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1、第七章 长度量测量,天津大学精密仪器与光电子工程学院,史记： “禹，左准绳，右规矩” “身为度，称以出。”,商代，象牙尺,晋书舆服志： “记里鼓车，驾四。形制如司南。 其中有木人执槌向鼓，行一里则打一槌。”,古埃及： 肘尺是以胳臂定为一个基本的长度单位。 象形文字“肘尺”就是形象地画出了胳臂之长 金字塔其底是正方形的，每边长500肘尺。,古埃及测量长度的尺,尼罗河水高度测量的水井,第一节 概述,米的定义 长度量值传递系统 长度测量的标准量 长度测量的基本原则 长度测量的标准测量环境,米的定义,长度计量单位 布指知寸，布手知尺，舒肘知寻。 十尺为丈，人长八尺。 腕尺：约合5253厘米，与从手的中
2、指尖到肘之间的长度有密切关系。 英寸：从大麦穗中间选择三粒最大的麦粒并依次排成一行的长度就是一英寸。,米的定义,米的由来 1790年法国科学院提出“米制”的建议 天文地理基准：1791年，法国国民议会决定采用经过巴黎的地球子午线自北极到赤道这一段弧长的一千万分之一 为长度单位 1959年国务院确定以公制为我国基本计量制度，规定“米”为我国的长度单位,米的定义,实物基准：1889年第一届国际计量大会上将“米”定义为“0时，巴黎国际计量局的截面为X形的铂铱合金两端刻线记号间的距离” 。 不确定度1.110-7,米的定义,光波基准：1960年，在第11届国际计量大会上，把米的定义改为： 氪86(86
3、Kr)原子的2p10 和 5d5能级之间跃迁所对应的辐射在真空中的波长 (0.6057 m) 的1,650,763.73倍 自然基准，不确定度2.510-8,米的定义,光束基准：1983年10月第17届国际计量大会通过了米的新定义：光在真空中于1/299 792 458 秒的时间间隔内所行进的路程长度。 基准为基本的物理常数 长度与时间的结合，通过更准确的时间计量可以提高长度计量的准确度。,米的定义的复现,国际计量委员会推荐米可以通过时间法、辐射法和频率法来复现。 时间法，利用光行进的时间来测量长度，主要用于天文学和大地测量学。 辐射法，1993年国际计量委员会推荐了8种稳频激光器辐射的标准谱
4、线频率(波长)值，作为复现米定义的国际标准。 频率法，利用光的频率来测量其真空波长，故在准确度方面潜力很大。1999年，飞秒光梳技术的发明给光学频率测量研究带来了革命性的突破，获得了2005年诺贝尔物理奖。,米的定义的复现,我国常用的是碘吸收633nm氦氖激光器,不确定度2.510-11。 以铯原子喷泉钟微波频标为参考的激光频率的绝对测量。2010年， 频率不确定度达到1.510-15,长度量值传递系统,把测得的尺寸与基准长度联系起来，以保证长度量值的统一和准确，这种联系渠道称为量值传递系统 量值传递的基本方法：高一级精度的仪器设备对低一级精度的仪器设备进行量值传递,激光波长,量块 线纹尺,量
5、具 测量仪器,被测工件,长度量值传递系统,高一级精度,低一级精度,长度测量的标准量,光波波长 He-Ne: =632.8nm 线纹尺刻度 量块的长度 光栅、容栅的栅距 精密丝杠的螺距,长度测量的标准量线纹尺,用金属或玻璃制成、表面上准确地刻有等间距平行线的长度测量和定位元件，也称刻线尺。,长度测量的标准量线纹尺,线条间距：1毫米或0.1毫米。 规格：100、200、300、500和1000毫米。 基准线纹尺的允许检定误差为0.2微米/米；工作线纹尺的刻线精度可达1微米/毫米。,长度测量的标准量量块,量块是应用最广泛的实物基准之一。量块经常用于长度尺寸的检定和相对测量。国家标准对量块的材料、形状
