长度测量基础Word文档下载推荐.docx

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*量块的精度GBT规定：

量块按制造的技术要求分为级:

和K级。

精度最高精度最低校准级级主要是根据量块长度极限偏差te、量块长度变动量tv、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合性等指标划分。

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合的辅助体（平晶）表面之间的垂直距离。

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。

表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*量块的精度标准规定：

量块按检定的技术要求分为等：

和等。

精度最高精度最低量块分等的主要指标与分级的主要指标其不同点在于用“测量不确定度”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。

表摘录了~等量块的测量不确定度和长度变动量的部分数值。

包含检定时的测量误差*量块的特性和使用特性：

稳定性、耐磨性、准确性、研合性（两个量块测量面相互接触贴附在一起的性质）。

使用：

量块是定尺寸量具成组使用。

GBT规定：

我国成套生产的量块共有种套别每套的块数为、、、、、、、等。

以块一套为例例如：

应尽量减少量块组的量块数目。

练习：

*二、角度传递系统角度单位：

弧度（rad）度（）分（‘）秒（“）定义：

一个圆周角为。

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*第三节测量仪器与测量方法的分类一、测量仪器的分类测量仪器（计量器具）：

是指单独地或连同辅助设备一起用以进行测量的器具。

实物量具：

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。

极限量规：

一种没有刻度的专用检验工具。

显示式测量仪器（指示式测量仪器）：

指显示示值的测量仪器。

如模拟电压表、数字频率计和千分尺等。

测量系统：

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。

一般可分为：

*一、测量仪器的分类几何量测量仪器按结构的特点可分为：

游标式测量仪器：

游标卡尺、游标深度尺以及游标量角器等。

微动螺旋副式测量仪器：

外径千分尺、内径千分尺等。

机械式测量仪器：

百分表、千分表、杠杆比较仪以及扭簧比较仪等。

光学机械式测量仪器：

光学计、测长仪、投影仪以及干涉仪等。

气动式测量仪器：

压力式气动量仪、流量计式气动量仪等。

电学式测量仪器：

电感比较仪、电动轮廓仪等。

光电式测量仪器：

激光干涉仪、激光准直仪、光栅测长机、光纤传感器等。

***二、测量方法的分类直接测量：

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：

直接测得参数的量值。

相对测量：

相对于基准量的偏差。

间接测量：

指通过直接测量与被测参数有已知函数关系的其他量而得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L然后通过D=L计算被测零件的直径综合测量：

指同时测量工件上的几个有关参数．综合地判断工件是否合格。

单项测量：

指单个地彼此没有联系地测量工件的单项参数。

*间接测量举例用“弦高法”测量大尺寸圆柱体的直径由弦长L与弦高H的测量结果可求得直径D的实际值。

*测量方法的分类接触测量：

指仪器的测量头与被测零件表面直接接触并有机械作用的测力存在。

不接触测量：

指仪器的传感部分与被测零件表面间不接触。

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。

离线测量：

指零件加工完后在检验站进行的测量。

静态测量：

指被测表面与测量头相对静止没有相对运动。

动态测量：

指被测表面与测头之间有相对运动。

它能反映被测参数的变化过程。

在线测量和动态测量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测量能较大的提高测量效率和保证测量准确度。

*第四节测量技术的部分常用术语标尺间距（刻度）：

仪器刻度标尺或刻度盘上两相邻刻线中心线间的实际距离。

为便于读数一般为～mm。

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。

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。

灵敏度：

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L引起测量器具示值变化量为X则灵敏度S=LX。

（放大比或放大倍数）分度值：

m示值范围：

m测量范围：

～mm*常用术语稳定性：

测量仪器保持其计量特性随时间恒定的能力。

鉴别力阈：

使测量仪器产生未察觉的响应变化的最大激励变化。

（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别力阈。

）分辨力：

指显示装置能有效辨别的最小的示值差。

测量结果的重复性：

在相同测量条件下对同一被测量进行连续多次测量所得结果之间的一致性。

测量仪器的示值：

测量仪器所给出的量的值。

*常用术语测量仪器的示值误差：

测量仪器的示值与对应输入量的真值之差。

测量仪器的最大允许误差：

对给定的测量仪器规范、规程等所允许的误差极限值。

修正值：

用代数法与未修正测量结果相加以补偿其系统误差的值。

修正值等于负的系统误差。

测量不确定度：

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。

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是定量说明测量结果的质量的一个参数。

定义中的“相联系”意指测量不确定度是一个与测量结果“在一起”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）*第五节常用长度测量仪器机械式量仪：

