几何量计量的发展E

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1、几何量计量的发展Development of the Geometrical Measurement专 业 测控技术与仪器班 级 10 测控 1 班学 号 1010131116姓 名 周畅成 绩 教 师 杨 练 根 老 师2011 年 10月 11 日2目录1.摘要 . 32.计量学的历史 . 43.几何量计量的基本知识. 43.计量学的概念. 53.2 单位. 53.3 基本原则. 64.几何量计量的发展态势. 64.1 仪器. 114.2 技术. 145.参考文献. 15 3摘要：通过对国内外先进几何量计量仪器、技术的发展的初步了解，介绍几何量计量在高精度等方面的发展趋势，简单分析目前国内

2、几何量计量存在的主要问题以及发展前景。关键词：高精度 几何量计量 现状 发展趋势4引 言(一 )计 量 本 身 就 是 科 学 技 术 的 一 个 重 要 组 成 部 分 ， 科 学 生产 和 技 术 革 新 都 离 不 开 计 量 计 量 本 身 就 是 科 学 技 术 的 一 个 重 要 组 成 部 分 ， 事 物 都 是由 一 定 的 “量 ”组 成 ， 并 通 过 “量 ”来 体 现 ， 任 何 科 学 技 术 ，都 是 为 了 探 讨 、 分 析 、 研 究 、 掌 握 和 利 用 事 物 的 客 观 规 律 ，只 有 通 过 计 量 ， 认 识 “量 ”并 确 切 获 得 其 量

3、值 ， 才 能 对 事 物的 客 观 规 律 进 行 认 识 和 掌 握 。 从 经 典 的 牛 顿 力 学 到 现 代 的 量子 力 学 ， 各 种 定 律 、 定 理 ， 都 是 通 过 计 量 手 段 的 进 一 步 观 察 、分 析 、 研 究 、 推 理 和 实 际 验 证 才 被 揭 示 、 承 认 和 确 立 。 历 史 上 三 次 大 的 技 术 革 命 ， 都 充 分 地 依 靠 了 计 量 ，也 促 进 了 计 量 的 发 展 。 以 蒸 汽 机 的 广 泛 应 用 为 主 要 标 志 的 第一 次 技 术 革 命 ， 是 以 经 典 力 学 和 热 力 学 为 社 会 科

4、 技 发 展 的 重要 理 论 基 础 。 在 蒸 汽 机 的 研 制 和 应 用 的 过 程 中 ， 需 要 对 蒸 汽压 力 、 热 膨 胀 系 数 、 燃 料 的 燃 烧 效 率 、 能 量 的 转 换 等 进 行 大量 的 计 量 测 试 。 力 学 和 热 工 计 量 ， 就 是 在 这 种 情 况 下 发 展 起来 的 。 机 械 工 业 的 兴 起 ， 使 几 何 量 的 计 量 得 到 了 进 一 步 的 发展 。 以 电 的 产 生 和 应 用 为 基 本 标 志 的 第 二 次 技 术 革 命 ， 更 加推 动 了 社 会 生 产 的 发 展 。 欧 姆 定 律 、 法 拉

5、 第 电 磁 感 应 定 律 以及 麦 克 斯 韦 电 磁 波 理 论 等 理 论 ， 为 电 磁 现 象 的 深 入 研 究 和 广泛 应 用 、 电 磁 计 量 和 无 线 电 计 量 的 开 展 ， 提 供 了 重 要 的 理 论基 础 。 例 如 ， 爱 因 斯 坦 在 普 朗 克 假 说 的 基 础 上 ， 提 出 了 光 不5仅 具 有 波 动 性 ， 而 且 还 具 有 粒 子 性 ， 即 光 是 以 太 速 度 ， 上 述理 论 成 功 地 解 释 了 光 电 效 应 ， 成 了 热 辐 射 计 量 的 基 础 ， 同 时也 使 计 量 开 始 从 宏 观 进 入 微 观 领

