互換性02第2章 長度測量基礎

1、1第2章 長度(chngd)測量基礎第一節(jié) 測量的基本概念第二節(jié) 尺寸傳遞 第三節(jié) 測量儀器與測量方法的分類第四節(jié) 測量技術的部分常用術語第五節(jié) 常用長度測量儀器第六節(jié) 坐標測量機中的光柵與激光測量原理第七節(jié) 探針(tn zhn)掃描顯微鏡簡介第八節(jié) 測量誤差和數(shù)據(jù)處理第九節(jié) 計量器具的選擇共七十八頁2第一節(jié) 測量(cling)的基本概念一、測量(cling)1.目的：判斷零件幾何參數(shù)是否合格。2.定義：把被測量與具有計量單位的標準量進行比較，從而確定被測量的量值的過程。L=qE被測量比值標準量被測量的組成表征幾何量的數(shù)值該幾何量的計量單位L=40mm共七十八頁3測量對象：零件幾何量。長度(c

2、hngd)、角度、表面粗糙度、形位誤差等。計量單位：幾何量測量中，米制為我國的基本計量制度。長度單位是米(m)，角度單位是度、分、秒。測量方法：是指在進行測量時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。測量的準確度：測量結果與真值一致的程度。3.測量(cling)過程的要素共七十八頁4第二節(jié) 尺寸(ch cun)傳遞1.長度(chngd)單位：米定義：米是平面電磁波在真空中1299 792 458秒(s)時間內(nèi)所行進的距離。量值傳遞系統(tǒng)：將米的定義傳遞到基準光波的波長，再傳遞到基準線紋尺和一等量塊，然后再逐次傳遞到工件，以保證量值的準確一致。兩種實體基準：線紋尺和量塊共七

3、十八頁5一、量塊(lin kui)及其傳遞系統(tǒng)1.量塊(lin kui)的作用生產(chǎn)中被用來檢定和校準測量工具或量儀。比較測量中用來調整儀器的零位。也可用于加工中機床的調整和工件的檢驗等。2.量塊的構成材料：鉻錳鋼線膨脹系數(shù)小，性質穩(wěn)定，耐磨，不易變形。形狀：長方體。標稱長度（公稱尺寸）：兩個測量面之間的距離?？套郑簶朔Q長度到5.5mm的量塊，其標稱長度值刻印在上測量面上；標稱長度大于5.5mm的量塊，其標稱長度值刻印在上測量面的左側平面上。截面尺寸：標稱長度小于10mm的量塊，其截面尺寸為30mmX9mm；標稱長度大于10mm到1000mm的量塊，其截面尺寸為35mmX9mm。共七十八頁63.

4、量塊(lin kui)的精度GB/T 6093-2001規(guī)定：量塊(lin kui)按制造技術要求分為5級:0.1.2.3和K級。精度最高精度最低校準級 分級主要是根據(jù)量塊長度極限偏差、量塊長度變動量、測量面的平面度、測量面的粗糙度及量塊的研合性等指標劃分。量塊長度：是指量塊上測量面上一點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。量塊長度變動量：量塊的最大量塊長度與最小量塊長度之差。表2-1摘錄了量塊長度極限偏差和長度變動量的部分數(shù)值。包含制造誤差共七十八頁73.量塊(lin kui)的精度JJG146-2003規(guī)定：量塊按檢定技術要求(yoqi)分為5等：1. 2. 3.

5、4和5等。精度最高精度最低量塊分等的主要指標與分級的主要指標其不同點在于用“測量不確定度”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進行測量，按等使用量塊時是用量塊的實際尺寸，而不是量塊的標稱尺寸。因此應規(guī)定其測量不確定度。表2-2摘錄了1-5等量塊的測量不確定度和長度變動量的部分數(shù)值。包含檢定時的測量誤差共七十八頁84.量塊的特性(txng)和使用 特性：穩(wěn)定性、耐磨性、準確性、研合性（兩個量塊測量面相互接觸，貼附在一起(yq)的性質）。使用：量塊是定尺寸量具，成組使用。GB/T 6093-2001規(guī)定：我國成套生產(chǎn)的量塊