杠杆齿轮式比较仪扭簧比较仪电动式量仪：

电感比较仪气动式量仪：

流量计式气动量仪光学机械式量仪：

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*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的传动与放大转变为仪器指针的角位移从而由指针在刻度盘上指示出相应的示值。

杠杆齿轮比较仪测量时测杆向上或向下移动使杠杆短臂R发生摆动。

杠杆长臂R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小齿轮固接的指针R偏转．并由刻度盘进行读数。

实现放大、传动被测量的目的。

*扭簧比较仪结构：

仪器的主要元件是横截面为xmm且由中间向两端左、右扭曲而成的扭簧片它的一端连接在机壳的连接柱上另一端连接在杠杆的一个支臂上。

杠杆的另一端与测杆的上部相接触。

指针粘在扭簧片的中部。

测量原理：

测量时测杆向上或向下移动推动杠杆摆动使扭簧被拉伸或者缩短从而使扭簧转动引起指针偏转并在刻度盘上进行读数。

*二、电动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。

电感比较仪在线圈架的中部绕有初级线圈线圈架的两端绕有次级线圈和当通以一定频率的交流电后在和中将产生感应电势。

测量时若衔铁处在中间位置则和中所产生的感应电势U和U相等其电位差为零即U出=。

当测杆随零件尺寸变化而移动时衔铁不在中间位置。

因此和所产生的感应电势U和U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信号。

*三、气动式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。

测量时工件尺寸发生变化使测量喷嘴与工件间的间隙S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。

当流过浮标与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。

此时可从浮标相对于玻璃管上的刻度尺的位置进行读数。

*四、光学机械式量仪光学机械式量仪可分为几何光学式量仪和光波干涉式量仪（或物理光学式量仪）。

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放大以后进行读数或瞄准的量仪。

按几何光学的原理．这类仪器又可分为望远镜式（光学计）和显微镜式（测长仪）。

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合。

（）立式光学计*（）光学计原理物镜像方焦点c发出的光经物镜后变成平行光到达平面反射镜P。

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c即发光点与像点c’重合。

若平面反射镜P与主光轴不垂直而偏转一个角则反射光束与入射光束间的夹角为反射光束返射后汇聚于像点c”。

c与c”之间的距离为：

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相接触测量时随着工件尺寸变化测杆推动反射镜P绕支点o摆动。

当测杆移动一个距离s反射镜P偏转一个角则其关系为：

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光杠杆原理实现将微小位移进行放大其放大倍数为：

当很小时且f=mmb=mm则K=。

由于光学计的目镜放大倍数为故光学计总放大倍数为倍。

*（）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。

卧式测长仪原理：

工件安装在尾座中的测砧与测座中的测轴之间其尺寸由读数显微镜读出。

上安装有一只mm长的毫米刻度尺将刻线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：

显微镜的物镜为目镜为光源发出的光照亮刻度尺上的两条相邻毫米刻线经成像以后正好等于固定分划板上的个刻线间距因此上的每个刻线间距代表mm。

图中是刻有双刻线的平面螺旋线分划板。

该分划板可以转动并在内圆周上均匀地刻有条刻线平面螺旋线的螺距与上的刻线间距相等。

因此也代成mm。

*（）测长仪原理显微镜的光学原理：

测量时用目镜观察可见到组刻线：

刻度尺上分度值为mm的刻线固定分划板上分度值为mm的刻线和平面螺旋线及其上的圆周刻线。

先读毫米读数如图中的然后按毫米刻线（如）在固定分划板上的位置读出零点几毫米的数（如）最后转动小滚花轮即平面螺旋线分划板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（如m）。

读数方法：

mm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、凸轮轴检查仪上以及万能工具显微镜上均有应用。

*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干涉条纹将产生移动。

通过测量干涉条纹的移动距离（或干涉条纹移过的数目）即可测得微小直线位移。

接触干涉仪光源发出的光经聚光镜、滤色片安装孔射入分光镜。

光束从分光镜上分成两束：

一束透过、补偿镜到达和仪器测杆相连的反射镜然后从反射镜反射按原光路回到形成测量光束另一束光在上反射至参考镜再由参考镜反射回形成参考光束。

此两束光相遇后产生干涉。

从目镜中即可看到干涉条纹。

*接触干涉仪测量开始时先将滤色片（已知标准波长）装于安装孔上然后调整反射镜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。