6、域 。 随 着 量 子 力 学 、 核 物 理学 的 创 立 和 发 展 ， 电 离 辐 射 计 量 逐 渐 形 成 。 核 能 及 化 工 等 的开 发 与 应 用 ， 导 致 了 第 三 次 技 术 革 命 。 原 子 能 、 化 工 、 半 导体 、 电 子 计 算 机 、 超 导 、 激 光 、 遥 感 、 宇 航 等 新 技 术 的 广 泛应 用 ， 使 计 量 日 趋 现 代 化 ， 计 量 的 宏 观 实 物 基 准 逐 步 向 量 子(自 然 )基 准 过 渡 。 原 子 频 率 基 准 和 米 的 新 定 义 形 成 ， 频 率 和长 度 的 精 密 测 定 ， 促 进 了

7、现 代 科 技 的 发 展 。 比 如 ， 光 速 的 测定 ， 原 子 光 谱 的 超 精 细 结 构 的 探 测 ， 航 海 、 航 天 、 遥 感 、 激光 、 微 电 子 等 许 多 高 科 技 领 域 ， 都 是 以 频 率 和 长 度 的 精 密 测量 为 重 要 基 础 的 。 以 下 主 要 是 介 绍 几 何 计 量 学 的 相 关 内 容 。6一、几何量计量的基本知识1）几何量计量的概念(参考文献3)几何量计量又称长度计量，是计量领域发展最早的学科。在实际中，几何量计量主要包括：光波波长、量块、线纹、表面粗糙度、平直度、角度、通用量具、工程测量、齿轮测量、坐标测量、几何量量

8、仪和经纬仪类仪器等。它的主要任务是研究和确定长度单位的定义，建立、保存长度计量基准和标准，开展长度和角度检定、校准和测试进行量值传递，以确保量值的统一和正确。2）几何量计量的单位几何量计量的基本参量是长度和角度。按 SI 的规定，其长度单位为“米” ，单位符号为“m” ；角度分为平面角和立体角，其单位分别为“弧度” 、 “球面度” ，符号分别为“rad” 、 “sr”。几何量计量单位具备三个特点：(参考文献10)()基本性：长度单位“米”在 SI 中被列为第一个基本单位，许多导出单位都包含长度单位因子，因此不少导出计量基准的准确度在很大程度上取决于长度单位量值的准确度。()多维性：物体的形状和

9、位置是用空间坐标中的若干点表示的，由三个互相垂直的坐标轴构成的坐标为三维空间。如果在其中再插入角度坐标，还可构成四维、五维、六维坐标。()广泛性：几何形状是客观世界中最广泛的物质形态，绝大部分物理量都是以几何量信息的形成进行定量描述的。3）几何量计量的基本原则7测量结果的准确度是实现正确测量的四个基本要素之一，为了实现正确可靠的测量，人们在测量时间中进行了长期的探索，总结出了几何量测量的四条基本准则，即阿贝原则、最小变形原则、最短测量链原则，以及封闭原则。二、几何量计量的发展态势目前，几何量计量早已跨越传统领域的范畴，在微电子学、生命科学、土木工程等领域发挥日益重要的支撑作用。这是因为许多物理

10、量可以通过测量其几何量的变化而确定量值。例如：温度的测量，可以在规定的温度变化范围内，通过测量某种已知膨胀系数的材料的长度变化来实现；压力的测量也可以通过测量水银柱的高低求得；甚至磁场一类的参数也可在有电流通过时测量悬浮体在磁场中的位移而测出。1）测量仪器的发展在工业上，机床是制造业的母机，数控机床是机床产品先进技术的体现，尤其是高档数控技术，它是装备制造业现代化的核心技术，是国家工业发展水平、综合国力的直接体现。而数控技术的重要环节，正是测量设备。在总结当今世界机床发展和先进制造技术的最新成果，了解我国数控机床产业近几年来高速发展的最新产品和技术后，我们可以看到当今工业几何量测量仪器的发展动