6、共有17種套別，每套的塊數(shù)為91、83、46、12、10、8、6、5等。以83塊一套為例例如：28.7851.005 27.781.28 26.56 .5 20應盡量減少量塊組的量塊數(shù)目。作業(yè)：P228 2-1共七十八頁9二、角度(jiod)傳遞系統(tǒng) 角度(jiod)單位：弧度(rad).度().分().秒(“).定義：一個圓周角為360。角度基準：分度盤或多面棱體角度量具：角度量塊、測角儀、分度頭量值傳遞系統(tǒng)共七十八頁10第三節(jié) 測量儀器(yq)與測量方法的分類一、測量儀器(yq)的分類測量儀器（計量器具）：是指單獨地或連同輔助設備一起用以進行測量的器具。實物量具：指使用時以固定形態(tài)復現(xiàn)或提

7、供給定量的一個或多個已知值的器具，如量塊、線紋尺、直角尺等。極限量規(guī)： 一種沒有刻度的專用檢驗工具。3. 顯示式測量儀器（指示式測量儀器）：指顯示示值的測量儀器 。 如模擬電壓表、數(shù)字頻率計和千分尺等。4. 測量系統(tǒng)：指組裝起來以進行特定測量的全套測量儀器和其他設備。固定安裝著的測量系統(tǒng)稱為測量裝備。按用途和特點可以分為：共七十八頁11一、測量儀器(yq)的分類幾何量測量(cling)儀器按結構的特點可分為：游標式測量儀器：游標卡尺、游標深度尺以及游標量角器等。微動螺旋副式測量儀器：外徑千分尺、內(nèi)徑千分尺等。機械式測量儀器：百分表、千分表、杠桿比較儀以及扭簧比較儀等。光學機械式測量儀器：光學計

8、、測長儀、投影儀以及干涉儀等。氣動式測量儀器：壓力式氣動量儀、流量計式氣動量儀等。電學式測量儀器：電感比較儀、電動輪廓儀等。光電式測量儀器：激光干涉儀、激光準直儀、光柵測長機、光纖傳感器等。共七十八頁12二、測量方法的分類(fn li)1. 直接測量：指不需要將被測量與其他實測量進行一定(ydng)函數(shù)關系的輔助計算而直接得到被測量值的測量。直接測量又可分為絕對測量和相對測量。絕對測量：直接測得參數(shù)的量值。相對測量：相對于基準量的偏差。2. 間接測量：指通過直接測量與被測參數(shù)有已知函數(shù)關系的其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，可先測出圓周長度L，然后通過D=L/計算被測

9、零件的直徑，3. 綜合測量：指同時測量工件上的幾個有關參數(shù)綜合地判斷工件是否合格。4. 單項測量：指單個地彼此沒有聯(lián)系地測量工件的單項參數(shù)。共七十八頁13間接測量舉例(j l)用“弦高法”測量大尺寸圓柱體的直徑，由弦長L與弦高H的測量結果(ji gu)，可求得直徑D的實際值。共七十八頁14測量方法的分類(fn li)5. 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。7. 在線測量：指零件在加工中進行的測量，能及時防止和消滅廢品。8. 離線測量：指零件加工完后在檢驗站進行的測量。9. 靜態(tài)測量：指被測表面與測量

10、頭相對靜止，沒有相對運動(xin du yn dn)。10. 動態(tài)測量：指被測表面與測頭之間有相對運動。它能反映被測參數(shù)的變化過程。在線測量和動態(tài)測量是測量技術的主要發(fā)展方向。在線測量能將加工和測量緊密結合起來，從根本上改變測量技術的被動局面；動態(tài)測量能較大的提高測量效率和保證測量準確度。共七十八頁15第四節(jié) 測量技術的部分(b fen)常用術語1. 標尺間距（刻度間距）：儀器刻度標尺或刻度盤上兩相鄰刻線中心線間的實際距離。為便于讀數(shù)，一般為12.5mm。2.分度值（標尺間隔）：儀器標尺上每刻度間距所代表(dibio)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

11、。4. 靈敏度：測量儀器的響應變化值除以相應激勵變化值。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)）共七十八頁16常用(chn yn)術語5. 穩(wěn)定性：測量儀器保持其計量特性隨時間恒定的能力。6. 鑒別力閾：使測量儀器產(chǎn)生未察覺的響應變化的最大激勵變化。 也稱為靈敏閾或靈敏限。7.分辨力：指顯示裝置能有效辨別的最小的示值差。 8. 測量結果的重復性：在相同測量條件下，對同一被測量進行(jnxng)連續(xù)多次測量所得結果之間的一致性。9. 測量儀器的示值：測量儀器所給出的量的值。共七十八頁17常用(chn yn)術語10

