精密儀器考試論述題答案

二、影像法測軸徑當被測件兩端具有中心孔時，可采用這種非接觸式測量法，源1發(fā)出的光線，經(jīng)聚光鏡2、濾光片3成象在光欄4處，可變光欄4位于聚光鏡6的物方焦平面上，構(gòu)成遠心照明光路。因此，光線經(jīng)反射鏡5垂直轉(zhuǎn)向經(jīng)聚光鏡6成平行光束，照明被測軸7；經(jīng)物鏡8將軸件的一部分成象在目鏡的焦平面的分劃極9上，通過目鏡10用分劃板9上的米字刻線對軸件的影象進行瞄準，在讀數(shù)顯微鏡上讀數(shù)。對被測軸兩邊進行瞄準，并讀出相應(yīng)的讀數(shù)，兩次讀數(shù)之差即是被測軸徑。影像法是最基本的非接觸測量法，它不需要測頭，也沒有測量力，可以測量剛性差、材料軟的軸件。萬能顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)圖如下圖所示。1

光源1發(fā)出的光線，經(jīng)聚光鏡2、濾光片3成象在光欄4處，可變光欄4位于聚光鏡6的物方焦平面上，構(gòu)成遠心照明光路。因此，光線經(jīng)反射鏡5垂直轉(zhuǎn)向經(jīng)聚光鏡6成平行光束，照明被測軸7；經(jīng)物鏡8將軸件的一部分成象在目鏡的焦平面的分劃極9上，通過目鏡10用分劃板9上的米字刻線對軸件的影象進行瞄準，在讀數(shù)顯微鏡上讀數(shù)。對被測軸兩邊進行瞄準，并讀出相應(yīng)的讀數(shù)，兩次讀數(shù)之差即是被測軸徑。2首先用調(diào)焦棒將中央顯微鏡精確調(diào)焦，這時被測件物體最清晰。測量時，由于圓柱面母線直線度或錐度等形狀誤差的影響，不能采用通常測量長度的壓線法，而必須使用在母線上的壓點法，即將米字線中心壓在輪廓母線上的一點，然后移動橫向工作臺，使米字中心壓到相對應(yīng)的輪廓母線上。兩次讀數(shù)之差即被測軸徑。測量軸徑時，還應(yīng)在不同的橫截面內(nèi)進行多次測量，然后取其平均值。

3這種影像壓點法與一般長度測量中的壓線法一樣，既要按照外形大小調(diào)整光圈，又要考慮對準精度、輪廓的表面粗糙度等因素的影響。因此，這種方法看來簡單，實則麻煩，而且測量值的分散性很大，隨著被測軸徑的加大，其測量誤差也越大。4影象法測量要求被測軸件的輪廓象清晰，放大準確，瞄準對線形式選擇合理。因此測量前應(yīng)正確調(diào)整光源，正確調(diào)焦，正確調(diào)整光圈大小等。

(1)光源的位置調(diào)整要求光源應(yīng)位于聚光鏡的焦點上，使照明被測件的光線成為平行光軸的平行光束。光源應(yīng)位于光學(xué)系統(tǒng)的光軸上，使視場內(nèi)的亮度均勻。5(2)調(diào)視度與調(diào)焦由于影象法測量是用光學(xué)方法瞄準定位的，因此被測工件輪廓象和瞄準標記(目鏡分劃板刻線)必須清晰而無視差，否則會使瞄準誤差大大增加。為了使眼睛不致在緊張狀態(tài)下觀察，使長時間觀察不疲勞，通過調(diào)節(jié)機構(gòu)使目鏡移動以達到瞄準標記清晰。調(diào)焦是指改變物鏡至被測工件的距離，使被測工件輪廓象清晰。由于被測軸件是安裝在頂尖上測量的，調(diào)焦應(yīng)使用儀器附件調(diào)焦桿。把調(diào)焦桿(焦距棒)安裝在頂尖上，升降顯微鏡臂架，使定焦桿中間孔內(nèi)軸線平面上的刀刃象清晰并無視差，然后換上被測軸件，即可進行測量。6(3)光圈調(diào)整影象法測量時，最理想的照明工件的光線是平行于光軸的平行光束，這時光學(xué)成象的失真最小。但是實際上光源不是點光源，光源的燈絲都有一定的長度。如圖所示，燈絲1上各點發(fā)出的光通過聚光鏡2后，各自成一束平行光，但并不都平行于光軸，只有位于光軸上的點o發(fā)出的光束經(jīng)聚光鏡后才平行于光軸，其余各點(如A、B)發(fā)出的光束經(jīng)聚光鏡后所形成的平行光束，都分別與光軸成不同的夾角，燈絲越長，斜平行光束偏斜光軸的角度越大。7

