第2章 長度測量基礎(chǔ)ppt課件

1、1第第2章章 長度測量基礎(chǔ)長度測量基礎(chǔ)第一節(jié)第一節(jié) 測量的基本概念測量的基本概念第二節(jié)第二節(jié) 尺寸傳遞尺寸傳遞 第三節(jié)第三節(jié) 測量儀器與測量方法的分類測量儀器與測量方法的分類第四節(jié)第四節(jié) 測量技術(shù)的部分常用術(shù)語測量技術(shù)的部分常用術(shù)語第五節(jié)第五節(jié) 常用長度測量儀器常用長度測量儀器第六節(jié)第六節(jié) 坐標(biāo)測量機(jī)中的光柵與激光測量原理坐標(biāo)測量機(jī)中的光柵與激光測量原理第七節(jié)第七節(jié) 探針掃描顯微鏡簡介探針掃描顯微鏡簡介第八節(jié)第八節(jié) 測量誤差和數(shù)據(jù)處理測量誤差和數(shù)據(jù)處理第九節(jié)第九節(jié) 計(jì)量器具的選擇計(jì)量器具的選擇2第一節(jié)第一節(jié) 測量的基本概念測量的基本概念一、丈量一、丈量1.1.目的：判斷零件幾何參數(shù)是否合格。目

2、的：判斷零件幾何參數(shù)是否合格。2.2.定義：把被測量與具有計(jì)量單位的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比定義：把被測量與具有計(jì)量單位的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，從而確定被測量的量值的過程。較，從而確定被測量的量值的過程。L=qE被測量被測量比值比值標(biāo)準(zhǔn)量標(biāo)準(zhǔn)量被測量被測量的組成的組成表征幾何量的數(shù)值表征幾何量的數(shù)值該幾何量的計(jì)量單位該幾何量的計(jì)量單位L=40mm3u測量對(duì)象：零件幾何參數(shù)。長度、角度、表面粗糙測量對(duì)象：零件幾何參數(shù)。長度、角度、表面粗糙度、形位誤差等。度、形位誤差等。u計(jì)量單位：幾何量測量中，米制為我國的基本計(jì)量計(jì)量單位：幾何量測量中，米制為我國的基本計(jì)量制度。長度單位是米制度。長度單位是米(m)(m)，角度單

3、位是弧度，角度單位是弧度(rad)(rad)。mm. mm. m. nmm. nmu測量方法：是指在進(jìn)行測量時(shí)所用的按類敘述的一測量方法：是指在進(jìn)行測量時(shí)所用的按類敘述的一組操作邏輯次序。測量原理、測量器具、測量條件。組操作邏輯次序。測量原理、測量器具、測量條件。u測量的準(zhǔn)確度：測量結(jié)果與真值一致的程度。測量的準(zhǔn)確度：測量結(jié)果與真值一致的程度。3.3.測量過程的要素測量過程的要素4第二節(jié)第二節(jié) 尺寸傳遞尺寸傳遞1.1.長度單位：米長度單位：米定義：米是光在真空定義：米是光在真空中于中于1299 792 458秒秒(s)時(shí)間間隔內(nèi)時(shí)間間隔內(nèi)的行程長度。的行程長度。量值傳遞系統(tǒng)：將米量值傳遞系統(tǒng)：

4、將米的定義長度一級(jí)一級(jí)的定義長度一級(jí)一級(jí)地傳遞到工作計(jì)量器地傳遞到工作計(jì)量器具上，再用其測量工具上，再用其測量工件尺寸，從而保證量件尺寸，從而保證量值的準(zhǔn)確一致。值的準(zhǔn)確一致。5一、量塊及其傳遞系統(tǒng)一、量塊及其傳遞系統(tǒng)1.1.量塊的作用量塊的作用u生產(chǎn)中被用來檢定和校準(zhǔn)測量工具或量儀。生產(chǎn)中被用來檢定和校準(zhǔn)測量工具或量儀。u比較測量中用來調(diào)整儀器的零位。比較測量中用來調(diào)整儀器的零位。u也可用于加工中機(jī)床的調(diào)整和工件的檢驗(yàn)等。也可用于加工中機(jī)床的調(diào)整和工件的檢驗(yàn)等。2.2.量塊的構(gòu)成量塊的構(gòu)成資料：鉻錳鋼資料：鉻錳鋼線膨脹系數(shù)小，性質(zhì)穩(wěn)定，耐磨，不易變形。線膨脹系數(shù)小，性質(zhì)穩(wěn)定，耐磨，不易變形。

5、外形：長方體。外形：長方體。標(biāo)稱長度公稱尺寸）：兩個(gè)測量面之間的距離。標(biāo)稱長度公稱尺寸）：兩個(gè)測量面之間的距離?？套郑簶?biāo)稱長度到刻字：標(biāo)稱長度到5.5mm的量塊，其標(biāo)稱長的量塊，其標(biāo)稱長度值刻印在上測量面上；標(biāo)稱長度大于度值刻印在上測量面上；標(biāo)稱長度大于5.5mm的量塊，其標(biāo)稱長度值刻印在上測量的量塊，其標(biāo)稱長度值刻印在上測量面的左側(cè)平面上。面的左側(cè)平面上。截面尺寸：標(biāo)稱長度到截面尺寸：標(biāo)稱長度到10mm的量塊，其截面的量塊，其截面尺寸為尺寸為30mmX9mm；標(biāo)稱長度大于；標(biāo)稱長度大于10mm到到1000mm的量塊，其截面尺寸為的量塊，其截面尺寸為35mmX9mm。63.3.量塊的精度量塊的

6、精度GB/T 6093-2019規(guī)定：量塊按制造的技術(shù)要求分為5級(jí):0.1.2.3和K級(jí)。精度精度最高最高精度精度最低最低校準(zhǔn)級(jí)校準(zhǔn)級(jí) 級(jí)主要是根據(jù)量塊長度極限偏差級(jí)主要是根據(jù)量塊長度極限偏差te、量塊長度變動(dòng)、量塊長度變動(dòng)量量tv、量塊測量面的平面度、量塊測量面的粗糙度、量塊測量面的平面度、量塊測量面的粗糙度及量塊測量面的研合性等指標(biāo)劃分。及量塊測量面的研合性等指標(biāo)劃分。u量塊長度：是指量塊上測量面上一點(diǎn)到與此量塊下測量面相研量塊長度：是指量塊上測量面上一點(diǎn)到與此量塊下測量面相研合的輔助體平晶表面之間的垂直距離。合的輔助體平晶表面之間的垂直距離。u量塊長度變動(dòng)量：量塊的最大量塊長度與最小量塊

7、長度之差。量塊長度變動(dòng)量：量塊的最大量塊長度與最小量塊長度之差。表表2-1摘錄了量塊長度極限偏差和長度變動(dòng)量的部分?jǐn)?shù)值。摘錄了量塊長度極限偏差和長度變動(dòng)量的部分?jǐn)?shù)值。包含制造誤差包含制造誤差73.3.量塊的精度量塊的精度標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：量塊按檢定的技術(shù)要求分為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：量塊按檢定的技術(shù)要求分為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塊分等的主要指標(biāo)與分級(jí)的主要指標(biāo)其不同點(diǎn)在于用量塊分等的主要指標(biāo)與分級(jí)的主要指標(biāo)其不同點(diǎn)在于用“測量測量不確定度不確定度代替量塊長度的極限偏差。代替量塊長度的極限偏差。量塊的量值是按長度量值傳遞系統(tǒng)進(jìn)行傳遞的，即低一等的量量塊的量值是

8、按長度量值傳遞系統(tǒng)進(jìn)行傳遞的，即低一等的量塊的檢定，必須用高一等的量塊作基準(zhǔn)進(jìn)行測量，因此應(yīng)規(guī)定塊的檢定，必須用高一等的量塊作基準(zhǔn)進(jìn)行測量，因此應(yīng)規(guī)定其測量不確定度。其測量不確定度。表表2-2摘錄了摘錄了15等量塊的測量不確定度和長度變動(dòng)量的等量塊的測量不確定度和長度變動(dòng)量的部分?jǐn)?shù)值。部分?jǐn)?shù)值。包含檢定時(shí)的測量誤差包含檢定時(shí)的測量誤差84.4.量塊的特性和使用量塊的特性和使用 特性：穩(wěn)定性、耐磨性、準(zhǔn)確性、研合性兩個(gè)量塊測量面特性：穩(wěn)定性、耐磨性、準(zhǔn)確性、研合性兩個(gè)量塊測量面相互接觸，貼附在一起的性質(zhì)）。相互接觸，貼附在一起的性質(zhì)）。運(yùn)用：量塊是定尺寸量具，成組使用。運(yùn)用：量塊是定尺寸量具，成