6、、表面粗糙度以及中心尺寸长度的制造精度、检定精度均有明确的规定。 量块成套制造和出售，每套量块的块数有91、83、46等多种，不同套别中量块的尺寸也不相同。 量块的研合特性可将不同尺寸的量块组合成所需要的各种尺寸。,长度测量的标准量量块,按级使用 量块的长度变动量：在量块测量面上任意点长度中最大值与最小值之差的绝对值。 根据量块实测长度对其标称长度偏差和长度变动量允许值大小的不同，量块分为K、0、1、2、3共5个不同的级别。,长度测量的标准量量块,按“级”使用，应以量块标称长度作为工作尺寸。显然，该尺寸包含了量块的实际制造误差。如40mm的量块，1级：按级使用将带入制造误差，结果： 400.0
7、004mm。,长度测量的标准量量块,按等使用 量块长度测量的不确定度U：量块长度测得的实际值L与其真值X接近程度的范围：U=LX 。 按照量块长度测量不确定度允许值和长度变动量允许值的大小分为l、2、3、4、5共5个不同的等别。,长度测量的标准量量块,按“等”使用，应以经检定后所给出的量块中心长度的实测值作为工作尺寸。如40mm的量块，3等：按等使用将带入检定误差。若检定值为40.0001，则按实际尺寸用，结果：40.00010.00015mm,长度测量的标准量栅距,光栅 示值精度较高，但对测量环境要求较苛刻，特别是对温度及油污、灰尘较敏感。,很大的放大倍数 误差平均作用，实现很高的测量精度和
8、很小的分辨率,长度测量的标准量栅距,光栅 透射式光栅 反射式光栅,长度测量的标准量栅距,容栅 基于变面积工作原理。具有体积小、抗干扰能力强、造价低的特点，有中等精度的产品，也有较高精度的品种,长度测量的标准量栅距,磁栅 易受外界磁场的影响，应注意屏蔽,长度测量的标准量栅距,感应同步器 抗干扰能力很强，对使用环境的要求较低。,长度测量的基本原则,阿贝原则 基准统一原则 变形最小原则 测量链最短原则,长度测量的基本原则,阿贝原则 1890年，阿贝（Abbe）提出了一条长度尺寸测量的指导性原则 被测件的尺寸线（被测线）应和仪器中作为读数用的标准刻度线（标准线）重合或顺次排成一条直线，即被测线和标准线
9、共线。,长度测量的基本原则,阿贝原则,长度测量的基本原则,阿贝原则 在实际测量工作中，有时很难遵守阿贝原则。 测量长度尺寸比较大的工件时，若要遵守阿贝原则，则仪器的长度就必须大于两倍工件的长度，这给仪器制造、安装带来很多不便。 对于三坐标测量机这类多自由度测量仪器，很难做到各个坐标方向都能遵守阿贝原则。,那些轴满足阿贝原则？那些轴不满足阿贝原则？,长度测量的基本原则,阿贝原则,为减小因不遵循阿贝原则而引起的测量误差，可采取以下措施 尽可能减小被测线和标准线之间的距离，并保证它们之间平行 提高仪器导轨的精度 跟踪测量导轨的偏移并进行补偿,长度测量的基本原则,测量基准统一原则 指在测量时所选定的测
10、量基准应该和设计时选定的设计基准、加工时选定的加工基准及装配时选定的安装基准一致，以避免因基准不同而产生的附加误差。,长度测量的基本原则,变形最小原则 由于环境温度的变化、测量力和自重的影响，被测件和测量仪器各结构部件会产生热变形和弹性变形，影响测量精度。因此，在测量过程中要求被测工件和测量仪器的变形最小。 测量链最短原则 对于一个精密测量仪器或测量系统，从感受被测量到结果显示装置，凡是直接与感受标准量和被测信息的有关组件，如被测件、标准件、传感元件、定位元件等均属测量链。要求组成测量链环节的组件数目应最少，即测量链最短。,长度测量的标准测量环境,测量环境的温度、湿度、气压、振动等因素均会引起
11、测量值的变化。因此，某被测量的测量结果应是相对于标准测量环境而言的，即： 环境温度(Environment Temperature)：20C 相对湿度(Relative Moisture)：50%60% 环境气压(Environment Pressure) ：0.1MPa 测量仪器远离振动源(Vibration Source) 若测量环境不处于标准状态，则应考虑环境因素引起的测量误差，或进行修正，或计入测量不确定度,第二节 长度尺寸测量,长度尺寸的测量涉及工件的长、宽、高、厚度及轴径、孔径等几何量值的测量。 长度测量方法的分类 直接测量、间接测量 原位测量、离位测量 在线测量、离线测量,绝对测