12、. 測量儀器的示值誤差：測量儀器的示值與對應輸入量的真值之差。11. 測量儀器的最大允許誤差：對給定的測量儀器，規(guī)范、規(guī)程等所允許的誤差極限值。12. 修正值：用代數(shù)法與未修正測量結果相加，以補償其系統(tǒng)誤差的值。修正值等于負的系統(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，與測量結果相聯(lián)系的參數(shù)。它是由于測量誤差的存在而對被測幾何量不能肯定的程度(chngd)，是定量說明測量結果的質量的一個參數(shù)。共七十八頁18第五節(jié) 常用長度測量(cling)儀器機械式量儀：杠桿齒輪式比較儀，扭簧比較儀電動式量儀：電感比較儀氣動式量儀：流量計式氣動量儀光學機械式量儀：幾何光學類量儀：光學計和

13、測長儀，光波(gungb)干涉類量儀：接觸干涉儀和激光干涉儀共七十八頁19一、機械式量儀這類量儀是將測桿的上下微小直線移動(ydng)，通過機械的傳動與放大，轉變?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的示值。1. 杠桿(gnggn)齒輪比較儀測量時，測桿1向上或向下移動，使杠桿短臂R4發(fā)生擺動。杠桿長臂R3是一個扇形齒輪。當扇形齒輪擺動時，帶動小齒輪轉動，從而使與小齒輪固接的指針R1偏轉并由刻度盤2進行讀數(shù)。實現(xiàn)放大、傳動被測量的目的。共七十八頁202. 扭簧比較儀結構：儀器的主要元件是橫截面為0.01x0.25mm且由中間向兩端左、右扭曲而成的扭簧片3，它的一端連接在機殼的連接柱

14、上，另一端連接在杠桿2的一個支臂上。杠桿2的另一端與測桿1的上部相接觸。指針4粘在扭簧片的中部。測量原理：測量時，測桿1向上或向下移動，推動杠桿2擺動，使扭簧3被拉伸或者縮短，從而使扭簧轉動引起指針偏轉(pinzhun)，并在刻度盤5上進行讀數(shù)。共七十八頁21二、電動式量儀電動式量儀是將微小直線位移轉變成電阻、電容或電感量的變化，經(jīng)電路放大處理后變?yōu)殡娏骰螂妷狠敵觯杀眍^(bio tu)或數(shù)顯器給出讀數(shù)。一般分為電接觸式、電感式、電容式、電渦流式和感應同步器等。電感式量儀 其傳感器是由線圈1、鐵心2、銜鐵3組成。鐵心與銜鐵間有一個(y )空氣隙。儀器測桿與銜鐵連接在一起。當工件尺寸發(fā)生變化時，

15、測桿向上、或向下移動，從而改變氣隙厚度，或改變通磁氣隙面積，從而使電感量發(fā)生變化。共七十八頁22三、氣動式量儀流量計式氣動(q dn)量儀氣動量儀是根據(jù)流體力學的原理，用壓縮空氣作介質，將微小(wixio)直線位移轉變成氣體的壓力變化或流量變化，用流量計或壓力計進行讀數(shù)的儀器。 清潔、干燥和恒壓的空氣由錐形玻璃管下端引入，經(jīng)浮標與玻璃管間的間隙，由錐形玻璃管上端經(jīng)連接軟管再由測量噴嘴進入大氣。測量時，工件尺寸發(fā)生變化，使測量噴嘴與工件間的間隙S發(fā)生變化。因而使流過噴嘴的氣體流量Q也發(fā)生變化，從而引起浮標位置發(fā)生變化。當流過浮標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，浮標就停止不動

16、。此時可從浮標相對于玻璃管上的刻度尺的位置進行讀數(shù)。共七十八頁23四、光學(gungxu)機械式量儀光學機械式量儀可分為(fn wi)幾何光學式量儀和光波干涉式量儀(或物理光學式量儀)。1.幾何光學式量儀幾何光學式量儀是將微小的長度量或物體經(jīng)光學方法放大以后，進行讀數(shù)或瞄準的量儀。按幾何光學的原理這類儀器又可分為望遠鏡式（光學計）和顯微鏡式（測長儀）。光學計有立式光學計和臥式光學計，其光學原理屬于望遠鏡類，即物鏡的像方焦點和目鏡的物方焦點重合。(1) 立式光學計共七十八頁24立式(l sh)光學計該儀器用于比較測量，使用方法也類似于機械式比較儀。帶有特殊螺紋的立柱2固定在儀器底座1上。懸臂3借