斜平行光束對影象法測量十分不利。這樣的光束對比較薄的工件影響不大，但對圓柱面的軸件影響就較大了，如圖所示，斜平行光束在圓柱表面反射后，在虛物點處成象，使被測軸件的輪廓象尺寸減少r，光束偏斜角越大，被測軸直徑減少的越多，測量誤差也就越大，因此，影象法測量必須限制一部分斜光束，以減少由此引起的成象誤差對測量結(jié)果的影響，斜光束的限制，是通過調(diào)光圈4的直徑大小實現(xiàn)的。光圈直徑調(diào)大時，光的亮度增大，但是光束的偏角也增大，光圈直徑調(diào)小時，光束偏斜角也小，對光束的平行性有利。但光圈直徑不能太小，否則光線將在軸件母線邊緣產(chǎn)生衍射而使影象尺寸變大。因此在顯微鏡上測量軸徑時，必須根據(jù)被測軸徑尺寸調(diào)整光圈，才能不產(chǎn)生成像誤差。8三、光學(xué)靈敏杠桿測內(nèi)孔直徑光學(xué)靈敏杠桿(光學(xué)定位器、光學(xué)測孔器)是萬能顯微鏡和其它類型工具顯微鏡的基本附件之一，它是用測頭與工件接觸的方法進行測量，特別適用于測量小孔、盲孔、臺階孔等。光學(xué)靈敏杠桿只能與3x物鏡及測角目鏡頭配合使用。在工具顯微鏡上用光學(xué)靈敏杠桿的工作原理如下圖所示。9照明光源4照亮刻有3對雙刻線的分劃板1，經(jīng)透鏡至反射鏡2后，再經(jīng)物鏡組7成像在目鏡米字線分劃板上。平面反射鏡2與測量桿3連結(jié)在一起，當它隨測桿繞其中心點擺動時，3組雙刻線在目鏡分劃板上的像也將隨之左右移動。當測桿的中心線與顯微鏡光軸重合時，雙刻線的像將對稱地跨在米字分劃板的中央豎線上，若測頭中心偏離光軸，則雙刻線的像將隨之偏離視場中心。6為產(chǎn)生測力的彈簧，測力的方向(使測桿向左或向右)可通過外邊的調(diào)整帽來改變。10

測量時，將測桿深入被測孔內(nèi)，通過橫向(或縱向)移動，找到最大直徑的返回點處，并從目鏡8中使雙刻線組對稱地跨在米字線中間虛線的兩旁，此時進行第一次讀數(shù)n1；旋轉(zhuǎn)調(diào)整帽，調(diào)整測力彈簧6的方向(有測力方向箭頭標記)，使測頭與工件的另一側(cè)接觸，雙刻線瞄準后進行第二次讀數(shù)n2(儀器正常時，不必再找返回點)。被測孔徑為式中d測頭-測頭直徑，其數(shù)值標示在測量桿上。用光學(xué)靈敏杠桿測量孔徑的測量誤差約為11

