(42)--第5章 长度测量技术-2.ppt

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1、1第五章 长度测量技术 第一节第一节 长度检测概述长度检测概述第二节第二节 尺寸测量尺寸测量第三节第三节 形位误差测量形位误差测量第四节第四节 表面粗糙度测量表面粗糙度测量第五节第五节 线位移与距离测量线位移与距离测量第六节第六节 物位检测技术物位检测技术2p形形位位误误差差测测量量是是将将被被测测要要素素和和理理想想要要素素进进行行比比较较，从从而而用数值描述实际要素与理想要素形状或位置上的差异。用数值描述实际要素与理想要素形状或位置上的差异。一、形位误差的基本概念一、形位误差的基本概念第三节第三节 形位误差测量形位误差测量p基准要素体现方法：基准要素体现方法：n模模拟拟法法：由由检检测测工

2、工具具上上高高精精度度要要素素代代替替基基准准要要素素(轮轮廓廓要素、中心要素要素、中心要素)n分分析析法法由由基基准准要要素素(轮轮廓廓要要素素、中中心心要要素素)上上有有限限采采样样点点坐标值按最小条件判别准则确定基准要素的方位坐标值按最小条件判别准则确定基准要素的方位n直接法：直接法：直接用基准要素直接用基准要素(轮廓要素轮廓要素)作为测量基准作为测量基准p被测要素的体现方法：被测要素的体现方法：n 轮廓要素：用有限点的实际坐标测量值来表征。轮廓要素：用有限点的实际坐标测量值来表征。n 中心要素：用有限点的坐标值来表征中心要素：用有限点的坐标值来表征 由有限轮廓要素测量点坐标计算得到；由

3、有限轮廓要素测量点坐标计算得到；通过对心轴、定位块等实物测量得到。通过对心轴、定位块等实物测量得到。3形位误差的分类形位误差的分类45形位误差评定形位误差评定确定形位误差值和测量不确定度的大小。确定形位误差值和测量不确定度的大小。测量阶段：测量得到能描述被测要素（基准要素）形状或位置的采样点的坐标值；评定阶段：选定评定方法，由评定数学模型确定 形位误差值和测量不确定度。两个阶段最大内接圆法最小外切圆法最小二乘圆法最小包容区域法6形状误差形状误差评定时，形状误差评定时，理想要素理想要素的位置应符合最小条件的位置应符合最小条件。最小条件最小条件:是指被测实际要素是指被测实际要素对其理想要素的最大变

4、动量对其理想要素的最大变动量为最小。为最小。7第三节第三节 形位误差测量形位误差测量圆度误差指包容同一正截面实际轮廓且半径差为最小的两圆度误差指包容同一正截面实际轮廓且半径差为最小的两同心圆的距离同心圆的距离f fm m。一、圆度误差定义一、圆度误差定义：最最大大内内切切圆圆法法：以以内内切切于于实实际际轮轮廓廓，且且半半径径为为最最大大的的内内切切圆圆圆圆心心为为理理想想圆的圆心。圆的圆心。最小包容区域法：最小包容区域法：理想圆位置符理想圆位置符合最小条件。合最小条件。判别准则：判别准则：由两同心圆包容实际由两同心圆包容实际轮廓时，至少有四个实测点内外轮廓时，至少有四个实测点内外相间的在两个

5、圆周上。相间的在两个圆周上。只适用于内圆只适用于内圆 9最小外接圆法：最小外接圆法：以包容实际轮廓且半以包容实际轮廓且半径为最小的外接圆圆径为最小的外接圆圆心为理想圆的圆心。心为理想圆的圆心。最小二乘圆法：最小二乘圆法：以实际轮廓上各点至圆以实际轮廓上各点至圆周距离的平方和为最小周距离的平方和为最小的圆的圆心为理想圆的的圆的圆心为理想圆的圆心。圆心。圆度误差的评定结果以最小包容区域圆度误差的评定结果以最小包容区域法最小，最小二乘法稍大，其他两种法最小，最小二乘法稍大，其他两种更大。更大。只适用于外圆。只适用于外圆。10圆度误差测量圆度误差测量圆度仪测量法：圆度仪测量法：将被测零件安置在量仪工作