17、助于螺母7可在立柱上做上、下移動，并可用制動器8固定在需要的位置。直角形光管裝在懸臂3前端的配合孔中，并可通過(tnggu)微調手輪9進行微調，或用制動器10將它固定。儀器的光學系統(tǒng)裝在直角形光管中。共七十八頁25工作(gngzu)原理物鏡(wjng)焦平面上的焦點c發(fā)出的光，經(jīng)物鏡后變成平行光到達平面反射鏡P。若反射鏡與主光軸垂直，則經(jīng)平面反射鏡反射的光由原路回到發(fā)光點c，即發(fā)光點與像點c重合。若平面反射鏡P與主光軸不垂直而偏轉一個角，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c”。c與c”之間的距離為：反射鏡的偏轉由光學計的測桿來推動。測桿的一端與平面反射鏡P相接觸，測量時

18、，隨著工件尺寸變化，測桿推動反射鏡P繞支點o擺動。當測桿移動一個距離s，反射鏡P偏轉一個角，則其關系為：這樣測桿的微小移動s就可通過正切杠桿機構和自準直光管構成的光杠桿原理，實現(xiàn)將微小位移進行放大，其放大倍數(shù)為：當很小時，且f=200mm，b=5mm，則K=80。由于光學計的目鏡放大倍數(shù)為12，故光學計總放大倍數(shù)為960倍。光學自準原理機械的正切杠桿原理共七十八頁26(2) 臥式測長儀測長儀有臥式和立式(l sh)兩種，其測量部件原理相同。臥式測長儀原理(yunl)：工件1安裝在尾座4中的測砧6與測座7中的測軸5之間，其尺寸由讀數(shù)顯微鏡3讀出。5上安裝有一只100mm長的毫米刻度尺2，3將2刻

19、線放大，并用平面螺旋線原理進行細分讀數(shù)。顯微鏡的光學原理：顯微鏡的物鏡為4，目鏡為5，光源6發(fā)出的光照亮刻度尺3，3上的兩條相鄰毫米刻線經(jīng)4成像以后正好等于固定分劃板2上的10個刻線間距，因此2上的每個刻線間距代表0.1mm。圖中1是刻有雙刻線的平面螺旋線分劃板。該分劃板可以轉動，并在內(nèi)圓周上均勻地刻有100條刻線，平面螺旋線的螺距與2上的刻線間距相等。因此也代表0.1mm。共七十八頁27(2) 測長儀原理(yunl)顯微鏡的光學(gungxu)原理：測量時，用目鏡5觀察，可見到3組刻線：刻度尺3上分度值為1mm的刻線；固定分劃板2上分度值為0.1mm的刻線和平面螺旋線及其上的圓周刻線。先讀毫

20、米讀數(shù)如圖中的46，然后按毫米刻線(如46)在固定分劃板2上的位置讀出零點幾毫米的數(shù)(如0.3)，最后轉動小滾花輪7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，再從圓周分度上讀出尾數(shù)(如62m)。讀數(shù)方法：46.362mm顯微鏡讀數(shù)裝置應用較廣，除在測長儀上應用外，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用。共七十八頁282. 光波(gungb)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(gngjin)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

21、移動。通過測量干涉條紋的移動距離(或干涉條紋移過的數(shù)目)即可測得微小直線位移。接觸干涉儀光源1發(fā)出的光經(jīng)聚光鏡2、濾色片安裝孔3射入分光鏡4。光束從分光鏡上分成兩束：一束透過4、補償鏡5到達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4，形成測量光束；另一束光在4上反射至參考鏡7，再由參考鏡7反射回4，形成參考光束。此兩束光相遇后產(chǎn)生干涉。從目鏡10中即可看到干涉條紋。共七十八頁29接觸(jich)干涉儀測量開始時，先將濾色片(已知標準波長)裝于安裝孔3上，然后調整反射鏡7與光軸的傾角，從而調整干涉條紋的寬度和方向，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，此時在