9、組使用。GB/T 6093-2019規(guī)定：我國成套生產(chǎn)的量塊共有17種套別，每套的塊數(shù)為91、83、46、12、10、8、6、5等。以以83塊一塊一套為例套為例例如：例如：28.7851.005 27.781.28 26.56 .5 20應(yīng)盡量減少量塊應(yīng)盡量減少量塊組的量塊數(shù)目。組的量塊數(shù)目。38.93536.745練習(xí)：練習(xí)：9二、角度傳遞系統(tǒng)二、角度傳遞系統(tǒng) 角度單位：弧度角度單位：弧度(rad).(rad).度度( ().).分分().().秒秒(“).(“).定義：一個(gè)圓周角為定義：一個(gè)圓周角為360。角度基準(zhǔn)：分度盤或多面棱體角度基準(zhǔn)：分度盤或多面棱體角度量具：角度量塊、測角儀、分度

10、頭角度量具：角度量塊、測角儀、分度頭量值傳遞系統(tǒng)量值傳遞系統(tǒng)10第三節(jié)第三節(jié) 測量儀器與測量方法的分類測量儀器與測量方法的分類一、測量儀器的分類一、測量儀器的分類測量儀器計(jì)量器具）：是指單獨(dú)地或連同輔助設(shè)備一起用測量儀器計(jì)量器具）：是指單獨(dú)地或連同輔助設(shè)備一起用以進(jìn)行測量的器具。以進(jìn)行測量的器具。實(shí)物量具：指使用時(shí)以固定形態(tài)復(fù)現(xiàn)或提供給定量的一實(shí)物量具：指使用時(shí)以固定形態(tài)復(fù)現(xiàn)或提供給定量的一個(gè)或多個(gè)已知值的器具，如量塊、線紋尺、直角尺等。個(gè)或多個(gè)已知值的器具，如量塊、線紋尺、直角尺等。極限量規(guī)：極限量規(guī)： 一種沒有刻度的專用檢驗(yàn)工具。一種沒有刻度的專用檢驗(yàn)工具。3. 顯示式測量儀器指示式測量儀

11、器）：指顯示示值的顯示式測量儀器指示式測量儀器）：指顯示示值的測量儀器測量儀器 。 如模擬電壓表、數(shù)字頻率計(jì)和千分尺等。如模擬電壓表、數(shù)字頻率計(jì)和千分尺等。4. 測量系統(tǒng)：指組裝起來以進(jìn)行特定測量的全套測量儀測量系統(tǒng)：指組裝起來以進(jìn)行特定測量的全套測量儀器和其他設(shè)備。固定安裝著的測量系統(tǒng)稱為測量裝備。器和其他設(shè)備。固定安裝著的測量系統(tǒng)稱為測量裝備。一般可分為：一般可分為：11一、測量儀器的分類一、測量儀器的分類幾何量測量儀器按結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)可分為：幾何量測量儀器按結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)可分為：u游標(biāo)式測量儀器：游標(biāo)卡尺、游標(biāo)深度尺以及游標(biāo)量角器等。游標(biāo)式測量儀器：游標(biāo)卡尺、游標(biāo)深度尺以及游標(biāo)量角器等。u微動(dòng)螺

12、旋副式測量儀器：外徑千分尺、內(nèi)徑千分尺等。微動(dòng)螺旋副式測量儀器：外徑千分尺、內(nèi)徑千分尺等。u機(jī)械式測量儀器：百分表、千分表、杠桿比較儀以及扭簧比較機(jī)械式測量儀器：百分表、千分表、杠桿比較儀以及扭簧比較儀等。儀等。u光學(xué)機(jī)械式測量儀器：光學(xué)計(jì)、測長儀、投影儀以及干涉儀等。光學(xué)機(jī)械式測量儀器：光學(xué)計(jì)、測長儀、投影儀以及干涉儀等。u氣動(dòng)式測量儀器：壓力式氣動(dòng)量儀、流量計(jì)式氣動(dòng)量儀等。氣動(dòng)式測量儀器：壓力式氣動(dòng)量儀、流量計(jì)式氣動(dòng)量儀等。u電學(xué)式測量儀器：電感比較儀、電動(dòng)輪廓儀等。電學(xué)式測量儀器：電感比較儀、電動(dòng)輪廓儀等。u光電式測量儀器：激光干涉儀、激光準(zhǔn)直儀、光柵測長機(jī)、光光電式測量儀器：激光干涉儀

13、、激光準(zhǔn)直儀、光柵測長機(jī)、光纖傳感器等。纖傳感器等。121314二、測量方法的分類二、測量方法的分類1. 直接測量：指不需要將被測量與其他實(shí)測量進(jìn)行一定函數(shù)關(guān)系的輔助計(jì)算而直接得到被測量值的測量。直接測量又可分為絕對(duì)測量和相對(duì)測量。絕對(duì)測量：直接測得參數(shù)的量值。絕對(duì)測量：直接測得參數(shù)的量值。相對(duì)測量：相對(duì)于基準(zhǔn)量的偏差。相對(duì)測量：相對(duì)于基準(zhǔn)量的偏差。2. 間接測量：指通過直接測量與被測參數(shù)有已知函數(shù)關(guān)系的其間接測量：指通過直接測量與被測參數(shù)有已知函數(shù)關(guān)系的其他量而得到該被測參數(shù)量值的測量。他量而得到該被測參數(shù)量值的測量。例如測量圓柱零件的直徑時(shí)，可先測出圓周長度例如測量圓柱零件的直徑時(shí)，可先測

14、出圓周長度L，然后通過然后通過D=L/計(jì)算被測零件的直徑，計(jì)算被測零件的直徑，3. 綜合測量：指同時(shí)測量工件上的幾個(gè)有關(guān)參數(shù)綜合地判綜合測量：指同時(shí)測量工件上的幾個(gè)有關(guān)參數(shù)綜合地判斷工件是否合格。斷工件是否合格。4. 單項(xiàng)測量：指單個(gè)地彼此沒有聯(lián)系地測量工件的單項(xiàng)單項(xiàng)測量：指單個(gè)地彼此沒有聯(lián)系地測量工件的單項(xiàng)參數(shù)。參數(shù)。15間接測量舉例間接測量舉例用用“弦高法測量大尺寸圓柱體的直徑，由弦長弦高法測量大尺寸圓柱體的直徑，由弦長L L與弦高與弦高H H的測量結(jié)果，可求得直徑的測量結(jié)果，可求得直徑D D的實(shí)際值。的實(shí)際值。HHLD4216測量方法的分類測量方法的分類5. 接觸測量：指儀器的測量頭與被

15、測零件表面直接接觸，并有接觸測量：指儀器的測量頭與被測零件表面直接接觸，并有機(jī)械作用的測力存在。機(jī)械作用的測力存在。6. 不接觸測量：指儀器的傳感部分與被測零件表面間不接觸。不接觸測量：指儀器的傳感部分與被測零件表面間不接觸。7. 在線測量：指零件在加工中進(jìn)行的測量，能及時(shí)防止和消滅在線測量：指零件在加工中進(jìn)行的測量，能及時(shí)防止和消滅廢品。廢品。8. 離線測量：指零件加工完后在檢驗(yàn)站進(jìn)行的測量。離線測量：指零件加工完后在檢驗(yàn)站進(jìn)行的測量。9. 靜態(tài)測量：指被測表面與測量頭相對(duì)靜止，沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。靜態(tài)測量：指被測表面與測量頭相對(duì)靜止，沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。10. 動(dòng)態(tài)測量：指被測表面與測頭之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)

