長度測量技術(shù)2課件

1、第五章 長度測量技術(shù) 第一節(jié) 長度檢測概述第二節(jié) 尺寸測量第三節(jié) 形位誤差測量第四節(jié) 表面粗糙度測量第五節(jié) 線位移與距離測量第六節(jié) 物位檢測技術(shù)第七節(jié) 納米測量技術(shù)1形位誤差測量是將被測要素和理想要素進(jìn)行比較，從而用數(shù)值描述實(shí)際要素與理想要素形狀或位置上的差異。每個(gè)參數(shù)的測量過程包括測量和評定兩個(gè)階段。形位誤差的基本概念第三節(jié) 形位誤差測量2形位誤差的分類3形狀誤差形狀誤差評定時(shí)，理想要素的位置應(yīng)符合最小條件。最小條件:是指被測實(shí)際要素對其理想要素的最大變動(dòng)量為最小。4第三節(jié) 形位誤差測量圓度誤差指包容同一正截面實(shí)際輪廓且半徑差為最小的兩同心圓的距離fm。一、圓度誤差定義：5最大內(nèi)切圓法：以內(nèi)

2、切于實(shí)際輪廓，且半徑為最大的內(nèi)切圓圓心為理想圓的圓心。最小包容區(qū)域法：理想圓位置符合最小條件。判別準(zhǔn)則：由兩同心圓包容實(shí)際輪廓時(shí)，至少有四個(gè)實(shí)測點(diǎn)內(nèi)外相間的在兩個(gè)圓周上。只適用于內(nèi)圓 6最小外接圓法：以包容實(shí)際輪廓且半徑為最小的外接圓圓心為理想圓的圓心。最小二乘圓法：以實(shí)際輪廓上各點(diǎn)至圓周距離的平方和為最小的圓的圓心為理想圓的圓心。圓度誤差的評定結(jié)果以最小包容區(qū)域法最小，最小二乘法稍大，其他兩種更大。只適用于外圓。 7圓度誤差測量圓度儀測量法：將被測零件安置在量儀工作臺上，調(diào)整其軸線與量儀回轉(zhuǎn)軸同軸。記錄被測零件在回轉(zhuǎn)一周內(nèi)截面各點(diǎn)的半徑差，繪制出極坐標(biāo)圖，最后評定出圓度誤差。8第三節(jié) 形位誤

3、差測量二、直線度誤差的測量直線度誤差：包容被測直線實(shí)際輪廓 且距離為最小的兩平行直線的距離測量方法：評定方法：求最小二乘直線，計(jì)算各點(diǎn)與直線的 距離i，直線度誤差S=maxmin 包容直線實(shí)際線S自準(zhǔn)直儀法xy單測頭法刀口尺法9第三節(jié) 形位誤差測量三、平面度誤差的測量平面度誤差：包容同一正截面實(shí)際輪廓 且距離為最小的兩平行平面的距離測量方法：評定方法：計(jì)算最小二乘平面， 計(jì)算各點(diǎn)與平面的距離i， 平面度誤差P=maxmin 自準(zhǔn)直儀法單測頭法激光干涉法10四、異形曲面的測量異形曲面：又稱空間自由曲面，通常指無法確切用解析幾何的方法描述的曲面。如火箭、飛機(jī)、汽車等的復(fù)雜外觀造型。異形曲面的高精度

4、檢測技術(shù)，研究的熱點(diǎn)。1112測量方法：手工測量法：使用最早，造價(jià)高、速度慢等。機(jī)器人測量法：裝探頭于機(jī)器人手上；適用范圍廣，速度快，精度不高。三坐標(biāo)機(jī)測量法：采用離散點(diǎn)檢測，速度慢，工作量大，無法實(shí)現(xiàn)在線檢測。經(jīng)緯儀組合測量法：經(jīng)緯儀；系統(tǒng)組合靈活，可實(shí)現(xiàn)大型零部件的在線非接觸高精度測量，但需人工瞄準(zhǔn)，工作強(qiáng)度大，效率較低。機(jī)器視覺測量法：用視覺傳感器采集目標(biāo)圖像，通過分析圖像，獲取被測曲面信息。很有發(fā)展前途。13視覺傳感器的類型及工作原理1 基于三角測距原理的視覺傳感器：測量精度高，可測范圍大，適用于生產(chǎn)現(xiàn)場使用。激光器-被測物體表面的被測點(diǎn)-成像在PSD或CCD上。點(diǎn)光源。2 三維掃描儀