由上述光学系统可知这种仪器是按迈克尔逊干涉仪原理设计的。

*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mm刻条、条或条刻线。

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条、条或条刻线。

将两块栅距相同的长光栅（或圆光栅）叠放在一起使两光栅保持～mm的间距并使两块光栅的线纹相交一个很小角度即得如图a所示的莫尔条纹。

从几何学的观点来看莫尔条纹就是同类（明的或暗的）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图b所示。

第六节坐标测量机中的光栅与激光测量原理一、光栅装置*莫尔条纹很小由于角是一个很小的数因而是一个较大的数。

这样测量莫尔条纹宽度就比测量光栅线纹宽度容易得多由此可知莫尔条纹起着放大作用。

当两光栅尺在X方向产生相对移动时莫尔条纹在大约与X相垂直的Y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组成当线纹中有一条线纹有误差时（间距不等、歪斜或弯曲）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影响就非常小因而莫尔条纹具有平均效应。

*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a是一种简单的光栅头示意图图b是其数显装置。

光源发出的光经透镜成一束平行光这束光穿过标尺光栅和指示光栅后形成莫尔条纹。

在指示光栅后安放一个四分硅光电池。

调整指示光栅相对于标尺光栅的夹角使条纹宽度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则由四分硅光电池引出路光电信号且相邻两信号的相位相差。

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。

其计数电路方框图如图所示。

*计数电路方框图由硅光电池引出的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。

*直角棱镜由个面组成其中abdacd和bdc三个反射面彼此相互垂直d为锥顶abc是入射面（也是出射面）。

当光束A由abc面射入经acdabd和bcd三个面三次反射后由abc面射出。

这种立体直角棱镜能保证入射光A和出射光B平行因而降低了对导轨直线度的要求。

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和改成立体直角棱镜并取消了补偿镜。

立体直角棱镜二、激光装置*激光测长机从氨氖激光器射出的光束经反射镜、到达准直光管。

从射出的光经移相分光镜分成两束：

一束光由移相分光镜反射经反射镜、光楔到固定立体直角棱镜再由经原光路返回到形成参考光束另一束光透过到达活动立体直角棱镜（它随测座移动）再经返回到。

两束光相遇后在上透射和反射从而在分光镜前、后形成两组干涉条纹。

通过控制的镀膜层厚度可使两干涉条纹相位相差并分别由光电三极管接收将光信号转变成电信号输入计数器电路最后显示出的直线位移量。

图中的光电三极管用于接受激光光强变化信息用于激光器的稳频。

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。

*第七节探针扫描显微镜简介年IBM瑞士苏黎士实验室的葛·

宾尼（G．Binning）和海·

罗雷尔（H．Rohrer）研制出世界上第一台扫描隧道显微镜（ScanningTunnelingMicro－scope简称STM）。

STM使人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和广泛的应用前景被国际科学界公认为世纪年代世界十大科技成就之一。

为表彰STM的发明者们对科学研究所作出的杰出贡献年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖金。

隧道显微镜STM扫描隧道显微镜的基本原理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的距离非常接近（大约为～nm）时在外加偏置电压的作用下电子会穿过两个电极之间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（或针尖）在针尖与样品之间形成隧道电流隧道显微镜STM*隧道电流j：

隧道显微镜STMa）恒电流模式：

恒电流模式中STM在扫描时始终保持隧道电流的恒定这是通过反馈回路控制针尖和样品之间的距离的不断变化来实现的。

从反馈回路取得针尖在样品表面扫描过程中它们之间距离的变化信息就可以得到最终的样品表面的原子图像。

由于恒电流模式时STM的针尖随着样品表面形貌的起伏而上下移动针尖不会因表面形貌起伏太大而碰撞到物体表面因此可以用来观察形貌起伏较大的样品。

正因为具备以上的特点恒电流模式成为最常用的扫描模式。

a）恒电流模式：

b）恒高度模式：

恒高度模式中针尖的高度始终不变表面的原子图像是通过取出扫描过程中针尖和样品之间隧道电流变化的信息得到的。

由于在恒高度模式中针尖的高度恒定不变当表面形貌起伏较大时针尖很容易碰撞到样品因此恒高度模式只能用于观察表面形貌起伏不大的样品。

但由于没有反馈控制环节因此恒高度扫描模式的测量速度更快。

b）恒高度模式：

原子力显微镜（AFM）扫描隧道显微镜工作时要检测针尖和样品之间隧道电流的变化因此它只能直接观察导体和半导体的表面结构。

而在研究非导电材料时必须在其表面覆盖一层导电膜。

导电膜的存在往往掩盖了样品的表面结构的细节。

为了弥补扫描隧道显微镜的这一不足年Binning、Quate和Gerber发明了第一台原子力显微镜（AFM）。

AFM示意图原子力显微镜是将一个对微弱力敏感的微悬臂一端固定另一端有一微小的针尖针尖与样品的表面轻轻接触由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力（N）通过扫描时控制这种力的恒定带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。