16、。它能反映動(dòng)態(tài)測量：指被測表面與測頭之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。它能反映被測參數(shù)的變化過程。被測參數(shù)的變化過程。在線測量和動(dòng)態(tài)測量是測量技術(shù)的主要發(fā)展方向。在線測量能將加在線測量和動(dòng)態(tài)測量是測量技術(shù)的主要發(fā)展方向。在線測量能將加工和測量緊密結(jié)合起來，從根本上改變測量技術(shù)的被動(dòng)局面；動(dòng)態(tài)工和測量緊密結(jié)合起來，從根本上改變測量技術(shù)的被動(dòng)局面；動(dòng)態(tài)測量能較大的提高測量效率和保證測量準(zhǔn)確度。測量能較大的提高測量效率和保證測量準(zhǔn)確度。17第四節(jié)第四節(jié) 測量技術(shù)的部分常用術(shù)語測量技術(shù)的部分常用術(shù)語1. 標(biāo)尺間距刻度）：儀器刻度標(biāo)尺或刻度盤上兩相鄰刻線中心線間的實(shí)際距離。為便于讀數(shù)，一般為12.5mm。2.分度值標(biāo)尺間

17、隔）：儀器標(biāo)尺上每刻度間距所代表的被測量的量值。3.測量范圍工作范圍）：測量儀器所能測量的最大與最小的范圍。4. 靈敏度：測量儀器的響應(yīng)變化值除以相應(yīng)激勵(lì)變化值。反映被測幾何量微小變化的能力。如果被測參數(shù)的變化為L，引起測量器具示值變化量為X，則靈敏度S=L/X。（放大比或放大倍數(shù)）分度值：分度值：1m示值范圍：示值范圍：100m測量范圍：測量范圍：0180mm18常用術(shù)語常用術(shù)語5. 穩(wěn)定性：測量儀器保持其計(jì)量特性隨時(shí)間恒定的能力。穩(wěn)定性：測量儀器保持其計(jì)量特性隨時(shí)間恒定的能力。6. 鑒別力閾：使測量儀器產(chǎn)生未察覺的響應(yīng)變化的最大激勵(lì)鑒別力閾：使測量儀器產(chǎn)生未察覺的響應(yīng)變化的最大激勵(lì)變化。變

18、化。 (它是指當(dāng)測量儀器在某一示值給以一定的輸入，它是指當(dāng)測量儀器在某一示值給以一定的輸入，確定某激勵(lì)值，這種激勵(lì)再緩慢從同一方向逐步增加，開確定某激勵(lì)值，這種激勵(lì)再緩慢從同一方向逐步增加，開始為未察覺響應(yīng)的變化，當(dāng)測量儀器的輸出開始有可覺察始為未察覺響應(yīng)的變化，當(dāng)測量儀器的輸出開始有可覺察的響應(yīng)變化時(shí)，讀取該激勵(lì)值，此輸入的激勵(lì)變化稱為鑒的響應(yīng)變化時(shí)，讀取該激勵(lì)值，此輸入的激勵(lì)變化稱為鑒別力閾。別力閾。)7.分辨力：指顯示裝置能有效辨別的最小的示值差。分辨力：指顯示裝置能有效辨別的最小的示值差。 8. 測量結(jié)果的重復(fù)性：在相同測量條件下，對(duì)同一被測量進(jìn)測量結(jié)果的重復(fù)性：在相同測量條件下，對(duì)同

19、一被測量進(jìn)行連續(xù)多次測量所得結(jié)果之間的一致性。行連續(xù)多次測量所得結(jié)果之間的一致性。9. 測量儀器的示值：測量儀器所給出的量的值。測量儀器的示值：測量儀器所給出的量的值。19常用術(shù)語常用術(shù)語10. 測量儀器的示值誤差：測量儀器的示值與對(duì)應(yīng)輸入量的真值之差。11. 測量儀器的最大允許誤差：對(duì)給定的測量儀器，規(guī)范、規(guī)程等所允許的誤差極限值。12. 修正值：用代數(shù)法與未修正測量結(jié)果相加，以補(bǔ)償其系統(tǒng)誤差的值。修正值等于負(fù)的系統(tǒng)誤差。13. 測量不確定度：表示合理地賦予被測量之值的分散性，與測量結(jié)果相聯(lián)系的參數(shù)。它是由于測量誤差的存在而對(duì)被測幾何量不能肯定的程度，是定量說明測量結(jié)果的質(zhì)量的一個(gè)參數(shù)。定義

20、中的“相聯(lián)系”，意指測量不確定度是一個(gè)與測量結(jié)果“在一起的參數(shù)，在測量結(jié)果的完整表示中應(yīng)包括測量不確定度。（恒為正值）20第五節(jié)第五節(jié) 常用長度測量儀器常用長度測量儀器機(jī)械式量儀：杠桿齒輪式比較儀，扭簧比較儀機(jī)械式量儀：杠桿齒輪式比較儀，扭簧比較儀電動(dòng)式量儀：電感比較儀電動(dòng)式量儀：電感比較儀氣動(dòng)式量儀：流量計(jì)式氣動(dòng)量儀氣動(dòng)式量儀：流量計(jì)式氣動(dòng)量儀光學(xué)機(jī)械式量儀：幾何光學(xué)類量儀：光學(xué)計(jì)和測長光學(xué)機(jī)械式量儀：幾何光學(xué)類量儀：光學(xué)計(jì)和測長儀，光波干涉類量儀：接觸干涉儀和激光干涉儀儀，光波干涉類量儀：接觸干涉儀和激光干涉儀21一、機(jī)械式量儀一、機(jī)械式量儀這類量儀是將測桿的上下微小直線移動(dòng)，通過機(jī)械這類

21、量儀是將測桿的上下微小直線移動(dòng)，通過機(jī)械的傳動(dòng)與放大，轉(zhuǎn)變?yōu)閮x器指針的角位移，從而由指的傳動(dòng)與放大，轉(zhuǎn)變?yōu)閮x器指針的角位移，從而由指針在刻度盤上指示出相應(yīng)的示值。針在刻度盤上指示出相應(yīng)的示值。1. 杠桿齒輪比較儀杠桿齒輪比較儀測量時(shí)，測桿測量時(shí)，測桿1向上或向下移動(dòng)，向上或向下移動(dòng)，使杠桿短臂使杠桿短臂R4發(fā)生擺動(dòng)。杠桿長臂發(fā)生擺動(dòng)。杠桿長臂R3是一個(gè)扇形齒輪。當(dāng)扇形齒輪擺是一個(gè)扇形齒輪。當(dāng)扇形齒輪擺動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使與動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使與小齒輪固接的指針小齒輪固接的指針R1偏轉(zhuǎn)并由刻偏轉(zhuǎn)并由刻度盤度盤2進(jìn)行讀數(shù)。實(shí)現(xiàn)放大、傳動(dòng)進(jìn)行讀數(shù)。實(shí)現(xiàn)放大、傳動(dòng)被測量的目的。被測量的

22、目的。222. 扭簧比較儀扭簧比較儀構(gòu)造：儀器的主要元件是橫截面為構(gòu)造：儀器的主要元件是橫截面為0.01x0.25mm且由中間向兩端左、且由中間向兩端左、右扭曲而成的扭簧片右扭曲而成的扭簧片3，它的一端連，它的一端連接在機(jī)殼的連接柱上，另一端連接在接在機(jī)殼的連接柱上，另一端連接在杠桿杠桿2的一個(gè)支臂上。杠桿的一個(gè)支臂上。杠桿2的另一的另一端與測桿端與測桿1的上部相接觸。指針的上部相接觸。指針4粘粘在扭簧片的中部。在扭簧片的中部。測量原理：測量時(shí)，測桿測量原理：測量時(shí)，測桿1向上或向向上或向下移動(dòng)，推動(dòng)杠桿下移動(dòng)，推動(dòng)杠桿2擺動(dòng)，使扭簧擺動(dòng)，使扭簧3被拉伸或者縮短，從而使扭簧轉(zhuǎn)動(dòng)引被拉伸或者縮短

23、，從而使扭簧轉(zhuǎn)動(dòng)引起指針偏轉(zhuǎn)，并在刻度盤起指針偏轉(zhuǎn)，并在刻度盤5上進(jìn)行讀上進(jìn)行讀數(shù)。數(shù)。23二、電動(dòng)式量儀二、電動(dòng)式量儀電動(dòng)式量儀是將微小直線位移轉(zhuǎn)變成電阻、電容或電感電動(dòng)式量儀是將微小直線位移轉(zhuǎn)變成電阻、電容或電感量的變化，經(jīng)電路放大處理后變?yōu)殡娏骰螂妷狠敵?，由表頭量的變化，經(jīng)電路放大處理后變?yōu)殡娏骰螂妷狠敵?，由表頭或數(shù)顯器給出讀數(shù)。或數(shù)顯器給出讀數(shù)。電感比較儀電感比較儀 在線圈架的中部繞有初級(jí)線圈在線圈架的中部繞有初級(jí)線圈1，線圈，線圈架的兩端繞有次級(jí)線圈架的兩端繞有次級(jí)線圈2和和3，當(dāng)，當(dāng)1通以一定通以一定頻率的交流電后，在頻率的交流電后，在2和和3中將產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。中將產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。測