5、也是采用視覺測量原理的，采用的光源為線光源或光柵式結(jié)構(gòu)光（多平行線。）3 雙目體視傳感器：利用立體視差。即兩臺性能相同、相互位置固定的攝像機(jī)，同時(shí)獲取同一被測表面兩個(gè)方向的圖像，計(jì)算空間特征點(diǎn)在兩幅圖像中的“視差”，繼而得到物體表面的距離信息。14雙目立體視覺80年代美國麻省理工學(xué)院人工智能實(shí)驗(yàn)室的Marr提出了一種視覺計(jì)算理論并應(yīng)用在雙睛匹配上，使兩張有視差的平面圖產(chǎn)生在深度的立體圖形，奠定了雙目立體視覺發(fā)展理論基礎(chǔ)。 其他體視方法，如透鏡板三維成像、投影式三維顯示、全息照相術(shù)等，雙目立體視覺直接模擬人類雙眼處理景物的方式，可靠簡便，在許多領(lǐng)域均極具應(yīng)用價(jià)值，如微操作系統(tǒng)的位姿檢測與控制、機(jī)

6、器人導(dǎo)航與航測、三維測量學(xué)及虛擬現(xiàn)實(shí)等。 15雙目立視技術(shù)的實(shí)現(xiàn)可分為以下步驟：圖像獲取、攝像機(jī)標(biāo)定、特征提取、圖像匹配和三維重建。 彩色視覺傳感器雙目顯微鏡16視覺系統(tǒng)的一般構(gòu)成光源圖像卡場景攝像機(jī)計(jì)算機(jī)典型視覺系統(tǒng)工作原理：光 敏感元件 電 （光電元件） 光源光通路光電元件測量電路光光電電yx1x2傳感器：17單目視覺：一個(gè)攝像組件（鏡頭+攝像機(jī)）多目視覺：多個(gè)攝像組件（鏡頭+攝像機(jī)）圖像采集部分、圖像處理部分、通信和I/O部分以及輸出和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。圖像采集系統(tǒng)：可視化圖像或特征數(shù)據(jù)場景鏡頭光源攝像機(jī)圖像存儲體計(jì)算機(jī)輸出鏡頭攝像機(jī)鏡頭攝像機(jī)控制電纜視覺系統(tǒng)流程圖圖像質(zhì)量好 圖像處理簡單、結(jié)果

7、理想圖像質(zhì)量差 圖象處理麻煩、結(jié)果不理想由光源、鏡頭、攝像機(jī)、圖像采集卡等構(gòu)成18機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)1 固定式系統(tǒng)：傳感器固定在剛性框架上，對定位在測試區(qū)內(nèi)的工件進(jìn)行檢測。適用于大批量同類產(chǎn)品的快速檢測。被測工件變化時(shí)，框架需要重新制作或改造。2 可動(dòng)式系統(tǒng)：傳感器沿著指定的路線移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對工件的檢測。一般用于單件產(chǎn)品或小批量生產(chǎn)的產(chǎn)品的檢測。固定式系統(tǒng)的測量速度和精度優(yōu)于可動(dòng)式系統(tǒng)，因而大型復(fù)雜工件的在線檢測，應(yīng)選擇固定式。19車身視覺檢測系統(tǒng)傳統(tǒng)的汽車車身檢測是采用坐標(biāo)測量機(jī)和靠模法，兩者都不能實(shí)現(xiàn)全部車輛各個(gè)位置的在線檢測。天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室葉聲華教授研制的車身三維尺

8、寸視覺檢測技術(shù)，可以說是汽車車身檢測的火眼金睛，它以圖像敏感元件（CCD攝像機(jī)）、圖像處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)在汽車車身制造過程中的非接觸、快速測量。 20視覺檢測系統(tǒng)傳感器陣列示意圖 21完整的汽車車身三維尺寸視覺檢測系統(tǒng)包括被測車身定位機(jī)構(gòu)、視覺傳感器、傳感器控制盒、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及測量軟件等組成。 視覺傳感器分三種，共30個(gè)，分別測量車身上不同的測量點(diǎn)。光條結(jié)構(gòu)光傳感器測量車身上各種棱線的空間位置；立體視覺傳感器測量車身上各個(gè)特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)；十字線結(jié)構(gòu)光傳感器測量車身上的圓孔尺寸及孔心坐標(biāo)。用這種方法檢測車身，只需要檢測30多個(gè)檢測點(diǎn)，用不到40秒的時(shí)間就可以對每