22、目鏡中可看到彩色干涉條紋。其中，零級干涉條紋是一條黑線，則以此黑線作為儀器指針進行讀數(shù)。由上述光學系統(tǒng)可知(k zh)，這種儀器是按邁克爾遜干涉儀原理設計的。共七十八頁30坐標測量機是一個不斷發(fā)展的概念。測長機、測長儀是單坐標測量機；工具顯微鏡是兩坐標測量機。隨著市場發(fā)展要求測量機能測出工件的空間尺寸，這就是三坐標測量機。目前坐標測量機和數(shù)控機床中廣泛使用光柵、磁柵、感應同步器和激光作為檢測元件，它能采用脈沖計數(shù)、數(shù)字(shz)顯示和便于實現(xiàn)自動測量。第六節(jié) 坐標(zubio)測量機中的光柵與激光測量原理共七十八頁311.莫爾條紋(tio wn)光柵在幾何量計量中應用愈來愈廣。這里主要指計量光

23、柵，這種光柵一般分為長光柵和圓光柵。長光柵相當于一根線紋密度較大的刻度尺，通常(tngchng)每1mm刻25條、50條或100條刻線。圓光柵相當于線紋密度大的分度盤，一般在一個圓周上刻上 5400條、10800條或21600條刻線。將兩塊柵距相同的長光柵(或圓光柵)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交一個很小角度，即得如圖a所示的莫爾條紋。從幾何學的觀點來看，莫爾條紋就是同類(明的或暗的)線紋交點的連線。由于光柵的衍射現(xiàn)象，實際得到的莫爾條紋如圖b所示。一、光柵裝置共七十八頁321.莫爾條紋(tio wn) 很小由于角是一個(y )很小的數(shù)，因而1/是一個

24、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易得多，由此可知莫爾條紋起者放大作用。當兩光柵尺在X方向產(chǎn)生相對移動時，莫爾條紋在大約與X相垂直的Y方向也產(chǎn)生移動。當光柵移動一個柵距時，莫爾條紋隨之移動一個條紋間距。當光柵尺按相反方向移動時，莫爾條紋的移動方向也相反。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組成，當線紋中有一條線紋有誤差時(間距不等、歪斜或彎曲)，這條有誤差的線紋和另一光柵線紋的交點位置將產(chǎn)生變化。但是一條莫爾條紋是由許多光柵線紋的交點組成，因此一條線紋交點的位置變化對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。共七十八頁332.計數(shù)(j s

25、h)原理光柵計數(shù)裝置種類(zhngli)較多，讀數(shù)頭結構、細分方法等也各不相同。圖a是一種簡單的光柵頭示意圖，圖b是其數(shù)顯裝置。光源1發(fā)出的光經(jīng)透鏡2成一束平行光，這束光穿過標尺光柵4和指示光柵3后形成莫爾條紋。在指示光柵后安放一個四分硅光電池5。調整指示光柵相對于標尺光柵的夾角，使條紋寬度B等于四分硅光電池的寬度，當莫爾條紋信號落到光電池上后，則由四分硅光電池引出4路光電信號，且相鄰兩信號的相位相差90。當標尺光柵相對于指示光柵移動時，可逆計數(shù)器就能進行計數(shù)。其計數(shù)電路方框圖如圖3-17所示。共七十八頁34計數(shù)(j sh)電路方框圖由硅光電池引出的4路信號分別送入兩個差動放大器，然后差動放大

26、器分別輸出相位相差90的兩路信號，再經(jīng)整形、倍頻和微分后，經(jīng)門電路到可逆計數(shù)器，最后由數(shù)字顯示器顯示出兩光柵尺相對移動的距離。工作時，標尺光柵和指示光柵分別安裝(nzhung)在儀器的固定部件和運動部件上，可代替光學標尺。共七十八頁35直角棱鏡由4個面組成，其中abd，acd和bdc三個反射面彼此相互垂直，d為錐頂，abc是入射面（也是出射面）。當光束A由abc面射入，經(jīng)acd，abd和bcd三個面三次(sn c)反射后，由abc面射出。這種立體直角棱鏡能保證入射光A和出射光B平行，因而降低了對導軌直線度的要求。這種儀器和接觸(jich)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