24、量時(shí)，若銜鐵測量時(shí)，若銜鐵4處在中間位置，則處在中間位置，則2和和3中中所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)U2和和U3相等，其電位差相等，其電位差為零，即為零，即U出出=0。當(dāng)測桿隨零件尺寸變化而。當(dāng)測桿隨零件尺寸變化而移動(dòng)時(shí)，銜鐵移動(dòng)時(shí)，銜鐵4不在中間位置。因此不在中間位置。因此2和和3所所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)U2和和U3不相等，電位差不不相等，電位差不再為零，有信號(hào)輸出，從而將直線位移轉(zhuǎn)變?cè)贋榱?，有信?hào)輸出，從而將直線位移轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。成電信號(hào)。24三、氣動(dòng)式量儀三、氣動(dòng)式量儀流量計(jì)式氣動(dòng)量儀流量計(jì)式氣動(dòng)量儀氣動(dòng)量儀是根據(jù)流體力學(xué)的原理，用壓縮空氣作氣動(dòng)量儀是根據(jù)流體力學(xué)的原理，用壓

25、縮空氣作介質(zhì)，將微小直線位移轉(zhuǎn)變成氣體的壓力變化或流量介質(zhì)，將微小直線位移轉(zhuǎn)變成氣體的壓力變化或流量變化，用流量計(jì)或壓力計(jì)進(jìn)行讀數(shù)的儀器。變化，用流量計(jì)或壓力計(jì)進(jìn)行讀數(shù)的儀器。 清潔、干燥和恒壓的空氣由錐形玻璃管下清潔、干燥和恒壓的空氣由錐形玻璃管下端引入，經(jīng)浮標(biāo)與玻璃管間的間隙，由錐形玻璃端引入，經(jīng)浮標(biāo)與玻璃管間的間隙，由錐形玻璃管上端經(jīng)連接軟管再由測量噴嘴進(jìn)入大氣。測量管上端經(jīng)連接軟管再由測量噴嘴進(jìn)入大氣。測量時(shí)，工件尺寸發(fā)生變化，使測量噴嘴與工件間的時(shí)，工件尺寸發(fā)生變化，使測量噴嘴與工件間的間隙間隙S發(fā)生變化。因而使流過噴嘴的氣體流量發(fā)生變化。因而使流過噴嘴的氣體流量Q也發(fā)生變化，從而引

26、起浮標(biāo)位置發(fā)生變化。當(dāng)流也發(fā)生變化，從而引起浮標(biāo)位置發(fā)生變化。當(dāng)流過浮標(biāo)與錐形管間的空氣流量與從測量噴嘴流出過浮標(biāo)與錐形管間的空氣流量與從測量噴嘴流出的空氣流量相等時(shí)，浮標(biāo)就停止不動(dòng)。此時(shí)可從的空氣流量相等時(shí)，浮標(biāo)就停止不動(dòng)。此時(shí)可從浮標(biāo)相對(duì)于玻璃管上的刻度尺的位置進(jìn)行讀數(shù)。浮標(biāo)相對(duì)于玻璃管上的刻度尺的位置進(jìn)行讀數(shù)。25四、光學(xué)機(jī)械式量儀四、光學(xué)機(jī)械式量儀光學(xué)機(jī)械式量儀可分為幾何光學(xué)式量儀和光波干涉式光學(xué)機(jī)械式量儀可分為幾何光學(xué)式量儀和光波干涉式量儀量儀(或物理光學(xué)式量儀或物理光學(xué)式量儀)。1.幾何光學(xué)式量儀幾何光學(xué)式量儀是將微小的長度量或物體經(jīng)光學(xué)方法幾何光學(xué)式量儀是將微小的長度量或物體經(jīng)光

27、學(xué)方法放大以后，進(jìn)行讀數(shù)或瞄準(zhǔn)的量儀。按幾何光學(xué)的原放大以后，進(jìn)行讀數(shù)或瞄準(zhǔn)的量儀。按幾何光學(xué)的原理這類儀器又可分為望遠(yuǎn)鏡式光學(xué)計(jì)和顯微鏡式理這類儀器又可分為望遠(yuǎn)鏡式光學(xué)計(jì)和顯微鏡式測長儀）。測長儀）。光學(xué)計(jì)有立式光學(xué)計(jì)和臥式光學(xué)計(jì)，其光學(xué)原理屬光學(xué)計(jì)有立式光學(xué)計(jì)和臥式光學(xué)計(jì)，其光學(xué)原理屬于望遠(yuǎn)鏡類，即物鏡的像方焦點(diǎn)和目鏡的物方焦點(diǎn)重于望遠(yuǎn)鏡類，即物鏡的像方焦點(diǎn)和目鏡的物方焦點(diǎn)重合。合。(1) 立式光學(xué)計(jì)立式光學(xué)計(jì)26(1) 光學(xué)計(jì)原理物鏡像方焦點(diǎn)物鏡像方焦點(diǎn)c發(fā)出的光，經(jīng)物鏡后變成平行光發(fā)出的光，經(jīng)物鏡后變成平行光到達(dá)平面反射鏡到達(dá)平面反射鏡P。若反射鏡與主光軸垂直，則經(jīng)平。若反射鏡與主光軸

28、垂直，則經(jīng)平面反射鏡反射的光由原路回到發(fā)光點(diǎn)面反射鏡反射的光由原路回到發(fā)光點(diǎn)c，即發(fā)光點(diǎn)與，即發(fā)光點(diǎn)與像點(diǎn)像點(diǎn)c重合。若平面反射鏡重合。若平面反射鏡P與主光軸不垂直而偏與主光軸不垂直而偏轉(zhuǎn)一個(gè)轉(zhuǎn)一個(gè)角，則反射光束與入射光束間的夾角為角，則反射光束與入射光束間的夾角為2，反射光束返射后匯聚于像點(diǎn)反射光束返射后匯聚于像點(diǎn)c”。c與與c之間的距離之間的距離為：為：2tanfcc tanbs 反射鏡的偏轉(zhuǎn)由光學(xué)計(jì)的測桿來推動(dòng)。測桿的一端與平面反射鏡反射鏡的偏轉(zhuǎn)由光學(xué)計(jì)的測桿來推動(dòng)。測桿的一端與平面反射鏡P相相接觸，測量時(shí)，隨著工件尺寸變化，測桿推動(dòng)反射鏡接觸，測量時(shí)，隨著工件尺寸變化，測桿推動(dòng)反射鏡P

29、繞支點(diǎn)繞支點(diǎn)o擺動(dòng)。當(dāng)擺動(dòng)。當(dāng)測桿移動(dòng)一個(gè)距離測桿移動(dòng)一個(gè)距離s，反射鏡，反射鏡P偏轉(zhuǎn)一個(gè)偏轉(zhuǎn)一個(gè)角，則其關(guān)系為：角，則其關(guān)系為：這樣測桿的微小移動(dòng)這樣測桿的微小移動(dòng)s就可通過正切杠桿機(jī)構(gòu)和自準(zhǔn)直光管構(gòu)成的就可通過正切杠桿機(jī)構(gòu)和自準(zhǔn)直光管構(gòu)成的光杠桿原理，實(shí)現(xiàn)將微小位移進(jìn)行放大，其放大倍數(shù)為：光杠桿原理，實(shí)現(xiàn)將微小位移進(jìn)行放大，其放大倍數(shù)為：tan2tanbfsccK 當(dāng)當(dāng)很小時(shí)，且很小時(shí)，且f=200mm，b=5mm，則，則K=80。由于光學(xué)計(jì)的目鏡放大倍數(shù)為由于光學(xué)計(jì)的目鏡放大倍數(shù)為12，故光學(xué)計(jì)總放大倍數(shù)為，故光學(xué)計(jì)總放大倍數(shù)為960倍。倍。27(2) 臥式測長儀臥式測長儀測長儀有臥式和