12、量 相对测量,直接测量绝对测量,卡尺 千分尺,直接测量绝对测量,测长机,工作台 被测件 测量头 测量轴 基准线纹尺 读数显微镜 配重,钢带 滑轮 透镜,光源 平衡锤 阻尼液压缸,直接测量绝对测量,激光干涉仪 以激光波长作为长度基准 激光波长稳定，无需校准 激光波长非常短，测量分辨率高 激光具有干涉特性,相位相同,相位相反,激光干涉仪,“增量法”测长 目标反射镜与被测对象固联 参考反射镜固定不动,迈克尔逊：（1852 -1931）,美国物理学家。设计了至今仍应用广泛的迈克尔逊干涉仪。荣获了1907年度的诺贝尔物理学奖,激光干涉仪,激光干涉仪,激光比长仪 采用激光干涉原理，实现线纹尺和光波波长比较
13、 实现自动测量 ，测量精度0.2m/m 瑞利干涉仪测量折射率 温度变换小于0.1,激光器 平行光管 反射镜 分光器 反射镜 固定角锥棱镜 可动角锥棱镜,移相板 分像棱镜组 光电显微镜 工作台 光电探测器 放大整形电路 计算机 光电探测器 差动放大电路 触发器,激光干涉仪,单频激光干涉仪 只能进行直流放大器，而不能使用交流放大器 外界干扰使干涉信号强度降低，落于计数触发电平之下。,在干涉仪的参考光路中引入一定频率的载波，被测信号通过这一载波来传递。,外差 干涉仪,激光干涉仪,外差干涉仪 测量镜静止时，光电探测器的输出信号为载波频率的交流信号 测量镜运动时，输出信号的频率只在某一范围内增加或减少
14、采用交流放大，隔绝外界环境干扰造成的直流电平漂移,激光干涉仪,外差干涉仪 载波信号产生方法：使参与干涉的两束光产生一个频率差，这样的两束光干涉会产生“光学拍”现象，转化为电信号得到差频信号。 “光学拍”干涉条件：两个振幅相同，振动方向相同，且在同一方向传播，频率接近的两单色光叠加,激光干涉仪,塞曼双频激光干涉仪,双频激光干涉仪,API公司 XD Laser激光干涉仪 线性：0.5ppm 测量范围：40米(1D可选80米) 线性分辨力：0.001um. 偏摆角和俯仰角的精度：(1.0+0.1/m)角秒或1%显示较大值 最大范围：800角秒 滚动角精度：1.0角秒 直线度精度：(1.0+0.2/m
15、)um或1%显示较大值 直线度最大范围：500um 垂直度精度：1角秒,工具显微镜,显微镜法是将被测件的尺寸、轮廓或用光干涉法产生的干涉条纹等，经过显微放大，以便于观察测量。,工具显微镜,中央显微镜,立柱,纵横向滑台,读数系统,工具显微镜,工具显微镜非接触瞄准系统,照明光路 工作台 被测工件 物镜 分划板 目镜,工具显微镜,工具显微镜非接触瞄准系统,照明光路 工作台 被测工件 物镜 分划板 目镜,工具显微镜,工具显微镜接触式瞄准系统,光学灵敏杠杆,直接测量相对测量,采用相对测量法的仪器测量得到的量值是被测量和定值标准量的差值,立式接触式干涉仪,高精度测微仪 根据干涉原理，将微小尺寸的变化转换成
16、干涉条纹的移动，读出干涉条纹的移动数，从而实现微小尺寸的测量,立式接触式干涉仪,测量时使用白光，即移出滤色片，使视场中出现零级黑条纹。,根据测头先后与标准件及被测件接触时零级条纹位置间的距离，即可测得被测量相对于标准量的偏差值。,立式接触式干涉仪,电容测微仪,电容传感器小孔径测量仪,直接测量,将被测量直接和标准量进行比较。可分为绝对测量和相对测量 绝对测量法：仪器示值为被测量的绝对值，常以刻度尺、光栅尺、波长等作为测量基准，一般具有绝对零位，示值范围较大。如游标卡尺、千分尺、测长仪、测长机、工具显微镜、激光干涉仪等。 相对测量法：仪器示值为被测量相对于某一定值标准量的偏差值。标准量应尽可能与被测量具有相同定义及公称值。用于相对测量的仪器多称作测微仪或比较仪，一般具有放大倍数大，示值范围较小、测量精度高、零位可调的特点。如杠杆百分表，立式光学计、接触式干涉仪、电容测微仪等。,间接测量,测量得到的量值是被测量有确定函数
