長度測量技術2課件

1、第五章 長度測量技術 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) 物位檢測技術第七節(jié) 納米測量技術1形位誤差測量是將被測要素和理想要素進行比較，從而用數值描述實際要素與理想要素形狀或位置上的差異。每個參數的測量過程包括測量和評定兩個階段。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，理想要素的位置應符合最小條件。最小條件:是指被測實際要素對其理想要素的最大變動量為最小。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最大內切圓法：以內

2、切于實際輪廓，且半徑為最大的內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。判別準則：由兩同心圓包容實際輪廓時，至少有四個實測點內外相間的在兩個圓周上。只適用于內圓 6最小外接圓法：以包容實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：以實際輪廓上各點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，調整其軸線與量儀回轉軸同軸。記錄被測零件在回轉一周內截面各點的半徑差，繪制出極坐標圖，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，計算各點與直線的 距離i，直線度誤差S=maxmin 包容直線實際線S自準直儀法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：計算最小二乘平面， 計算各點與平面的距離i， 平面度誤差P=maxmin 自準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、汽車等的復雜外觀造型。異形曲面的高精度

4、檢測技術，研究的熱點。1112測量方法：手工測量法：使用最早，造價高、速度慢等。機器人測量法：裝探頭于機器人手上；適用范圍廣，速度快，精度不高。三坐標機測量法：采用離散點檢測，速度慢，工作量大，無法實現在線檢測。經緯儀組合測量法：經緯儀；系統(tǒng)組合靈活，可實現大型零部件的在線非接觸高精度測量，但需人工瞄準，工作強度大，效率較低。機器視覺測量法：用視覺傳感器采集目標圖像，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，適用于生產現場使用。激光器-被測物體表面的被測點-成像在PSD或CCD上。點光源。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構光（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，同時獲取同一被測表面兩個方向的圖像，計算空間特征點在兩幅圖像中的“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院人工智能實驗室的Marr提出了一種視覺計算理論并應用在雙睛匹配上，使兩張有視差的平面圖產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。 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，在許多領域均極具應用價值，如微操作系統(tǒng)的位姿檢測與控制、機

6、器人導航與航測、三維測量學及虛擬現實等。 15雙目立視技術的實現可分為以下步驟：圖像獲取、攝像機標定、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)的一般構成光源圖像卡場景攝像機計算機典型視覺系統(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：一個攝像組件（鏡頭+攝像機）多目視覺：多個攝像組件（鏡頭+攝像機）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)行機構。圖像采集系統(tǒng)：可視化圖像或特征數據場景鏡頭光源攝像機圖像存儲體計算機輸出鏡頭攝像機鏡頭攝像機控制電纜視覺系統(tǒng)流程圖圖像質量好 圖像處理簡單、結果

7、理想圖像質量差 圖象處理麻煩、結果不理想由光源、鏡頭、攝像機、圖像采集卡等構成18機器視覺檢測系統(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)內的工件進行檢測。適用于大批量同類產品的快速檢測。被測工件變化時，框架需要重新制作或改造。2 可動式系統(tǒng)：傳感器沿著指定的路線移動來實現對工件的檢測。一般用于單件產品或小批量生產的產品的檢測。固定式系統(tǒng)的測量速度和精度優(yōu)于可動式系統(tǒng)，因而大型復雜工件的在線檢測，應選擇固定式。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測量機和靠模法，兩者都不能實現全部車輛各個位置的在線檢測。天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室葉聲華教授研制的車身三維尺

8、寸視覺檢測技術，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）、圖像處理技術、計算機技術、現場網絡控制技術為基礎，實現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構、視覺傳感器、傳感器控制盒、計算機系統(tǒng)及測量軟件等組成。 視覺傳感器分三種，共30個，分別測量車身上不同的測量點。光條結構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特征點的空間坐標；十字線結構光傳感器測量車身上的圓孔尺寸及孔心坐標。用這種方法檢測車身，只需要檢測30多個檢測點，用不到40秒的時間就可以對每

9、個車身進行實時、準確的檢測。22第五章 長度測量技術 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) 物位檢測技術第七節(jié) 納米測量技術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。 會引起零件運轉時的振動、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：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。影響配合性質的穩(wěn)定性。影響零件的疲勞強度。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、表面光學性能影響導電導熱性能和膠合強度等2、粗糙度的定義：25國家標準規(guī)定：評定基準為輪廓中線。 包括：最小二乘中線和算術平均中線最小二乘中線：使輪廓上各點至該線的 距離平方和為最小。評定基準：評定表面粗糙度的一段參考線。算術平均中線：將實際輪廓劃分上下兩部分， 且使上下面積相等的直線。3、粗糙度評定基準：26(1) 輪廓算術平均偏差Ra：(2) 微觀不平度十點高度Rz：(3) 輪廓最大高度Ry：在取樣