30、立式兩種，其測量部件原理相同。測長儀有臥式和立式兩種，其測量部件原理相同。臥式測長儀原理：臥式測長儀原理：工件工件1安裝在尾座安裝在尾座4中的測砧中的測砧6與測座與測座7中的測軸中的測軸5之間，其尺寸由讀之間，其尺寸由讀數(shù)顯微鏡數(shù)顯微鏡3讀出。讀出。5上安裝有一只上安裝有一只100mm長的毫米刻度尺長的毫米刻度尺2，3將將2刻線刻線放大，并用平面螺旋線原理進(jìn)行細(xì)分讀數(shù)。放大，并用平面螺旋線原理進(jìn)行細(xì)分讀數(shù)。顯微鏡的光學(xué)原理：顯微鏡的光學(xué)原理：顯微鏡的物鏡為顯微鏡的物鏡為4，目鏡為，目鏡為5，光源，光源6發(fā)出的光照亮刻度尺發(fā)出的光照亮刻度尺3，3上的兩條相鄰毫上的兩條相鄰毫米刻線經(jīng)米刻線經(jīng)4成像

31、以后正好等于固定分劃板成像以后正好等于固定分劃板2上的上的10個(gè)刻線間距，因此個(gè)刻線間距，因此2上的每個(gè)刻線上的每個(gè)刻線間距代表間距代表0.1mm。圖中。圖中1是刻有雙刻線的是刻有雙刻線的平面平面螺旋線分劃板。該分劃板可以轉(zhuǎn)動(dòng)，并在內(nèi)圓周上均螺旋線分劃板。該分劃板可以轉(zhuǎn)動(dòng)，并在內(nèi)圓周上均勻地刻有勻地刻有100條刻線，平面螺旋線的螺距與條刻線，平面螺旋線的螺距與2上的刻線上的刻線間距相等。因此也代成間距相等。因此也代成0.1mm。28(2) 測長儀原理顯微鏡的光學(xué)原理：顯微鏡的光學(xué)原理：測量時(shí)，用目鏡測量時(shí)，用目鏡5觀察，可見到觀察，可見到3組刻線：刻度尺組刻線：刻度尺3上分度值為上分度值為1m

32、m的刻線；固定分劃板的刻線；固定分劃板2上分度值為上分度值為0.1mm的刻線和平面螺旋線及其上的圓周刻線。的刻線和平面螺旋線及其上的圓周刻線。先讀毫米讀數(shù)先讀毫米讀數(shù)如圖中的如圖中的46，然后按毫米刻線，然后按毫米刻線(如如46)在固定分劃板在固定分劃板2上的位置讀出零點(diǎn)幾毫米的數(shù)上的位置讀出零點(diǎn)幾毫米的數(shù)(如如0.3)，最后轉(zhuǎn)動(dòng)小滾花輪，最后轉(zhuǎn)動(dòng)小滾花輪7即平面螺旋線分劃板即平面螺旋線分劃板1，使平面螺旋線的雙線將毫米刻度尺刻線夾住，再從圓使平面螺旋線的雙線將毫米刻度尺刻線夾住，再從圓周分度上讀出尾數(shù)周分度上讀出尾數(shù)(如如62m)。讀數(shù)方法：讀數(shù)方法：46.362mm顯微鏡讀數(shù)裝置應(yīng)用較廣，

33、除在測長儀上應(yīng)用外，在比長儀上、顯微鏡讀數(shù)裝置應(yīng)用較廣，除在測長儀上應(yīng)用外，在比長儀上、凸輪軸檢查儀上以及萬能工具顯微鏡上均有應(yīng)用。凸輪軸檢查儀上以及萬能工具顯微鏡上均有應(yīng)用。292. 光波干涉式量儀這類量儀主要利用光的分振幅法將同一光源的光分成兩束，一束為這類量儀主要利用光的分振幅法將同一光源的光分成兩束，一束為參考光，另一束為測量光，兩束光相遇后發(fā)生干涉。由于測量光束的光參考光，另一束為測量光，兩束光相遇后發(fā)生干涉。由于測量光束的光程隨被測工件尺寸變化而變化，因此兩光束相遇后光程差也發(fā)生變化，程隨被測工件尺寸變化而變化，因此兩光束相遇后光程差也發(fā)生變化，干涉條紋將產(chǎn)生移動(dòng)。通過測量干涉條紋

34、的移動(dòng)距離干涉條紋將產(chǎn)生移動(dòng)。通過測量干涉條紋的移動(dòng)距離(或干涉條紋移過或干涉條紋移過的數(shù)目的數(shù)目)即可測得微小直線位移。即可測得微小直線位移。接觸干涉儀接觸干涉儀光源光源1發(fā)出的光經(jīng)聚光鏡發(fā)出的光經(jīng)聚光鏡2、濾色片安裝孔、濾色片安裝孔3射入分光鏡射入分光鏡4。光束從分光鏡上分成兩束：一束。光束從分光鏡上分成兩束：一束透過透過4、補(bǔ)償鏡、補(bǔ)償鏡5到達(dá)和儀器測桿相連的反射鏡到達(dá)和儀器測桿相連的反射鏡6，然后從反射鏡反射按原光路回到然后從反射鏡反射按原光路回到4，形成測量光，形成測量光束；另一束光在束；另一束光在4上反射至參考鏡上反射至參考鏡7，再由參考鏡，再由參考鏡7反射回反射回4，形成參考光束

35、。此兩束光相遇后產(chǎn)生，形成參考光束。此兩束光相遇后產(chǎn)生干涉。從目鏡干涉。從目鏡10中即可看到干涉條紋。中即可看到干涉條紋。30接觸干涉儀接觸干涉儀測量開始時(shí)，先將濾色片測量開始時(shí)，先將濾色片(已知標(biāo)準(zhǔn)已知標(biāo)準(zhǔn)波長波長)裝于安裝孔裝于安裝孔3上，然后調(diào)整反射鏡上，然后調(diào)整反射鏡7與光軸的傾角，從而調(diào)整干涉條紋的寬與光軸的傾角，從而調(diào)整干涉條紋的寬度和方向，并可定出在此狀態(tài)下刻度尺度和方向，并可定出在此狀態(tài)下刻度尺9的分度值。取下濾色片，再用白光照明，的分度值。取下濾色片，再用白光照明，此時(shí)在目鏡中可看到彩色干涉條紋。其此時(shí)在目鏡中可看到彩色干涉條紋。其中，零級(jí)干涉條紋是一條黑線，則以此中，零級(jí)干

36、涉條紋是一條黑線，則以此黑線作為儀器指針進(jìn)行讀數(shù)。由上述光黑線作為儀器指針進(jìn)行讀數(shù)。由上述光學(xué)系統(tǒng)可知，這種儀器是按邁克爾遜干學(xué)系統(tǒng)可知，這種儀器是按邁克爾遜干涉儀原理設(shè)計(jì)的。涉儀原理設(shè)計(jì)的。311.莫爾條紋光柵在幾何量計(jì)量中應(yīng)用愈來愈廣。這里主要指計(jì)量光柵，這種光柵光柵在幾何量計(jì)量中應(yīng)用愈來愈廣。這里主要指計(jì)量光柵，這種光柵一般分為長光柵和圓光柵。長光柵相當(dāng)于一根線紋密度較大的刻度尺，通一般分為長光柵和圓光柵。長光柵相當(dāng)于一根線紋密度較大的刻度尺，通常每常每1mm刻刻25條、條、50條或條或100條刻線。圓光柵相當(dāng)于線紋密度大的分度條刻線。圓光柵相當(dāng)于線紋密度大的分度盤，一般在一個(gè)圓周上刻上

37、盤，一般在一個(gè)圓周上刻上 5400條、條、10800條或條或21600條刻線。條刻線。將兩塊柵距相同的長光柵將兩塊柵距相同的長光柵(或圓光柵或圓光柵)疊放在一起，使兩光柵保持疊放在一起，使兩光柵保持0.010.1mm的間距，并使兩塊光柵的線紋相的間距，并使兩塊光柵的線紋相交一個(gè)很小角度，即得如圖交一個(gè)很小角度，即得如圖a所示的莫爾所示的莫爾條紋。條紋。從幾何學(xué)的觀點(diǎn)來看，莫爾條紋就是從幾何學(xué)的觀點(diǎn)來看，莫爾條紋就是同類同類(明的或暗的明的或暗的)線紋交點(diǎn)的連線。由于線紋交點(diǎn)的連線。由于光柵的衍射現(xiàn)象，實(shí)際得到的莫爾條紋如光柵的衍射現(xiàn)象，實(shí)際得到的莫爾條紋如圖圖b所示。所示。第六節(jié)第六節(jié) 坐標(biāo)測