6、台上，调整其将被测零件安置在量仪工作台上，调整其轴线与量仪回转轴同轴。记录被测零件在回转一周内截面轴线与量仪回转轴同轴。记录被测零件在回转一周内截面各点的半径差，绘制出极坐标图，最后评定出圆度误差。各点的半径差，绘制出极坐标图，最后评定出圆度误差。11图528 圆度仪结构示意图位置误差测量举例位置误差测量举例用圆度仪测量同轴度误差用圆度仪测量同轴度误差12同轴度误差定义：被测轴线偏离基准轴线最大距离的同轴度误差定义：被测轴线偏离基准轴线最大距离的2倍倍。图529图530测量评定步骤：均匀选取基准圆柱面和被测圆柱面的若干截面，测量其圆度误差曲线，用最小二乘法确定各截面的轴心；根据最小条件（或最小

7、二乘法）确定基准轴线的方位O0Oi，并延长至On；确定被测圆柱轴线采样点距离基准轴线的最大距离Rmax。13异形曲面测量异型曲面空间自由曲面，难以用解析几何方法确切描述的曲面。异型曲面测量：手工测量法、机器人测量法、坐标测量系统测量、视觉测量系统测量等。视觉传感器：能够获取物体表面第三维信息（远近信息）的光学成像 类传感器。视觉传感器光源：点光源、结构光光源、编码光源等。线结构光光栅式结构光同心圆环结构光黑白编码彩色编码不同形状的编码14异形曲面测量CCDCMOS15异形曲面测量 点光源视觉传感器仅能获得物体表面单点的第三维信息，必须配合二维移动扫描测量，才能获得物体表面轮廓的三维信息。图53

8、1 点光源三角法测头16异形曲面测量线结构光源17光栅式结构光源2024/1/418为什么要进行系统的整体标定？如何进行系统的整体标定？19测量系统构成：(1)三维激光跟踪仪(2)跟踪仪控制箱(3)三维光学扫描仪(4)测量软件包(5)跟踪仪三脚架(6)球型光靶(7)辅助三脚架(8)笔记本电脑特殊工件测量三维光学扫描仪辅助三脚架跟踪仪三脚架跟踪仪控制箱笔记本电脑被测工件三维激光跟踪仪控制线球型光靶扫描光束激光束20第三节第三节 形位误差测量形位误差测量二、直线度误差二、直线度误差的测量的测量直线度误差：包容被测直线实际轮廓直线度误差：包容被测直线实际轮廓 且距离为最小的两平行直线的距离且距离为最

9、小的两平行直线的距离测量方法：测量方法：评定方法：求最小二乘直线，计算各点与直线的评定方法：求最小二乘直线，计算各点与直线的 距离距离i i，直线度误差，直线度误差S S=maxmaxminmin 包容直线实际线S自准直仪法自准直仪法xy单测头法单测头法刀口尺法刀口尺法21第三节第三节 形位误差测量形位误差测量三、平面度误差三、平面度误差的测量的测量平面度误差：包容同一正截面实际轮廓平面度误差：包容同一正截面实际轮廓 且距离为最小的两平行平面的距离且距离为最小的两平行平面的距离测量方法：测量方法：评定方法：计算最小二乘平面，评定方法：计算最小二乘平面，计算各点与平面的距离计算各点与平面的距离i

10、 i，平面度误差平面度误差P P=maxmaxminmin自准直仪法自准直仪法单测头法单测头法激光干涉法激光干涉法22第五章 长度测量技术 第一节第一节 长度检测概述长度检测概述第二节第二节 尺寸测量尺寸测量第三节第三节 形位误差测量形位误差测量第四节第四节 表面粗糙度测量表面粗糙度测量第五节第五节 线位移与距离测量线位移与距离测量第六节第六节 物位检测技术物位检测技术231 1、零件表面的形貌：、零件表面的形貌：(3)(3)表面粗糙度：零件表面中峰谷的波长和波高之比表面粗糙度：零件表面中峰谷的波长和波高之比 小于小于5050成为表面粗糙度。成为表面粗糙度。(2)(2)表面波纹度：零件表面中峰