9、個(gè)車身進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的檢測。22第五章 長度測量技術(shù) 第一節(jié) 長度檢測概述第二節(jié) 尺寸測量第三節(jié) 形位誤差測量第四節(jié) 表面粗糙度測量第五節(jié) 線位移與距離測量第六節(jié) 物位檢測技術(shù)第七節(jié) 納米測量技術(shù)231、零件表面的形貌：(3)表面粗糙度：零件表面中峰谷的波長和波高之比 小于50成為表面粗糙度。(2)表面波紋度：零件表面中峰谷的波長和波高之比 等于501000的不平程度稱為波紋度。 會引起零件運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)、噪聲(1)形狀誤差 ：零件表面中峰谷的波長和波高之比 大于1000的不平程度屬于形狀誤差。具有微小峰谷，可分為三種情況:一、粗糙度的基本概念24粗糙度定義：表面粗糙度是一種微觀的 幾何形狀誤差

10、。粗糙度特點(diǎn)：量值?。úň嘈∮?mm)，變化頻率高。對零件性能的影響：影響零件的耐磨性。影響配合性質(zhì)的穩(wěn)定性。影響零件的疲勞強(qiáng)度。影響零件的抗腐蝕性。影響零件的密封性。影響零件的外觀、測量精度、表面光學(xué)性能影響導(dǎo)電導(dǎo)熱性能和膠合強(qiáng)度等2、粗糙度的定義：25國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：評定基準(zhǔn)為輪廓中線。 包括：最小二乘中線和算術(shù)平均中線最小二乘中線：使輪廓上各點(diǎn)至該線的 距離平方和為最小。評定基準(zhǔn)：評定表面粗糙度的一段參考線。算術(shù)平均中線：將實(shí)際輪廓?jiǎng)澐稚舷聝刹糠郑?且使上下面積相等的直線。3、粗糙度評定基準(zhǔn)：26(1) 輪廓算術(shù)平均偏差Ra：(2) 微觀不平度十點(diǎn)高度Rz：(3) 輪廓最大高度Ry：在取樣

11、長度內(nèi)，被測實(shí)際輪廓上各點(diǎn)至中線距離絕對值的平均值.在取樣長度內(nèi)，被測實(shí)際輪廓上5點(diǎn)最大峰高平均值與5點(diǎn)最大谷深平均值的絕對值和.在取樣長度內(nèi)，被測實(shí)際輪廓上峰頂與谷底之間距離.4、粗糙度的評定參數(shù)： 評定參數(shù)：通常采用下列參數(shù)之一來定量評定表面粗糙度。 271、粗糙度的接觸式測量：工作原理：觸針接觸被測表面， 移動(dòng)一段長度（切斷長度）， 傳感器輸出位移信號 位移傳感器：電感傳感器、壓電傳感器測量頭：導(dǎo)頭保持移動(dòng)方向，近似測量基準(zhǔn) 觸針獲取輪廓信號觸針式輪廓儀：電感式輪廓儀、 激光干涉式輪廓儀、壓電式輪廓儀二、粗糙度的測量方法28電感式輪廓儀：采用電感傳感器把觸針的微小位移信號轉(zhuǎn)換成電量輸出。

12、激光干涉式輪廓儀:干涉系統(tǒng)測量鏡與觸針分別位于杠桿的兩端，其位移量為確定的比例關(guān)系，由此可有測得的測量鏡的位移量計(jì)算得到觸針的位移量。壓電式輪廓儀：采用具有壓電特性的晶體作為傳感器的換能元件，把觸針的位移量轉(zhuǎn)化為壓電晶體的形變量，最終轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲭妷?。激光干涉式輪廓儀測量原理圖壓電式輪廓儀測量原理圖29工作原理：激光束聚焦于被測表面， 反射光束至光電探測器， 表面微觀輪廓引起離焦， 控制物鏡系統(tǒng)重新聚焦， 輸出控制信號大?。娏鳎?光學(xué)輪廓儀2、粗糙度的非接觸式測量：30第五章 長度測量技術(shù) 第一節(jié) 長度檢測概述第二節(jié) 尺寸測量第三節(jié) 形位誤差測量第四節(jié) 表面粗糙度測量第五節(jié) 線位移與距離測量