38、量機(jī)中的光柵與激光測量原理坐標(biāo)測量機(jī)中的光柵與激光測量原理一、光柵裝置一、光柵裝置321.莫爾條紋BWtanWB1 很小很小由于由于角是一個(gè)很小的數(shù)，因而角是一個(gè)很小的數(shù)，因而1/是一個(gè)較大是一個(gè)較大的數(shù)。這樣測量莫爾條紋寬度就比測量光柵線紋寬度容的數(shù)。這樣測量莫爾條紋寬度就比測量光柵線紋寬度容易得多，由此可知莫爾條紋起著放大作用。易得多，由此可知莫爾條紋起著放大作用。當(dāng)兩光柵尺在當(dāng)兩光柵尺在X方向產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋在方向產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋在大約與大約與X相垂直的相垂直的Y方向也產(chǎn)生移動(dòng)。當(dāng)光柵移動(dòng)一個(gè)方向也產(chǎn)生移動(dòng)。當(dāng)光柵移動(dòng)一個(gè)柵距時(shí)，莫爾條紋隨之移動(dòng)一個(gè)條紋間距。當(dāng)光柵尺按柵

39、距時(shí)，莫爾條紋隨之移動(dòng)一個(gè)條紋間距。當(dāng)光柵尺按相反方向移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋的移動(dòng)方向也相反。相反方向移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋的移動(dòng)方向也相反。莫爾條紋還具有平均作用。每條莫爾條紋都是由許多光柵線紋的交點(diǎn)莫爾條紋還具有平均作用。每條莫爾條紋都是由許多光柵線紋的交點(diǎn)組成，當(dāng)線紋中有一條線紋有誤差時(shí)組成，當(dāng)線紋中有一條線紋有誤差時(shí)(間距不等、歪斜或彎曲間距不等、歪斜或彎曲)，這條有誤，這條有誤差的線紋和另一光柵線紋的交點(diǎn)位置將產(chǎn)生變化。但是一條莫爾條紋是由差的線紋和另一光柵線紋的交點(diǎn)位置將產(chǎn)生變化。但是一條莫爾條紋是由許多光柵線紋的交點(diǎn)組成，因此一條線紋交點(diǎn)的位置變化對(duì)一條莫爾條紋許多光柵線紋的交點(diǎn)組成，因此一

40、條線紋交點(diǎn)的位置變化對(duì)一條莫爾條紋來說影響就非常小，因而莫爾條紋具有平均效應(yīng)。來說影響就非常小，因而莫爾條紋具有平均效應(yīng)。332.計(jì)數(shù)原理光柵計(jì)數(shù)裝置種類較多，讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)、細(xì)分方法等也各不相同。圖光柵計(jì)數(shù)裝置種類較多，讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)、細(xì)分方法等也各不相同。圖a是是一種簡單的光柵頭示意圖，圖一種簡單的光柵頭示意圖，圖b是其數(shù)顯裝置。光源是其數(shù)顯裝置。光源1發(fā)出的光經(jīng)透鏡發(fā)出的光經(jīng)透鏡2成成一束平行光，這束光穿過標(biāo)尺光柵一束平行光，這束光穿過標(biāo)尺光柵4和指示光柵和指示光柵3后形成莫爾條紋。在指示后形成莫爾條紋。在指示光柵后安放一個(gè)四分硅光電池光柵后安放一個(gè)四分硅光電池5。調(diào)整指示光柵相對(duì)于標(biāo)尺光柵的夾

41、角。調(diào)整指示光柵相對(duì)于標(biāo)尺光柵的夾角，使條紋寬度使條紋寬度B等于四分硅光電池的寬度，當(dāng)莫爾條紋信號(hào)落到光電池上后，等于四分硅光電池的寬度，當(dāng)莫爾條紋信號(hào)落到光電池上后，則由四分硅光電池引出則由四分硅光電池引出4路光電信號(hào)，且相鄰兩信號(hào)的相位相差路光電信號(hào)，且相鄰兩信號(hào)的相位相差90。當(dāng)。當(dāng)標(biāo)尺光柵相對(duì)于指示光柵移動(dòng)時(shí)，可逆計(jì)數(shù)器就能進(jìn)行計(jì)數(shù)。其計(jì)數(shù)電路標(biāo)尺光柵相對(duì)于指示光柵移動(dòng)時(shí)，可逆計(jì)數(shù)器就能進(jìn)行計(jì)數(shù)。其計(jì)數(shù)電路方框圖如圖方框圖如圖3-17所示。所示。34計(jì)數(shù)電路方框圖計(jì)數(shù)電路方框圖由硅光電池引出的由硅光電池引出的4路信號(hào)分別送入兩個(gè)差動(dòng)放大器，然后差動(dòng)放大器路信號(hào)分別送入兩個(gè)差動(dòng)放大器，然

42、后差動(dòng)放大器分別輸出相位相差分別輸出相位相差90的兩路信號(hào)，再經(jīng)整形、倍頻和微分后，經(jīng)門電路的兩路信號(hào)，再經(jīng)整形、倍頻和微分后，經(jīng)門電路到可逆計(jì)數(shù)器，最后由數(shù)字顯示器顯示出兩光柵尺相對(duì)移動(dòng)的距離。工作到可逆計(jì)數(shù)器，最后由數(shù)字顯示器顯示出兩光柵尺相對(duì)移動(dòng)的距離。工作時(shí)，標(biāo)尺光柵和指示光柵分別安裝在儀器的固定部件和運(yùn)動(dòng)部件上，可代時(shí)，標(biāo)尺光柵和指示光柵分別安裝在儀器的固定部件和運(yùn)動(dòng)部件上，可代替光學(xué)標(biāo)尺。替光學(xué)標(biāo)尺。35直角棱鏡由直角棱鏡由4個(gè)面組成，其中個(gè)面組成，其中abd，acd和和bdc三三個(gè)反射面彼此相互垂直，個(gè)反射面彼此相互垂直，d為錐頂，為錐頂，abc是入射面是入射面也是出射面）。也是

43、出射面）。當(dāng)光束當(dāng)光束A由由abc面射入，經(jīng)面射入，經(jīng)acd，abd和和bcd三個(gè)面三個(gè)面三次反射后，由三次反射后，由abc面射出。這種立體直角棱鏡能保面射出。這種立體直角棱鏡能保證入射光證入射光A和出射光和出射光B平行，因而降低了對(duì)導(dǎo)軌直線平行，因而降低了對(duì)導(dǎo)軌直線度的要求。度的要求。這種儀器和接觸干涉儀的原理是相同的。這種儀器和接觸干涉儀的原理是相同的。由于激光的干涉長度大，故可測范圍也大，為由于激光的干涉長度大，故可測范圍也大，為使反射鏡的移動(dòng)不因?qū)к壍恼`差而影響正常的使反射鏡的移動(dòng)不因?qū)к壍恼`差而影響正常的工作，因此將接觸干涉儀的平面反射鏡工作，因此將接觸干涉儀的平面反射鏡7和和6改改

44、成立體直角棱鏡，并取消了補(bǔ)償鏡成立體直角棱鏡，并取消了補(bǔ)償鏡5。立體直角棱鏡立體直角棱鏡二、激光裝置二、激光裝置36激光測長機(jī)激光測長機(jī)JDJ1000型激光測長機(jī)光路從氨氖激光器從氨氖激光器5射出的光束經(jīng)反射鏡射出的光束經(jīng)反射鏡6、7到到達(dá)準(zhǔn)直光管達(dá)準(zhǔn)直光管8。從。從8射出的光經(jīng)移相分光鏡射出的光經(jīng)移相分光鏡10分分成兩束：一束光由移相分光鏡反射，經(jīng)反射鏡成兩束：一束光由移相分光鏡反射，經(jīng)反射鏡3、光楔光楔2到固定立體直角棱鏡到固定立體直角棱鏡1，再由，再由1經(jīng)原光路返經(jīng)原光路返回到回到10，形成參考光束；另一束光透過，形成參考光束；另一束光透過10到達(dá)到達(dá)活動(dòng)立體直角棱鏡活動(dòng)立體直角棱鏡12