11、谷的波长和波高之比表面波纹度：零件表面中峰谷的波长和波高之比 等于等于505010001000的不平程度称为波纹度。的不平程度称为波纹度。会引起零件运转时的振动、噪声会引起零件运转时的振动、噪声(1)(1)形状误差形状误差 ：零件表面中峰谷的波长和波高之比：零件表面中峰谷的波长和波高之比 大于大于10001000的不平程度属于形状误差。的不平程度属于形状误差。具有微小峰谷，可分为三种情况具有微小峰谷，可分为三种情况:一、粗糙度的基本概念一、粗糙度的基本概念24粗糙度定义：表面粗糙度是一种微观的粗糙度定义：表面粗糙度是一种微观的 几何形状误差。几何形状误差。粗糙度特点：量值小（波距粗糙度特点：量

12、值小（波距小于小于1mm)1mm)，变化频率高。，变化频率高。对零件性能的影响：对零件性能的影响：影响零件的耐磨性。影响零件的耐磨性。影响配合性质的稳定性。影响配合性质的稳定性。影响零件的疲劳强度。影响零件的疲劳强度。影响零件的抗腐蚀性。影响零件的抗腐蚀性。影响零件的密封性。影响零件的密封性。影响零件的外观、测量精度、表面光学性能影响零件的外观、测量精度、表面光学性能影响导电导热性能和胶合强度等影响导电导热性能和胶合强度等2 2、粗糙度的定义：、粗糙度的定义：25国家标准规定：评定基准为轮廓中线。国家标准规定：评定基准为轮廓中线。包括：最小二乘中线和算术平均中线包括：最小二乘中线和算术平均中线

13、最小二乘中线：使轮廓上各点至该线的最小二乘中线：使轮廓上各点至该线的 距离平方和为最小。距离平方和为最小。评定基准：评定基准：评定表面粗糙度的一段参考线。评定表面粗糙度的一段参考线。算术平均中线：将实际轮廓划分上下两部分，算术平均中线：将实际轮廓划分上下两部分，且使上下面积相等的直线且使上下面积相等的直线 。3 3、粗糙度评定基准：、粗糙度评定基准：26(1)(1)轮廓算术平均偏差轮廓算术平均偏差RaRa：(2)(2)微观不平度十点高度微观不平度十点高度RzRz：(3)(3)轮廓最大高度轮廓最大高度RyRy：在取样长度内，被测实际轮廓上各点在取样长度内，被测实际轮廓上各点至中线距离绝对值的平均

14、值至中线距离绝对值的平均值在取样长度内，被测实际轮廓上在取样长度内，被测实际轮廓上5 5点最大峰点最大峰高平均值与高平均值与5 5点最大谷深平均值的绝对值和点最大谷深平均值的绝对值和在取样长度内，被测实际轮廓上峰顶在取样长度内，被测实际轮廓上峰顶与谷底之间距离与谷底之间距离4、粗糙度的评定参数：、粗糙度的评定参数：评定參数评定參数：通常采用下列參数之一来定量评定表面粗糙度。：通常采用下列參数之一来定量评定表面粗糙度。271、粗糙度的接触式测量：、粗糙度的接触式测量：工作原理：触针接触被测表面，工作原理：触针接触被测表面，移动一段长度（切断长度），移动一段长度（切断长度），传感器输出位移信号传感

15、器输出位移信号 位移传感器：电感传感器、压电传感器位移传感器：电感传感器、压电传感器测量头：导头保持移动方向，近似测量基准测量头：导头保持移动方向，近似测量基准 触针获取轮廓信号触针获取轮廓信号触针式轮廓仪：触针式轮廓仪：电感式轮廓仪、压电式轮廓仪、激光干涉式轮廓仪电感式轮廓仪、压电式轮廓仪、激光干涉式轮廓仪二、粗糙度的测量方法二、粗糙度的测量方法28工作原理：激光束聚焦于被测表面，工作原理：激光束聚焦于被测表面，反射光束至光电探测器，反射光束至光电探测器，表面微观轮廓引起离焦，表面微观轮廓引起离焦，控制物镜系统重新聚焦，控制物镜系统重新聚焦，输出控制信号大小（电流）。输出控制信号大小（电流）