11、長度內，被測實際輪廓上各點至中線距離絕對值的平均值.在取樣長度內，被測實際輪廓上5點最大峰高平均值與5點最大谷深平均值的絕對值和.在取樣長度內，被測實際輪廓上峰頂與谷底之間距離.4、粗糙度的評定參數： 評定參數：通常采用下列參數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：導頭保持移動方向，近似測量基準 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系，由此可有測得的測量鏡的位移量計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，把觸針的位移量轉化為壓電晶體的形變量，最終轉變?yōu)檩敵鲭妷骸＜す飧缮媸捷喞獌x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?光學輪廓儀2、粗糙度的非接觸式測量：30第五章 長度測量技術 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) 物位檢測技術第七節(jié) 納米測量技術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：可靠，非線性嚴重范圍：測量微位移（1mm）互感式傳感器（差動變壓器）：原理：位移 兩線圈互感變化特點：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小角度， 移動時，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元件。構成：主光柵（標尺光柵）、指示光柵、光路系統(tǒng)、光電元件。特點：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范圍大：

14、取決于主尺長度響應快：光電式，適于動態(tài)33(2) 光柵式位移傳感器1、光柵的構造：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，這時光柵上會出現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：1.莫爾條紋的位移與光柵的移動成比例。光柵每移動過一個柵距W，莫爾條紋就移動過一個條紋間距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，可將莫爾條紋移動時光強的變

15、化轉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，經微分轉換為脈沖信號，再經辨向電路和可逆計數器計數，則可用數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 極板移動極距變化電容變化特點：范圍：測量微位移（1mm）初始電容量：分辨力極高：位移1nm動極板質量小，慣性小，動態(tài)響應好；非接觸，自身發(fā)熱和功耗?。环蔷€性嚴重39(2) 電渦流位移傳感器原理：交變電流I1傳感器線圈被測導體交變磁場H1電渦流I2交變磁場H2參數變化輸出

16、信號線圈與導體距離變化 電感、阻抗、品質因數等變化 - 輸出信號特點：不受液體、油污、灰塵等介質的影響 測量范圍有限：僅適于近距離測試 數百毫米 非線性，精度不高 體積大，功耗高40(3) 激光位移傳感器原理：構成：激光器：發(fā)射激光束 發(fā)射端鏡頭：準直、匯聚 接收端鏡頭：成像 接收器：光電轉換（CCD, PSD）特點：測量精度高（0.03)，分辨率高(0.005）。 與被測體無關（軟硬、顏色、冷熱、材料） 量程可達數十厘米。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直徑極小的光束，此光束被測量表面漫反射到一個分辨率極高的CCD或PSD探測器上,通過CCD或PSD所感應到光束位置的不同，

17、精確測量被測物體位置變化。4142二、距離測量1、飛行時間測距激光器被測目標被測距離:c - 光速 t - 往返飛行時間原理：特點：對時間測量精度要求高，適于測量超長距離激光器發(fā)出單個激光脈沖，并返回發(fā)射端接收應用：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被測距離:c-光速 f0-頻率 -相位差特點：測量精度高， 測量范圍大（中短距離）應用：相機自動對焦 建筑測繪、 軍用目標原理：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 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) 物位檢測技術第七節(jié) 納米測量技術451、 壓力式液位計原理：液體對容器底面產生的靜壓力與液位高度成正比 (a) 壓力表式液位計測量開口容器液位高度的壓力式液位計(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，還可用差壓法進行測量，消除液面上部氣壓及氣壓波動對示值的影響。差壓式液位計472. 鋼帶浮子式液位計右圖為直讀式鋼帶浮子式液位計，這是一種最簡單的液位計；浮子做成空心剛體，使它在平衡時能夠浮于液面。當液位高度發(fā)生變化時，浮子就會跟隨液面上下移動。因此測出浮子的位移就可知液位變化量。483、電容式物位計RLHL同心圓柱式電容器R、r外電極內徑和內電極外

19、徑493、電容式物位計大致可分成三種工作方式棒狀電極導電容器物料非導電液體整體絕緣探頭導電容器物料為導電性液體變面積型電容器具有內外電極的管式電極非金屬容器物料為非導電性液體504、超聲波物位計可測量液體及粒狀松散并含有大量氣體的被測材料。515、雷達物位計 雷達物位計也采用發(fā)射反射接收的工作模式。 雷達物位計的天線發(fā)射出電磁波，這些波經被測對象表面反射后，再被天線接收，電磁波從發(fā)射到接收的時間與到液面的距離成正比。 D雷達物位計到表面的距離 C光速 T電磁波運行時間 采用一體化設計，無可動部件，不存在機械磨損，使用壽命長； 幾乎可以測量所有介質； 采用非接觸式測量，不受槽內物體的密度、濃度等物理特性的影響； 測量范圍大，最大可達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 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) 物位檢測技術第七節(jié) 納米測量技術53第七節(jié) 納米測量技術定義：尺度為0.01nm-100nm的測量技術。一、掃描隧道顯微鏡（STM） 1981年，IBM公司蘇黎世實驗室研制成功了世界第一臺新型