45、(它隨測座移動(dòng)它隨測座移動(dòng))，再經(jīng)，再經(jīng)12返回到返回到10。兩束光相遇后在。兩束光相遇后在10上透射和反射，上透射和反射，從而在分光鏡前、后形成兩組干涉條紋。通過控從而在分光鏡前、后形成兩組干涉條紋。通過控制制10的鍍膜層厚度，可使兩干涉條紋相位相差的鍍膜層厚度，可使兩干涉條紋相位相差90，并分別由光電三極管，并分別由光電三極管9，11接收，將光信接收，將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸入計(jì)數(shù)器電路，最后顯示出號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸入計(jì)數(shù)器電路，最后顯示出12的直線位移量。圖中的光電三極管的直線位移量。圖中的光電三極管4用于接受激用于接受激光光強(qiáng)變化信息，用于激光器的穩(wěn)頻。光光強(qiáng)變化信息，用于激光器的穩(wěn)頻。上

46、述單頻激光干涉法常受一些不利因素的影響上述單頻激光干涉法常受一些不利因素的影響(如穩(wěn)頻狀況、測量環(huán)境如穩(wěn)頻狀況、測量環(huán)境變化等變化等)，因此。雙頻激光干涉儀也得到廣泛應(yīng)用，特別是對(duì)較大尺寸的測，因此。雙頻激光干涉儀也得到廣泛應(yīng)用，特別是對(duì)較大尺寸的測量，由于它采用差頻信號(hào)、交流放大，因而可在車間環(huán)境下工作。量，由于它采用差頻信號(hào)、交流放大，因而可在車間環(huán)境下工作。37第七節(jié)第七節(jié) 探針掃描顯微鏡簡介探針掃描顯微鏡簡介 1982 1982年，年，IBMIBM瑞士蘇黎士實(shí)驗(yàn)室的葛瑞士蘇黎士實(shí)驗(yàn)室的葛賓尼賓尼G GBinningBinning和海和海羅雷爾羅雷爾H HRohrerRohrer研制研制

47、出世界上第一臺(tái)掃描隧道顯微鏡出世界上第一臺(tái)掃描隧道顯微鏡Scanning Scanning Tunneling MicroTunneling Microscopescope，簡稱，簡稱STMSTM）。）。STMSTM使人使人類第一次能夠?qū)崟r(shí)地觀察單個(gè)原子在物質(zhì)表面的類第一次能夠?qū)崟r(shí)地觀察單個(gè)原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為，在表面科學(xué)、材料排列狀態(tài)和與表面電子行為，在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中有著重大的意義科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中有著重大的意義和廣泛的應(yīng)用前景，被國際科學(xué)界公認(rèn)為和廣泛的應(yīng)用前景，被國際科學(xué)界公認(rèn)為2020世紀(jì)世紀(jì)8080年代世界十大科技成就之一。為

48、表彰年代世界十大科技成就之一。為表彰STMSTM的發(fā)明的發(fā)明者們對(duì)科學(xué)研究所作出的杰出貢獻(xiàn)，者們對(duì)科學(xué)研究所作出的杰出貢獻(xiàn)，19861986年賓尼年賓尼和羅雷爾被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。和羅雷爾被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。1.隧道顯微鏡隧道顯微鏡STMn 掃描隧道顯微鏡的基本原理是將極細(xì)探針和掃描隧道顯微鏡的基本原理是將極細(xì)探針和被研究物質(zhì)的表面作為兩個(gè)電極，當(dāng)樣品與針尖被研究物質(zhì)的表面作為兩個(gè)電極，當(dāng)樣品與針尖的距離非常接近大約為的距離非常接近大約為0.30.31.0nm1.0nm時(shí)，在外時(shí)，在外加偏置電壓的作用下，電子會(huì)穿過兩個(gè)電極之間加偏置電壓的作用下，電子會(huì)穿過兩個(gè)電極之間的勢(shì)壘流向另一電極

49、。也就是說電子就可以因量的勢(shì)壘流向另一電極。也就是說電子就可以因量子隧道效應(yīng)由針尖或樣品轉(zhuǎn)移到樣品或針子隧道效應(yīng)由針尖或樣品轉(zhuǎn)移到樣品或針尖），在針尖與樣品之間形成隧道電流尖），在針尖與樣品之間形成隧道電流. .1.隧道顯微鏡隧道顯微鏡STM40 02224kbaeUdkhej 勢(shì)勢(shì)壘壘高高度度。隧隧道道間間隙隙；偏偏置置電電壓壓；為為系系數(shù)數(shù)；、電電子子電電量量；普普朗朗克克常常數(shù)數(shù)；數(shù)數(shù)；針針尖尖樣樣品品的的平平均均功功函函 ddUkkehba0 隧道電流隧道電流j j：1.隧道顯微鏡隧道顯微鏡STM a)a)恒電流模式：恒電流模式：n恒電流模式中，恒電流模式中，STMSTM在掃描時(shí)始終保

50、持隧道在掃描時(shí)始終保持隧道電流的恒定，這是通過反饋回路控制針尖和電流的恒定，這是通過反饋回路控制針尖和樣品之間的距離的不斷變化來實(shí)現(xiàn)的。從反樣品之間的距離的不斷變化來實(shí)現(xiàn)的。從反饋回路取得針尖在樣品表面掃描過程中它們饋回路取得針尖在樣品表面掃描過程中它們之間距離的變化信息，就可以得到最終的樣之間距離的變化信息，就可以得到最終的樣品表面的原子圖像。由于恒電流模式時(shí)，品表面的原子圖像。由于恒電流模式時(shí)，STMSTM的針尖隨著樣品表面形貌的起伏而上下移動(dòng)，的針尖隨著樣品表面形貌的起伏而上下移動(dòng)，針尖不會(huì)因表面形貌起伏太大而碰撞到物體針尖不會(huì)因表面形貌起伏太大而碰撞到物體表面，因此可以用來觀察形貌起伏

51、較大的樣表面，因此可以用來觀察形貌起伏較大的樣品。正因?yàn)榫邆湟陨系奶攸c(diǎn)，恒電流模式成品。正因?yàn)榫邆湟陨系奶攸c(diǎn)，恒電流模式成為最常用的掃描模式。為最常用的掃描模式。 a)a)恒電流模式：恒電流模式： b) b) 恒高度模式：恒高度模式：n恒高度模式中，針尖的高度始終不變，表面恒高度模式中，針尖的高度始終不變，表面的原子圖像是通過取出掃描過程中針尖和樣的原子圖像是通過取出掃描過程中針尖和樣品之間隧道電流變化的信息得到的。由于在品之間隧道電流變化的信息得到的。由于在恒高度模式中針尖的高度恒定不變，當(dāng)表面恒高度模式中針尖的高度恒定不變，當(dāng)表面形貌起伏較大時(shí)，針尖很容易碰撞到樣品，形貌起伏較大時(shí)，針尖很

52、容易碰撞到樣品，因此恒高度模式只能用于觀察表面形貌起伏因此恒高度模式只能用于觀察表面形貌起伏不大的樣品。但由于沒有反饋控制環(huán)節(jié)，因不大的樣品。但由于沒有反饋控制環(huán)節(jié)，因此恒高度掃描模式的測量速度更快。此恒高度掃描模式的測量速度更快。 b) b) 恒高度模式：恒高度模式：2. 原子力顯微鏡原子力顯微鏡AFM）n掃描隧道顯微鏡工作時(shí)要檢測針尖和樣品之掃描隧道顯微鏡工作時(shí)要檢測針尖和樣品之間隧道電流的變化，因此它只能直接觀察導(dǎo)間隧道電流的變化，因此它只能直接觀察導(dǎo)體和半導(dǎo)體的表面結(jié)構(gòu)。而在研究非導(dǎo)電材體和半導(dǎo)體的表面結(jié)構(gòu)。而在研究非導(dǎo)電材料時(shí)必須在其表面覆蓋一層導(dǎo)電膜。導(dǎo)電膜料時(shí)必須在其表面覆蓋一層