13、第六節(jié) 物位檢測技術(shù)第七節(jié) 納米測量技術(shù)31一、線位移測量1、接觸式線位移測量：(1) 電感位移傳感器：自感式傳感器：原理：位移 線圈電感變化特點(diǎn)：可靠，非線性嚴(yán)重范圍：測量微位移（1mm）互感式傳感器（差動(dòng)變壓器）：原理：位移 兩線圈互感變化特點(diǎn)：非線性小范圍：測量大范圍位移（100mm）32(2) 光柵式位移傳感器工作原理：疊合在一起形成一個(gè)小角度， 移動(dòng)時(shí)，形成明暗相間的條紋莫爾條紋定義：光柵是在玻璃基體上刻有均勻分布條紋的光學(xué)元件。構(gòu)成：主光柵（標(biāo)尺光柵）、指示光柵、光路系統(tǒng)、光電元件。特點(diǎn)：莫爾條紋寬度： W=a+b：W-柵距，a-線寬，b-縫寬精度高：光柵刻線誤差的平均效應(yīng)范圍大：

14、取決于主尺長度響應(yīng)快：光電式，適于動(dòng)態(tài)33(2) 光柵式位移傳感器1、光柵的構(gòu)造：342、工作原理(2) 光柵式位移傳感器 把兩塊柵距W 相等的光柵平行安裝，且讓它們的刻痕之間有較小的夾角時(shí)，這時(shí)光柵上會出現(xiàn)若干條明暗相間的條紋，這種條紋稱莫爾條紋，它們沿著與光柵條紋幾乎垂直的方向排列，如圖所示。 35莫爾條紋具有如下特點(diǎn)：1.莫爾條紋的位移與光柵的移動(dòng)成比例。光柵每移動(dòng)過一個(gè)柵距W，莫爾條紋就移動(dòng)過一個(gè)條紋間距B。2.莫爾條紋具有位移放大作用。莫爾條紋的間距B與兩光柵條紋夾角之間關(guān)系為3.莫爾條紋具有平均光柵誤差的作用。 (2) 光柵式位移傳感器36 通過光電元件，可將莫爾條紋移動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變

15、化轉(zhuǎn)換為近似正弦變化的電信號，如圖所示。 (2) 光柵式位移傳感器其電壓為：37 將此電壓信號放大、整形變換為方波，經(jīng)微分轉(zhuǎn)換為脈沖信號，再經(jīng)辨向電路和可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，則可用數(shù)字形式顯示出位移量，位移量等于脈沖與柵距乘積。測量分辨率等于柵距。(2) 光柵式位移傳感器382、非接觸式線位移測量：(1) 電容位移傳感器：原理：位移 極板移動(dòng)極距變化電容變化特點(diǎn)：范圍：測量微位移（1mm）初始電容量：分辨力極高：位移1nm動(dòng)極板質(zhì)量小，慣性小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好；非接觸，自身發(fā)熱和功耗??；非線性嚴(yán)重39(2) 電渦流位移傳感器原理：交變電流I1傳感器線圈被測導(dǎo)體交變磁場H1電渦流I2交變磁場H2參數(shù)變化輸出

16、信號線圈與導(dǎo)體距離變化 電感、阻抗、品質(zhì)因數(shù)等變化 - 輸出信號特點(diǎn)：不受液體、油污、灰塵等介質(zhì)的影響 測量范圍有限：僅適于近距離測試 數(shù)百毫米 非線性，精度不高 體積大，功耗高40(3) 激光位移傳感器原理：構(gòu)成：激光器：發(fā)射激光束 發(fā)射端鏡頭：準(zhǔn)直、匯聚 接收端鏡頭：成像 接收器：光電轉(zhuǎn)換（CCD, PSD）特點(diǎn)：測量精度高（0.03)，分辨率高(0.005）。 與被測體無關(guān)（軟硬、顏色、冷熱、材料） 量程可達(dá)數(shù)十厘米。傳感器探頭發(fā)射出的激光,通過特殊的透鏡被匯聚成一個(gè)直徑極小的光束，此光束被測量表面漫反射到一個(gè)分辨率極高的CCD或PSD探測器上,通過CCD或PSD所感應(yīng)到光束位置的不同，