11、向和特点。()测量精度高（参考文献1）随着现代科技向高精度方向发展，超精密加工技术对数控精度8的要求越来越高，对测量设备精度的要求更高。测量设备逐渐由传统的微米、亚微米精度向着纳米量级精度方向发展。目前，除各种激光干涉仪外，光栅测量技术也达到纳米量级。如海德汉的 LIP382超高精度直线光栅尺，其测量步距可以达到 1nm；上海机床厂出厂的纳米级精密微型数控磨床，其机床最小进给 1nm，重复定位精度50nm，电主轴转速 60000r/min。纳米级精密微型数控磨床也是CIMT2007 展览会的亮点之一，能对微型超精密件进行加工，可用于军工和航空航天行业的超精密磨削设备。体积不大的它，如同一个可以

12、自由转动的“魔方” ，加工范围很广，可磨削加工自由曲面、凹凸球面、圆环面等。它的成功研制标志着基于测量技术的发展，我国机床行业开始进入纳米级精密机床的领域。图 1. 纳米级精密微型数控磨床另外，在精密测角方面，光电所建有一等测角标准装置，配有ELCOMAT3000电子自准直仪(测角误差为0.25)、ELCOMAT HR电子自准直仪( 测角误差为0.03)、T5000电子经纬仪、T4光学经纬9仪、精密测角仪(测量不确定度0.20)、多齿分度台、多面棱体等高精度测角设备。在使用中积累了大量的经验，开展了多项精密测角技术研究课题，如排列互比法用于超精测角的研究、光电轴角编码器动态精度检测技术研究等。

13、 （参考文献4P2第一段）()测量速度高现代制造业进行的是大规模、大批量、专业化生产，需要多参数、实时在线的测量，故要求测试仪器的测量速度高、设备轻便、操作界面直观。激光干涉测量技术是精密测量的一种重要方法，目前，各种激光干涉测量系统已向轻巧、便携、高测速的方向发展。如雷尼绍 XL-80 干涉仪，款型小巧，可提供 4m/s 最大的测量速度和 50kHz 记录速率，可实现 1nm 的分辨率；激光跟踪仪可实现快速数据采集与处理，有利于测量精度的提高；各种影像测量设备利用触摸屏，可以方便直观地实现对特征尺寸的测量。图 2. 雷尼绍 XL-80 干涉仪10图 3. 激光跟踪仪()三维测量多样化三维测量

14、技术向着高精度、轻型化、现场化的方向发展。传统基于直角坐标的三坐标测量机经过 50 年的发展，其技术愈加成熟，测量更加快捷，功能更加强大。除直角坐标测量系统外，极坐标测量仪器也有自身独特的优势，如 FARO、ROMER 等厂家生产的激光跟踪仪对 大尺寸结构的装备具有操作方便灵活的特点，而对于小尺寸测量，关节臂测量机因其低廉的成本、较高的精度、现场方便的操作等优势，在汽车等行业展现出广阔的应用前景。图 4. 关节臂测量机11()测量智能化 测量设备借助计算机技术向着智能化、虚拟化的方向进一步发展。测量仪器的虚拟化、接口的标准化以及测量软件的模块化，加速了测量技术的发展，使测量仪器的应用更加方便、

15、直观、智能。根据测量需求以及测量对象的不同，可基于同一软件平台使用不同的仪器协同工作，采用不同的测量软件模块，实现了广普测量仪器的网络化、协同化，提高了测量的自动化水平。虚拟仪器是 20 世纪 80 年代中才出现的一种新的仪器模式,它是通过建模+软件+数据交换卡+传感器构成的一类虚实并存的仪器系统。同传统测试仪器相比,虚拟仪器有以下优点:利用通用硬件平台构建的虚拟仪器系统具有开放性,便于系统的升级和更新；丰富的软件资源和良好的人机交互图文界面使得虚拟仪器系统易于使用；相同的性能条件下开发费用和维护升级价格相对比较便宜。(参考文献7P引言)12例如针对当前弹丸参数检测技术现状, 长春理工大学光电工程学院开发研制出一套基于虚拟仪器技术的弹丸参数检测系统。该系统可实现弹丸多个参数自动化及半自动化检测,且性能稳定,受外界影响较小。系统可以分别测量直径、底凹深度、地面不平度、长度、摆差、阳线印痕深度和阳线印痕宽度等7种参数。 （参考