27、大，為使反射鏡的移動不因導軌的誤差而影響正常的工作，因此將接觸(jich)干涉儀的平面反射鏡7和6改成立體直角棱鏡，并取消了補償鏡5。立體直角棱鏡二、激光裝置共七十八頁36激光測長機測量(cling)過程測量前先將測座3移到儀器左端，使測座的測桿與尾座5的支承桿相接觸，并將儀器數(shù)顯全部全部置零。移動測座向右，將被測工件放在工作臺4上，使之與尾座5的支承桿接觸。再將測座3向左移到，使測桿與工件接觸，此時即可從數(shù)顯裝置(zhungzh)2中讀出工件尺寸。儀器測座3的移動是由拖動機構完成。驅動馬達帶動變速箱6在的傳動軸，并通過皮帶傳動帶動鋼帶7，鋼帶7通過電磁離合器8帶動測座3。激光器11裝在儀器右

28、端干涉儀的后方，固定立體直角棱鏡9裝在儀器左端尾座的后方，活動立體直角棱鏡10裝在測座3內(nèi)。共七十八頁37激光測長機(zhngj)光路原理JDJ1000型激光測長機光路從氨氖激光器5射出的光束經(jīng)反射鏡6、7到達準直光管8。從8射出的光經(jīng)移相分光鏡10分成兩束：一束光由移相分光鏡反射，經(jīng)反射鏡3、光楔2到固定立體直角棱鏡1，再由1經(jīng)原光路返回到10，形成參考光束；另一束光透過10到達活動立體直角棱鏡12(它隨測座移動(ydng)，再經(jīng)12返回到10。兩束光相遇后在10上透射和反射，從而在分光鏡前、后形成兩組干涉條紋。通過控制10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9，11

29、接收，將光信號轉變成電信號輸入計數(shù)器電路，最后顯示出12的直線位移量。圖中的光電三極管4用于接受激光光強變化信息，用于激光器的穩(wěn)頻。共七十八頁38第七節(jié) 探針(tn zhn)掃描顯微鏡簡介隨著納米技術的發(fā)展，納米測量技術也越來越受到人們的關注。1982年，IBM瑞士蘇黎士實驗室的葛賓尼（GBinning）和海羅雷爾（HRohrer）研制出世界上第一臺掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope，簡稱STM）。STM使人類第一次能夠實時地觀察單個原子在物質表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為(xngwi)，在表面科學、材料科學、生命科學等領域的研究中有著重大的意義和廣泛的

30、應用前景，被國際科學界公認為20世紀80年代世界十大科技成就之一。為表彰STM的發(fā)明者們對科學研究所作出的杰出貢獻，1986年賓尼和羅雷爾被授予諾貝爾物理學獎金。有了隧道顯微鏡以后，測量納米尺寸的測量儀器也不斷的出現(xiàn)。比如原子力顯微鏡、光探針掃描外差干涉儀等。共七十八頁391. 隧道(sudo)顯微鏡STM工作原理：是將極細探針和被研究物質的表面作為兩個電極，當被測試件與針尖的距離非常接近（大約為0.31.0nm）時，在外加偏置電壓的作用下，電子會穿過兩個電極之間的勢壘流向另一電極。也就是說電子就可以因量子隧道效應由針尖（或被測試件）轉移(zhuny)到被測試件（或針尖），在針尖與被測試件之間

31、形成隧道電流。探針與被測試件之間距離的大小，對隧道電流的強度影響十分明顯，成指數(shù)函數(shù)變化。共七十八頁40隧道(sudo)顯微鏡工作原理因此在探針(tn zhn)掃描過程中，同步地測出隧道電流的強度，就能獲得試件表面的幾何形狀；也可以通過控制隧道電流的強度不變，而獲得探針(tn zhn)與被測試件之間的距離，同樣可以測出被測試件的形狀。其分辨率很高，縱向可達0.01nm，橫向可達0.1nm。恒電流模式恒高度模式共七十八頁41隧道(sudo)顯微鏡電路框圖試件與探針之間的距離由步進電機通過機構做粗調整(tiozhng)；由壓電陶瓷做微調整。共七十八頁2. 原子力顯微鏡（AFM）掃描隧道顯微鏡工作(

32、gngzu)時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體和半導體的表面結構。而在研究非導電材料時必須在其表面覆蓋一層導電膜。導電膜的存在往往掩蓋了樣品的表面結構的細節(jié)。為了彌補掃描隧道顯微鏡的這一不足，1986年Binning又研制成功了原子力顯微鏡（AFM）。共七十八頁原子力顯微鏡是將一個對微弱力敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小的針尖，針尖與被測試件的表面輕輕接觸，由于針尖尖端原子與被測試件表面原子間存在極微弱的排斥力，通過掃描時控制這種力的恒定，帶有針尖的微懸臂將對應于針尖與被測試件表面原子間作用力的等位面而在垂直于被測試件的表面方向起伏運動。利用光學檢測法和隧道電流(