16、。光学轮廓仪光学轮廓仪2、粗糙度的非接触式测量：、粗糙度的非接触式测量：29第五章 长度测量技术 第一节第一节 长度检测概述长度检测概述第二节第二节 尺寸测量尺寸测量第三节第三节 形位误差测量形位误差测量第四节第四节 表面粗糙度测量表面粗糙度测量第五节第五节 线位移与距离测量线位移与距离测量第六节第六节 物位检测技术物位检测技术30一、线位移测量一、线位移测量1 1、接触式线位移测量：、接触式线位移测量：(1)(1)电感位移传感器：电感位移传感器：自感式传感器：自感式传感器：原理：位移原理：位移 线圈电感变化线圈电感变化特点：可靠，非线性严重特点：可靠，非线性严重范围：测量微位移（范围：测量微

17、位移（1mm1mm）互感式传感器（差动变压器）：互感式传感器（差动变压器）：原理：位移原理：位移 两线圈互感变化两线圈互感变化特点：非线性小特点：非线性小范围：测量大范围位移（范围：测量大范围位移（100mm100mm）31(2)光栅式位移传感器光栅式位移传感器工作原理：叠合在一起形成一个小角度，工作原理：叠合在一起形成一个小角度，移动时，形成明暗相间的条纹莫尔条纹移动时，形成明暗相间的条纹莫尔条纹定义：光栅是在玻璃基体上刻有定义：光栅是在玻璃基体上刻有均匀分布条纹的光学元件。均匀分布条纹的光学元件。构成：主光栅（标尺光栅）、指构成：主光栅（标尺光栅）、指示光栅、光路系统、光电元件。示光栅、光

18、路系统、光电元件。特点：特点：莫尔条纹宽度：莫尔条纹宽度：W=a+bW=a+b：W-W-栅距，栅距，a-a-线宽，线宽，b-b-缝宽缝宽精度高：光栅刻线误差的平均效应精度高：光栅刻线误差的平均效应范围大：取决于主尺长度范围大：取决于主尺长度响应快：光电式，适于动态响应快：光电式，适于动态322 2、非接触式线位移测量：、非接触式线位移测量：(1)(1)电容位移传感器：电容位移传感器：原理：位移原理：位移 极板移动极板移动极距变化极距变化电容变化电容变化特点：特点：范围：测量微位移（范围：测量微位移（1mm1mm）初始电容量：初始电容量：分辨力极高：位移分辨力极高：位移1nm1nm动极板质量小，

19、惯性小，动态响应好；动极板质量小，惯性小，动态响应好；非接触，自身发热和功耗小；非接触，自身发热和功耗小；非线性严重非线性严重33(2)电涡流位移传感器电涡流位移传感器原理：原理：交变电流交变电流I I1 1传感器线圈传感器线圈被测导体被测导体交变磁场交变磁场H H1 1电涡流电涡流I I2 2交变磁场交变磁场H H2 2参数变化参数变化输出信号输出信号线圈与导体距离变化线圈与导体距离变化 电感、阻抗、品质因数等变化电感、阻抗、品质因数等变化 -输出信号输出信号特点：不受液体、油污、灰尘等介质的影响特点：不受液体、油污、灰尘等介质的影响 测量范围有限：仅适于近距离测试测量范围有限：仅适于近距离

20、测试 数百毫米数百毫米 非线性，精度不高非线性，精度不高 体积大，功耗高体积大，功耗高34(3)激光位移传感器激光位移传感器原理：原理：构成：激光器：发射激光束构成：激光器：发射激光束 发射端镜头：准直、汇聚发射端镜头：准直、汇聚 接收端镜头：成像接收端镜头：成像 接收器：光电转换（接收器：光电转换（CCD,PSD）特点：测量精度高（特点：测量精度高（0.030.03)，分辨率高，分辨率高(0.005(0.005）。）。与被测体无关（软硬、颜色、冷热、材料与被测体无关（软硬、颜色、冷热、材料）量程可达数十厘米。量程可达数十厘米。传感器探头发射出的激光传感器探头发射出的激光,通过特殊的透镜被汇聚

