。这种仪器和接触干涉仪的原理是相同的。这种仪器和接触干涉仪的原理是相同的。由于激光的干涉长度大，故可测范围也大，为由于激光的干涉长度大，故可测范围也大，为使反射镜的移动不因导轨的误差而影响正常的使反射镜的移动不因导轨的误差而影响正常的工作，因此将接触干涉仪的平面反射镜工作，因此将接触干涉仪的平面反射镜7和和6改改成立体直角棱镜，并取消了

45、补偿镜成立体直角棱镜，并取消了补偿镜5。立体直角棱镜立体直角棱镜二、激光装置二、激光装置35激光测长机激光测长机JDJ1000型激光测长机光型激光测长机光路路从从氨氖激光器氨氖激光器5射出的光束经射出的光束经反射镜反射镜6、7到到达达准直光管准直光管8。从。从8射出的光经射出的光经移相分光镜移相分光镜10分分成两束：一束光由移相分光镜反射，经成两束：一束光由移相分光镜反射，经反射镜反射镜3、光楔光楔2到到固定立体直角棱镜固定立体直角棱镜1，再由，再由1经原光路返经原光路返回到回到10，形成参考光束；另一束光透过，形成参考光束；另一束光透过10到达到达活动立体直角棱镜活动立体直角棱镜12(它随测

46、座移动它随测座移动)，再经，再经12返回到返回到10。两束光相遇后在。两束光相遇后在10上透射和反射，上透射和反射，从而在分光镜前、后形成两组干涉条纹。通过控从而在分光镜前、后形成两组干涉条纹。通过控制制10的镀膜层厚度，可使两干涉条纹相位相差的镀膜层厚度，可使两干涉条纹相位相差90，并分别由，并分别由光电三极管光电三极管9，11接收，将光信接收，将光信号转变成电信号输入计数器电路，最后显示出号转变成电信号输入计数器电路，最后显示出12的直线位移量。图中的的直线位移量。图中的光电三极管光电三极管4用于接受激用于接受激光光强变化信息，用于激光器的稳频。光光强变化信息，用于激光器的稳频。上述单频激

47、光干涉法常受一些不利因素的影响上述单频激光干涉法常受一些不利因素的影响(如稳频状况、测量环境如稳频状况、测量环境变化等变化等)，因此。双频激光干涉仪也得到广泛应用，特别是对较大尺寸的测，因此。双频激光干涉仪也得到广泛应用，特别是对较大尺寸的测量，由于它采用差频信号、交流放大，因而可在车间环境下工作。量，由于它采用差频信号、交流放大，因而可在车间环境下工作。36第七节第七节 探针扫描显微镜简介探针扫描显微镜简介 1982 1982年，年，IBMIBM瑞士苏黎士实验室的葛瑞士苏黎士实验室的葛宾尼宾尼（G GBinningBinning）和海）和海罗雷尔（罗雷尔（H HRohrerRohrer）研制

48、）研制出世界上第一台扫描隧道显微镜（出世界上第一台扫描隧道显微镜（Scanning Scanning Tunneling MicroTunneling Microscopescope，简称，简称STMSTM）。）。STMSTM使人使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为排列状态和与表面电子行为，在表面科学、材料，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用前景，被国际科学界公认为和广泛的应用前景，被国际科学界公认为2020世纪世纪8080年代世界十大科技成

49、就之一。为表彰年代世界十大科技成就之一。为表彰STMSTM的发明的发明者们对科学研究所作出的杰出贡献，者们对科学研究所作出的杰出贡献，19861986年宾尼年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖金。和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖金。1.隧道显微镜隧道显微镜STMn 扫描隧道显微镜的扫描隧道显微镜的基本原理基本原理是将极细探针和是将极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近（大约为的距离非常接近（大约为0.30.31.0nm1.0nm）时，在外）时，在外加偏置电压的作用下，电子会穿过两个电极之间加偏置电压的作用下，电子会穿过两个电极之间

50、的势垒流向另一电极。也就是说电子就可以因量的势垒流向另一电极。也就是说电子就可以因量子隧道效应由针尖（或样品）转移到样品（或针子隧道效应由针尖（或样品）转移到样品（或针尖），在针尖与样品之间形成隧道电流尖），在针尖与样品之间形成隧道电流.1.隧道显微镜隧道显微镜STM39 02224kbaeUdkhej 势势垒垒高高度度。隧隧道道间间隙隙；偏偏置置电电压压；为为系系数数；、电电子子电电量量；普普朗朗克克常常数数；数数；针针尖尖样样品品的的平平均均功功函函 ddUkkehba0 隧道电流隧道电流j j：1.隧道显微镜隧道显微镜STM a)a)恒电流模式：恒电流模式：n恒电流模式中，恒电流模式中，