53、導(dǎo)電膜。導(dǎo)電膜的存在往往掩蓋了樣品的表面結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。的存在往往掩蓋了樣品的表面結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。為了彌補(bǔ)掃描隧道顯微鏡的這一不足，為了彌補(bǔ)掃描隧道顯微鏡的這一不足，19861986年年BinningBinning、QuateQuate和和GerberGerber發(fā)明了第一臺(tái)原發(fā)明了第一臺(tái)原子力顯微鏡子力顯微鏡AFMAFM）。）。AFMAFM示意圖示意圖 n原子力顯微鏡是將一個(gè)對(duì)微弱力敏感的微懸臂一原子力顯微鏡是將一個(gè)對(duì)微弱力敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小的針尖，針尖與樣品的表端固定，另一端有一微小的針尖，針尖與樣品的表面輕輕接觸，由于針尖尖端原子與樣品表面原子間面輕輕接觸，由于針尖尖端原子與樣

54、品表面原子間存在極微弱的排斥力存在極微弱的排斥力10-810-810-6 N10-6 N），通過掃描），通過掃描時(shí)控制這種力的恒定，帶有針尖的微懸臂將對(duì)應(yīng)于時(shí)控制這種力的恒定，帶有針尖的微懸臂將對(duì)應(yīng)于針尖與樣品表面原子間作用力的等位面而在垂直于針尖與樣品表面原子間作用力的等位面而在垂直于樣品的表面方向起伏運(yùn)動(dòng)。利用光學(xué)檢測法和隧道樣品的表面方向起伏運(yùn)動(dòng)。利用光學(xué)檢測法和隧道電流檢測法，可以測得微懸臂對(duì)應(yīng)于掃描各點(diǎn)的位電流檢測法，可以測得微懸臂對(duì)應(yīng)于掃描各點(diǎn)的位置變化，從而可以獲得樣品的表面形貌的信息。置變化，從而可以獲得樣品的表面形貌的信息。2. 原子力顯微鏡原子力顯微鏡AFM）48第八節(jié)第八

55、節(jié) 測量誤差和數(shù)據(jù)處理測量誤差和數(shù)據(jù)處理Ll 1. 測量誤差測量誤差(絕對(duì)誤差絕對(duì)誤差)：測量結(jié)果與被測量的：測量結(jié)果與被測量的真值之差。真值之差。一、測量誤差的基本概念一、測量誤差的基本概念真值真值L：是難以獲得的。在實(shí)際工作中常以較高：是難以獲得的。在實(shí)際工作中常以較高精度的測量值作為相對(duì)真值。精度的測量值作為相對(duì)真值。lLf/ -測量誤差測量誤差 L- L-被測量的真值被測量的真值 l l測量結(jié)果測量結(jié)果相對(duì)誤差相對(duì)誤差f(%)49u1.隨機(jī)誤差：在同一條件下，多次測量同一量值隨機(jī)誤差：在同一條件下，多次測量同一量值時(shí)，誤差的絕對(duì)值和符號(hào)以不可預(yù)定的方式變化時(shí)，誤差的絕對(duì)值和符號(hào)以不可預(yù)

56、定的方式變化著的誤差。著的誤差。u是指測量結(jié)果與在重復(fù)性條件下對(duì)同一被測量進(jìn)是指測量結(jié)果與在重復(fù)性條件下對(duì)同一被測量進(jìn)行無限多次測量所得結(jié)果的平均值之差。行無限多次測量所得結(jié)果的平均值之差。u2.系統(tǒng)誤差：在同一條件下，多次測量同一量值系統(tǒng)誤差：在同一條件下，多次測量同一量值時(shí)，誤差的絕對(duì)值和符號(hào)保持恒定或按一定規(guī)律時(shí)，誤差的絕對(duì)值和符號(hào)保持恒定或按一定規(guī)律變化的誤差。變化的誤差。u是指在重復(fù)性條件下對(duì)同一被測量進(jìn)行無限多次是指在重復(fù)性條件下對(duì)同一被測量進(jìn)行無限多次測量所得結(jié)果的平均值與被測量的真值之差。測量所得結(jié)果的平均值與被測量的真值之差。u粗大誤差：超出在規(guī)定條件下預(yù)計(jì)的誤差。粗大誤差：

57、超出在規(guī)定條件下預(yù)計(jì)的誤差。二. 誤差的分類隨機(jī)系統(tǒng)LlLl 隨機(jī)LL系統(tǒng)50u精密度：表示測量結(jié)果中隨機(jī)誤差的影響程度。精密度：表示測量結(jié)果中隨機(jī)誤差的影響程度。u正確度：表示測量結(jié)果中系統(tǒng)誤差的影響程度。正確度：表示測量結(jié)果中系統(tǒng)誤差的影響程度。u準(zhǔn)確度精確度）：表示測量結(jié)果中隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差準(zhǔn)確度精確度）：表示測量結(jié)果中隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差綜合的影響程度。綜合的影響程度。正確度高正確度高精密度低精密度低正確度低正確度低精密度高精密度高準(zhǔn)確度高準(zhǔn)確度高測量精度測量精度測量結(jié)果與被測量真值的接近程度。測量結(jié)果與被測量真值的接近程度。511. 隨機(jī)誤差的正態(tài)分布隨機(jī)誤差的正態(tài)分布三、隨機(jī)誤差三

58、、隨機(jī)誤差在同一條件下，多次測量同一量值時(shí)，誤差的絕對(duì)值和符號(hào)以不可在同一條件下，多次測量同一量值時(shí)，誤差的絕對(duì)值和符號(hào)以不可預(yù)定的方式變化著，但誤差出現(xiàn)的整體是服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律的。預(yù)定的方式變化著，但誤差出現(xiàn)的整體是服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律的。隨機(jī)誤差是指測量結(jié)果與在重復(fù)性條件下對(duì)同一被測量進(jìn)行無限多隨機(jī)誤差是指測量結(jié)果與在重復(fù)性條件下對(duì)同一被測量進(jìn)行無限多次測量所得結(jié)果的平均值之差。次測量所得結(jié)果的平均值之差。大量實(shí)踐證明：多數(shù)隨機(jī)誤差是服從正態(tài)分布規(guī)律的。大量實(shí)踐證明：多數(shù)隨機(jī)誤差是服從正態(tài)分布規(guī)律的。概率分布密度函數(shù)為：概率分布密度函數(shù)為：222)(21)(Llelfy22221)(efy指數(shù)衰減函數(shù)

59、指數(shù)衰減函數(shù) 標(biāo)準(zhǔn)偏差52u對(duì)稱性：絕對(duì)值相等的正誤差和對(duì)稱性：絕對(duì)值相等的正誤差和負(fù)誤差出現(xiàn)的次數(shù)大致相等。負(fù)誤差出現(xiàn)的次數(shù)大致相等。u單峰性：絕對(duì)值小的誤差比絕對(duì)單峰性：絕對(duì)值小的誤差比絕對(duì)值大的誤差出現(xiàn)的次數(shù)多。值大的誤差出現(xiàn)的次數(shù)多。u有界性：在一定的條件下，誤差有界性：在一定的條件下，誤差的絕對(duì)值不會(huì)超過一定的限度。的絕對(duì)值不會(huì)超過一定的限度。u抵償性：當(dāng)測量次數(shù)抵償性：當(dāng)測量次數(shù)n增大到無增大到無窮時(shí)，正負(fù)誤差的總和趨于窮時(shí)，正負(fù)誤差的總和趨于0，算術(shù)平均值愈趨近于真值。算術(shù)平均值愈趨近于真值。 隨機(jī)誤差的特點(diǎn)隨機(jī)誤差的特點(diǎn)532. 標(biāo)準(zhǔn)偏差大小與誤差分布曲線的形狀有密切關(guān)系。22

60、221)(efy 越小， 大， 大，指數(shù)衰減快。21maxy222曲線變陡曲線變陡分布越集中，測量方法精密度越高。分布越集中，測量方法精密度越高。理論上：理論上：nnniin1222221.其中其中 lL 為隨機(jī)誤差為隨機(jī)誤差沒有系統(tǒng)誤差的條件下）沒有系統(tǒng)誤差的條件下）表表2-454隨機(jī)誤差的分布界限隨機(jī)誤差的分布界限理論上，隨機(jī)誤差的分布是在理論上，隨機(jī)誤差的分布是在 之間之間 實(shí)際上，常將實(shí)際上，常將 3 作為隨機(jī)誤差的誤差界限。作為隨機(jī)誤差的誤差界限。 3 也是包含因也是包含因子為子為3的擴(kuò)展不確定度的擴(kuò)展不確定度U測量總不確定度）測量總不確定度）.dep22221概率概率553. 算術(shù)