17、精確測量被測物體位置變化。4142二、距離測量1、飛行時(shí)間測距激光器被測目標(biāo)被測距離:c - 光速 t - 往返飛行時(shí)間原理：特點(diǎn)：對時(shí)間測量精度要求高，適于測量超長距離激光器發(fā)出單個(gè)激光脈沖，并返回發(fā)射端接收應(yīng)用：建筑測繪、橋梁監(jiān)測、軍事探測、野外勘探、天體測量432、相位差測距激光器被測目標(biāo)被測距離:c-光速 f0-頻率 -相位差特點(diǎn)：測量精度高， 測量范圍大（中短距離）應(yīng)用：相機(jī)自動(dòng)對焦 建筑測繪、 軍用目標(biāo)原理：激光器發(fā)出連續(xù)激光脈沖 返回發(fā)射端接收二、距離測量44第五章 長度測量技術(shù) 第一節(jié) 長度檢測概述第二節(jié) 尺寸測量第三節(jié) 形位誤差測量第四節(jié) 表面粗糙度測量第五節(jié) 線位移與距離測

18、量第六節(jié) 物位檢測技術(shù)第七節(jié) 納米測量技術(shù)451、 壓力式液位計(jì)原理：液體對容器底面產(chǎn)生的靜壓力與液位高度成正比 (a) 壓力表式液位計(jì)測量開口容器液位高度的壓力式液位計(jì)(b)法蘭式液位變送器（隔膜式電容壓力傳感器 ）46對于密閉容器中的液位測量，還可用差壓法進(jìn)行測量，消除液面上部氣壓及氣壓波動(dòng)對示值的影響。差壓式液位計(jì)472. 鋼帶浮子式液位計(jì)右圖為直讀式鋼帶浮子式液位計(jì)，這是一種最簡單的液位計(jì)；浮子做成空心剛體，使它在平衡時(shí)能夠浮于液面。當(dāng)液位高度發(fā)生變化時(shí)，浮子就會跟隨液面上下移動(dòng)。因此測出浮子的位移就可知液位變化量。483、電容式物位計(jì)RLHL同心圓柱式電容器R、r外電極內(nèi)徑和內(nèi)電極外

19、徑493、電容式物位計(jì)大致可分成三種工作方式棒狀電極導(dǎo)電容器物料非導(dǎo)電液體整體絕緣探頭導(dǎo)電容器物料為導(dǎo)電性液體變面積型電容器具有內(nèi)外電極的管式電極非金屬容器物料為非導(dǎo)電性液體504、超聲波物位計(jì)可測量液體及粒狀松散并含有大量氣體的被測材料。515、雷達(dá)物位計(jì) 雷達(dá)物位計(jì)也采用發(fā)射反射接收的工作模式。 雷達(dá)物位計(jì)的天線發(fā)射出電磁波，這些波經(jīng)被測對象表面反射后，再被天線接收，電磁波從發(fā)射到接收的時(shí)間與到液面的距離成正比。 D雷達(dá)物位計(jì)到表面的距離 C光速 T電磁波運(yùn)行時(shí)間 采用一體化設(shè)計(jì)，無可動(dòng)部件，不存在機(jī)械磨損，使用壽命長； 幾乎可以測量所有介質(zhì)； 采用非接觸式測量，不受槽內(nèi)物體的密度、濃度等物理特性的影響； 測量范圍大，最大可達(dá)035m，可用于高溫、高壓的液位測量。 D=CT/252第五章 長度測量技術(shù) 第一節(jié) 長度檢測概述第二節(jié) 尺寸測量第三節(jié) 形位誤差測量第四節(jié) 表面粗糙度測量第五節(jié) 線位移與距離測量第六節(jié) 物位檢測技術(shù)第七節(jié) 納米測量技術(shù)53第七節(jié) 納米測量技術(shù)定義：尺度為0.01nm-100nm的測量技術(shù)。一、掃描隧道顯微鏡（STM） 1981年，IBM公司蘇黎世實(shí)驗(yàn)室研制成功了世界第一臺新型