21、成一个直径极小的光通过特殊的透镜被汇聚成一个直径极小的光束，此光束被测量表面漫反射到一个分辨率极高的束，此光束被测量表面漫反射到一个分辨率极高的CCDCCD或或PSDPSD探测器上探测器上,通过通过CCDCCD或或PSDPSD所感应到光束位置的不同，精确测量被测物体位置变化。所感应到光束位置的不同，精确测量被测物体位置变化。3536二、距离测量二、距离测量1 1、飞行时间测距、飞行时间测距激光器激光器被测目标被测目标被测距离被测距离:c c-光速光速 t t-往返飞行时间往返飞行时间原理：原理：特点：对时间测量精度要求高，适于测量超长距离特点：对时间测量精度要求高，适于测量超长距离激光器发出激

22、光器发出单个激光单个激光脉冲，脉冲，并返回发射端接收并返回发射端接收应用：建筑测绘、桥梁监测、军事探测、野外勘探、天体测量应用：建筑测绘、桥梁监测、军事探测、野外勘探、天体测量372 2、相位差测距、相位差测距激光器激光器被测目标被测目标被测距离被测距离:c c-光速光速 f f0 0-频率频率 -相位差相位差特点：测量精度高，特点：测量精度高，测量范围大（中短距离）测量范围大（中短距离）应用：相机自动对焦应用：相机自动对焦 建筑测绘、建筑测绘、军用目标军用目标原理：激光器发出原理：激光器发出连续激光连续激光脉冲脉冲 返回发射端接收返回发射端接收二、距离测量二、距离测量38第五章 长度测量技术

23、 第一节第一节 长度检测概述长度检测概述第二节第二节 尺寸测量尺寸测量第三节第三节 形位误差测量形位误差测量第四节第四节 表面粗糙度测量表面粗糙度测量第五节第五节 线位移与距离测量线位移与距离测量第六节第六节 物位检测技术物位检测技术391、压力式液位计压力式液位计原理：液体对容器底面产生的静压力与液位高度成正比原理：液体对容器底面产生的静压力与液位高度成正比(a)压力表式液位计压力表式液位计测量开口容测量开口容器液位高度器液位高度的压力式液的压力式液位计位计(b)法兰式液位变送器法兰式液位变送器（隔膜式电容压力传感器（隔膜式电容压力传感器）40对于密闭容器中的液位测量，还可用对于密闭容器中的

24、液位测量，还可用差压法差压法进行测量，消除液面上进行测量，消除液面上部气压及气压波动对示值的影响。部气压及气压波动对示值的影响。差压式液位计差压式液位计412.钢带浮子式液位计钢带浮子式液位计右图为直读式钢带浮子式右图为直读式钢带浮子式液位计，这是一种最简单液位计，这是一种最简单的液位计；的液位计；浮子做成空心刚体，使它在平衡时能够浮于液面。当当液液位位高高度度发发生生变变化化时时，浮浮子子就就会会跟跟随随液液面面上上下下移移动动。因此测出浮子的位移就可知液位变化量。423、电容式物位计、电容式物位计RLHL同心圆柱式电容器同心圆柱式电容器R、r外电极内径和内电极外径433、电容式物位计、电容

25、式物位计v大致可分成三种工作方式大致可分成三种工作方式棒状电极棒状电极导电容器导电容器物料非导电液体物料非导电液体整体绝缘探头整体绝缘探头导电容器导电容器物料为导电性液体物料为导电性液体变面积型电容器变面积型电容器具有内外电极的管式电极具有内外电极的管式电极非金属容器非金属容器物料为非导电性液体物料为非导电性液体444、超声波物位计、超声波物位计可测量液体及粒状松散可测量液体及粒状松散并含有大量气体的被测并含有大量气体的被测材料。材料。455、雷达物位计、雷达物位计 雷达物位计也采用发射雷达物位计也采用发射反射反射接收的工作模式。接收的工作模式。雷达物位计的天线发射出雷达物位计的天线发射出电磁