33、dinli)檢測法，可以測得微懸臂對應于掃描各點的位置變化，從而可以獲得被測試件的表面形貌的信息。原子力顯微鏡工作(gngzu)原理共七十八頁44第八節(jié) 測量誤差和數(shù)據(jù)處理1. 測量誤差(絕對誤差(ju du w ch)：測量結果與被測量的真值之差。一、測量誤差的基本概念真值L：是難以獲得的。在實際工作中常以較高精度的測量值作為(zuwi)相對真值。-測量誤差 L-被測量的真值 l測量結果相對誤差f(%)共七十八頁451.隨機誤差：在同一條件下，多次測量同一量值時，誤差的絕對值和符號以不可預定的方式變化著的誤差。是指測量結果(ji gu)與在重復性條件下對同一被測量進行無限多次測量所得結果的平

34、均值之差。2.系統(tǒng)誤差：在同一條件下，多次測量同一量值時，誤差的絕對值和符號保持恒定或按一定規(guī)律變化的誤差。是指在重復性條件下對同一被測量進行無限多次測量所得結果的平均值與被測量的真值之差。二. 誤差(wch)的分類共七十八頁46精密度：表示測量(cling)結果中隨機誤差的影響程度。正確度：表示測量結果中系統(tǒng)誤差的影響程度。準確度（精確度）：表示測量結果中隨機誤差和系統(tǒng)誤差綜合的影響程度。正確度高精密度低正確度低精密度高準確度高測量(cling)精度測量結果與被測量真值的接近程度。共七十八頁471. 隨機誤差的正態(tài)分布三、隨機誤差在同一條件下，多次測量同一量值時，誤差的絕對值和符號以不可預定

35、的方式變化著，但誤差出現(xiàn)的整體是服從統(tǒng)計規(guī)律(gul)的。隨機誤差是指測量結果與在重復性條件下對同一被測量進行無限多次測量所得結果的平均值之差。大量實踐證明：多數(shù)(dush)隨機誤差是服從正態(tài)分布規(guī)律的。概率分布密度函數(shù)為：指數(shù)衰減函數(shù) 標準差共七十八頁48對稱性：絕對值相等的正誤差和負誤差出現(xiàn)的次數(shù)大致(dzh)相等。單峰性：絕對值小的誤差比絕對值大的誤差出現(xiàn)的次數(shù)多。有界性：在一定的條件下，誤差的絕對值不會超過一定的限度。抵償性：當測量次數(shù)N增大到無窮時，正負誤差的總和趨于0，算術平均值愈趨近于真值。 隨機誤差的特點(tdin)共七十八頁492. 標準差大小與誤差分布曲線(qxin)的形狀

36、有密切關系。 越小， 大， 大，指數(shù)衰減快。曲線(qxin)變陡分布越集中，測量方法精密度越高。理論上單次測量的標準差：nnniin=+=1222221ddddsL其中 lL 為隨機誤差（沒有系統(tǒng)誤差的條件下）共七十八頁表2-450隨機誤差的分布(fnb)界限理論(lln)上，隨機誤差的分布是在 之間 實際上，常將 3 作為隨機誤差的誤差界限。 是測量不確定度U（ 3測量總不確定度）.概率共七十八頁513. 算術(sunsh)平均值當測量次數(shù)(csh)n增大時，算術平均值愈趨近于真值。用算術平均值作為最后測量結果比用其它任一測量值作為測量結果更可靠。為重復性條件下，n次測量的結果。共七十八頁5

37、24. 由殘余(cny)誤差求標準差理論上：nnniin=+=1222221ddddsL實際上：111222221-=-+=nnSniinnnnnLLLlii-=nLlii-=d殘余(cny)誤差實驗標準差（2-16）共七十八頁531. 誤差(wch)修正法四、系統(tǒng)誤差在重復性測量條件(tiojin)下，對同一被測量進行無限多次測量所得的結果的平均值與被測量的真值之差。消除或減小系統(tǒng)誤差對測量結果影響的方法：如果知道測量結果（即未修正的結果）中包含的系統(tǒng)誤差大小和符號，則可用測量結果減去已知的系統(tǒng)誤差值，從而獲得不含（或少含）系統(tǒng)誤差的測量結果（已修正結果）。誤差修正法在高準確度測量中，應用比