利用光学检测法和隧道电流检测法可以测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化从而可以获得样品的表面形貌的信息。

原子力显微镜（AFM）*第八节测量误差和数据处理测量误差（绝对误差）：

测量结果与被测量的真值之差。

一、测量误差的基本概念真值L：

是难以获得的。

在实际工作中常以较高精度的测量值作为相对真值。

测量误差L被测量的真值l–测量结果相对误差f（）*随机误差：

在同一条件下多次测量同一量值时误差的绝对值和符号以不可预定的方式变化着的误差。

是指测量结果与在重复性条件下对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值之差。

系统误差：

在同一条件下多次测量同一量值时误差的绝对值和符号保持恒定或按一定规律变化的误差。

是指在重复性条件下对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差。

粗大误差：

超出在规定条件下预计的误差。

二误差的分类*精密度：

表示测量结果中随机误差的影响程度。

正确度：

表示测量结果中系统误差的影响程度。

准确度（精确度）：

表示测量结果中随机误差和系统误差综合的影响程度。

测量精度测量结果与被测量真值的接近程度。

*随机误差的正态分布三、随机误差在同一条件下多次测量同一量值时误差的绝对值和符号以不可预定的方式变化着但误差出现的整体是服从统计规律的。

随机误差是指测量结果与在重复性条件下对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值之差。

大量实践证明：

多数随机误差是服从正态分布规律的。

概率分布密度函数为：

指数衰减函数标准偏差*对称性：

绝对值相等的正误差和负误差出现的次数大致相等。

单峰性：

绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的次数多。

有界性：

在一定的条件下误差的绝对值不会超过一定的限度。

抵偿性：

当测量次数n增大到无穷时正负误差的总和趋于算术平均值愈趋近于真值。

随机误差的特点*标准偏差大小与误差分布曲线的形状有密切关系。

曲线变陡分布越集中测量方法精密度越高。

其中＝l－L为随机误差（没有系统误差的条件下）*随机误差的分布界限理论上随机误差的分布是在－～＋之间实际上常将＝作为随机误差的误差界限。

也是包含因子为的扩展不确定度U（测量总不确定度）*算术平均值当测量次数n增大时算术平均值愈趋近于真值。

用算术平均值作为最后测量结果比用其它任一测量值作为测量结果更可靠。

*由残余误差求标准偏差实际上：

残余误差实验标准偏差算术平均值的实验标准差：

（例）*误差修正法四、系统误差在重复性测量条件下对同一被测量进行无限多次测量所得的结果的平均值与被测量的真值之差。

消除或减小系统误差对测量结果影响的方法：

如果知道测量结果（即未修正的结果）中包含的系统误差大小和符号则可用测量结果减去已知的系统误差值从而获得不含（或少含）系统误差的测量结果（已修正结果）。

误差修正法在高准确度测量中应用比较广泛。

此时所使用的测量仪器的示值均有误差修正表以便在测量时对误差进行修正。

*误差抵偿法分析测量结果发现在有的测量结果中包含的系统误差值和另一个测量结果中包含的系统误差值的大小相等符号则相反。

用此两测量结果相加取平均值可抵消其系统误差。

误差分离法误差分离法常用在形状误差测量中。

通过采用误差分离法将测量结果中的系统误差分离开从而获得准确的测量结果。

*函数的系统误差五、函数误差用于间接测量中。

当直接测量值x,x,…,xt有系统误差x,x,…,xt存在时函数值的系统误差为y则表示：

函数的系统误差等于该函数对各自变量（直接测量值）在给定点上的偏导数与其相应直接测量值的系统误差的乘积之和。

灵敏系数（误差传递系数）*函数的随机误差当直接测量值x,x,…,xt有随机误差的实验方差Sx,Sx,…,Sxt存在时函数值随机误差的实验方差为Sy则（）*例用弦长弓高法测量圆形零件的直径。

）若测得弦长L=mm弓高h＝mm其系统误差分别为L＝mh＝m计算D的直径系统误差和已修正测量结果。

所以D==mm已修