26、波电磁波，这些波经被测对象表面反射后，再，这些波经被测对象表面反射后，再被天线接收，电磁波从发射到接收的时间与到液面的距离成正比。被天线接收，电磁波从发射到接收的时间与到液面的距离成正比。D雷达物位计到表面的距离 C光速 T电磁波运行时间 u 采用一体化设计，无可动部件，不存在机械磨损，使用寿命长；采用一体化设计，无可动部件，不存在机械磨损，使用寿命长；u几乎可以测量所有介质；几乎可以测量所有介质；u 采用非接触式测量，不受槽内物体的密度、浓度等物理特性的影响；采用非接触式测量，不受槽内物体的密度、浓度等物理特性的影响；u 测量范围大，最大可达测量范围大，最大可达035m，可用于高温、高压的液

27、位测量。，可用于高温、高压的液位测量。D=CT/246大位移量的测量最有效的方法激光测量法 非相干测量 相干测量47图540非相干测量举例激光脉冲测距法 军用激光测距仪的计数频率一般为15MHz、30MHz、75MHz、150MHz，相应的测距精度10m、5m、2m、1m；日本用于预防地震的长距离监测系统，全程84km，误差小于1mm；月球距地球384401km，在月球上安装反射器，测距误差可小于10cm。48图542物位测量物位液位、料位等界面位置的总称。物位测量了解物体的多少静态测量控制物位变化（极限位置控制、过程控制）动态测量机械法 机电测量法测量液体49图543物位测量电容测量法测量液

28、体、粘液、粒状或粉状固体（要求：被测物体的介电常数恒定）。电容构成测量非导电物质由两个电容探头或一个探头与导电容器构成 （电容介质改变）测量导电物质由整体绝缘探头与被测物体构成 （电容面积改变）50图544物位测量超声波测量法测量液体、松散颗粒状固体。探测超声波传感器的通、断状态两种工作方式 探测超声波脉冲的往返时间511m=103mm=106m109nm=1012pm=1015fm放大成像显微镜：分辨率极限为亚毫米量级。干涉显微镜：分辨率极限为工作电磁波的半波长。（光波为亚微米量级，电子波可达亚纳米量级）扫描隧道显微镜：分辨率可达皮米量级。对微小器件的几何参量（毫米、微米量级）进行纳米量级精

29、度的测量纳米测量局限于第六节第六节 纳米测量技术纳米测量技术52图545扫描隧道显微镜（STM）：测量金属表面隧道效应：两个金属电极由非常薄的绝缘层（0.51.0nm）隔开，若在两极板上施加电压（2mv2v），则电子会穿过绝缘层产生隧道电流。间距改变0.1nm，隧道电流会改变10倍。扫描隧道显微镜分辨率为0.01nm。有两种工作模式：恒高度模式 测量范围小，被测件调整困难，测头易损；但测量系统结构简单。恒电流模式与上述特点反之。53图546原子力显微镜（AFM）：测量任意表面力敏感微悬臂三维工作台测量微悬臂偏转角度原子间排斥力使微悬臂偏转保持原子间排斥力恒定隧道电流检测法，分辨率0.01nm光学干涉测量法，分辨率0.001nm光束偏转测量法，分辨率0.003nm电容测量法，分辨率0.03nm54图547隧道电流法激光干涉法光束偏转测量法电容法作业作业55思考题：思考题：5-3、5-4、5-5习题：习题：5-1 5-3 5-5 5-6主观题：请分析利主观题：请分析利用圆度仪测量同轴度误差用圆度仪测量同轴度误差的的工作原理，查阅相关资料，选择合适的传感工作原理，查阅相关资料，选择合适的传感器，设计相应的传感器夹具和转台结构示意器，设计相应的传感器夹具和转台结构示意图，介绍测量系统的组成及各部分功能，分图，介绍测量系统的组成及各部分功能，分析其误差来源。析其误差来源。