38、較廣泛。此時所使用的測量儀器的示值，均有誤差修正表，以便在測量時對誤差進行修正?！皻堄嗾`差觀察法”共七十八頁542. 誤差(wch)抵償法分析測量結果發(fā)現(xiàn)，在有的測量結果中包含的系統(tǒng)(xtng)誤差值和另一個測量結果中包含的系統(tǒng)(xtng)誤差值的大小相等，符號則相反。用此兩測量結果相加取平均值，可抵消其系統(tǒng)誤差。3. 誤差分離法誤差分離法常用在形狀誤差測量中。通過采用誤差分離法將測量結果中的系統(tǒng)誤差分離開，從而獲得準確的測量結果。共七十八頁551. 函數(shù)(hnsh)的系統(tǒng)誤差五、函數(shù)(hnsh)誤差用于間接測量中。當直接測量值x1, x2, , xt有系統(tǒng)誤差x1, x2, , xt 存在時

39、，函數(shù)值的系統(tǒng)誤差為y ，則表示：函數(shù)的系統(tǒng)誤差等于該函數(shù)對各自變量（直接測量值）在給定點上的偏導數(shù)與其相應直接測量值的系統(tǒng)誤差的乘積之和。靈敏系數(shù)（誤差傳遞系數(shù)）（2-17）共七十八頁562. 函數(shù)(hnsh)的隨機誤差當直接測量(cling)值x1, x2, , xt有隨機誤差的實驗標準差Sx1, Sx2, , Sxt 存在時，函數(shù)值隨機誤差的實驗標準差為Sy ，則（2-20）共七十八頁57例2-1用弦長弓高法測量圓形零件(ln jin)的直徑。1）若測得弦長L=100mm，弓高h20mm，其系統(tǒng)誤差分別為L5m，h4m，計算D的直徑，系統(tǒng)誤差和已修正(xizhng)測量結果。所以 D=1

40、45+0.0085=145.0085mm已修正測量結果=測量結果+修正值=測量結果-系統(tǒng)誤差。已修正測量結果稱為真值的最佳估計。共七十八頁58舉例(j l)用弦長弓高法測量圓形零件(ln jin)的直徑。（續(xù)）2）若L和h的實驗標準差分別為：SL0.7m，Sh0.3m，計算D的實驗標準差。測量結果表示：D=145.0085mm，標準不確定度為2.35m。共七十八頁算術(sunsh)平均值的實驗標準差：例2-2(2-21)共七十八頁60六、重復條件下測量(cling)結果的處理例2-3：在正常情況(qngkung)下，對同一零件某一個尺寸在重復性條件下進行系列測量，若系統(tǒng)誤差已被消除，得測量列L

41、i列于表中，試進行數(shù)據(jù)處理。共七十八頁重復條件下測量(cling)結果處理（續(xù)）1. 計算(j sun)算術平均值2. 計算殘余誤差3. 求實驗標準偏差4. 求算術平均值的實驗標準偏差5. 測量結果表示該工件的測量結果為30.048mm，實驗標準偏差為共七十八頁62作 業(yè)P228 2-2、2-3 2-7、2-8共七十八頁63第九節(jié) 計量(jling)器具的選擇 機械制造中，計量器具的選擇主要決定于計量器具的技術指標和經(jīng)濟指標。綜合考慮這些指標時，主要有以下兩點要求。(1)按被測工件(gngjin)的部位、外形和及尺寸來選擇計量器具，使所選擇的計量器具的測量范圍能滿足工件(gngjin)的需要。(2)按被測工件的公差來選擇計量器具。一、計量器具的選擇原則共七十八頁64 通常計量(jling)器具的選擇可根據(jù)標準(如光滑工件尺寸的檢驗GB/T 3177-2009)進行。對于沒有標準的其他工件檢測用的計量器具應使選用的計量器具的誤差極限約占被測工件公差的1/101/3。一、計量(jling)器具的選擇原則共七十八頁共七十八頁2022/7/1466二、光滑工件尺寸(ch cun)的檢驗 GB/T 3177-2009 此標準(biozhn)適用于車間用的計量器具（游標卡尺、千分尺和分度值不小于0.5m的指示表和比較儀等）。 主要用以檢測公差等級為IT6IT18的工件尺寸。 標準規(guī)定了安全裕