靈敏杠桿測量頭的尺寸和幾何形狀精度一般要求在之內(nèi)，應(yīng)采用不低于3等精度的量塊在超級光學(xué)計(或相當精度的儀器)上進行比較測量。為了保證測量精度，在使用光學(xué)靈敏杠桿測孔時，應(yīng)注意以下兩個問題：（1）工件安裝在工作臺時，必須使被測孔的中心線垂直于測量方向，并在水平面內(nèi)找好工件的最大直徑處。因為被測孔中心線的傾斜和偏心所引起的直徑誤差計算方法和測軸徑時相同。（2）為避免工件形狀誤差對測量的影響，對于被測孔應(yīng)在3個橫截面及相互垂直的2個位置上，分別測量6個尺寸，也可根據(jù)具體情況增加或減少測量點。12四、雙頻激光干涉儀測量大尺寸原理普通光源發(fā)出的不同波長的光波相位是隨機的，因此必須是波長相同的光束才能產(chǎn)生干涉。而激光由于時間、空間相干性好，所以波長稍有差異的兩種激光也能形成干涉，這種特殊的干涉稱為“拍”。將一個單頻的氦氖激光器置于一軸向磁場中，由塞曼效應(yīng)使激光的譜線分裂成為兩個旋轉(zhuǎn)方向相反的左、右圓偏振光，兩束光振幅相同，相互垂直，頻率f1和f2約相差2MHz。光束被分光器分成兩束：13(1)小部分光由分光鏡反射，作為參考光束至檢偏振器5上。該檢偏振器的光軸與紙面成45o，根據(jù)馬呂斯定律，兩個相互垂直的線偏振光在45o方向上的投影會形成新的同向的線偏振光并產(chǎn)生“拍”，拍頻就等于兩束光頻率的差值，即。f0＝f1-f2≈2MHz。該信號由光電接收器6接收并進入前置放大器7，最后送至相減計數(shù)器。14(2)大部分光作為測量光束透過分光鏡4射向偏振分光棱鏡8，f2經(jīng)分光鏡8反射至參考鏡9，f1透過分光鏡8到達測量鏡。若測量棱鏡10以速度v移動，則基于多普勒效應(yīng)，從測量鏡返回的光束頻率將變成f1+f，其中f=2v/1，即稱為多普勒頻移。該光束返回后重新經(jīng)過偏振分光鏡8并與f2會合，經(jīng)反射鏡11反射后至光軸與紙面成45o的檢偏器12，繼而形成拍頻為f0+f的“拍”。該信號由光電接收器13接收并進入前置放大器14，最后送至相減計數(shù)器。15由相減計數(shù)器得到基準信號和測量信號的差值。如果反射鏡不移動，則差值為零；若反射鏡的移動速度為v移動了時間t，則計數(shù)器累計得到的脈沖數(shù)為N：所以L＝N1/2雙頻激光干涉儀以交變信號作為參考信號，可避免零點漂移，有較強的抗干擾能力，在現(xiàn)場使用。測量長度可達60m左右。雙頻激光干涉儀的最小分辨率為μm，最大位移速度為300m/s.16五、跨步儀法測量原理跨步儀法使用的測量裝置如圖所示。該裝置由具有兩個支承的本體和裝在其上的指示表組成，后支承至前支承的距離與前支承至指示表測頭的距離相等。其測量原理是以兩支承點的連線作為理想直線測量第三點相對于此連線的偏差。測量前，把此裝置放在高精度平尺或平板上，將指示表的示值調(diào)整為零，然后將測量裝置放置在被測面上進行測量，每次移動一個L距離，讀取一個讀數(shù)。移動時，前次的測點位置，就是后次測量的前支承點位置，如此依次逐段測完全長，最后經(jīng)數(shù)據(jù)處理，即可求出被測件的直線度誤差。17則各點相對于測量裝置兩支承原始位置A0和A1，連線的偏差為y2，y3，…，yi。因讀數(shù)a2為被測面上A2點相對于A0、A1連線的偏差，讀數(shù)a3為被測面上A3點相對于A1、A2連線的偏差，其余依此類推，即后一點上的讀數(shù)為相對于前兩點連線的偏差值。如圖所示，設(shè)在被測面的A2，A3，…，Ai點上指示表的讀數(shù)分別為a2,a3…ai,1819激光具有能量集中，方向性和相干性好等優(yōu)點，因此，用激光作為基準線來測量直線度誤差可克服傳統(tǒng)光學(xué)準直法的上述缺點。激光準直儀的原理如圖所示。由氦-氖激光器1發(fā)出的一束光，通過擴束望遠鏡2后射出直徑為10mm的激光束，此光束橫斷面的光能量分布近似于高斯分布(正態(tài)分布)。在一定條件下，相當長距離內(nèi)各斷面光能量的分布是一致的，這些能量分布中心的連線構(gòu)成一條理想的直線，即為激光準直測量的一條基準直線。六、激光準直儀法傳統(tǒng)的光學(xué)準直法的缺點是在較長的距離下進行測量時像質(zhì)模糊、照度低、可靠性差。20當光電接收靶中心與激光束能量中心重合時，相對的兩個光電池接收能量相同，因此輸出光電信號相等，無信號輸出，指示電表指示為零。如靶子中心偏離激光束能量中心，這時相對的兩個光電池有差值信號輸出，通過運算電路可用指示表指示出數(shù)值或用記錄儀記錄下曲線。因此，測量時首先將儀器與靶子調(diào)整好，然后將靶子沿被測表面測量方向移動，便能得到直線度誤差的原始數(shù)據(jù)。激光準直儀的接收靶(光電目標)中心有一塊圓形四象限硅光電池，兩兩相對的硅光電池接成差動式，其信號輸入運算電路3。這樣，上下一對硅光電池，可以用來測量靶子相對于激光束在垂直方向上的偏移；左右一對硅光電池，可用來測量靶子相對于激光束在水平方向上的偏移。21塞曼激光器1發(fā)出頻率為f1和f2的左、右旋圓偏振光，經(jīng)參考分光鏡2反射一小部分光經(jīng)檢偏器10由光電元件D1接收，大部分光經(jīng)分光鏡2后經(jīng)1/4波片，成為頻率分別為f1和f2且偏振方向互相垂直的面偏振光。此面偏振光經(jīng)反射鏡4、分光鏡5、渥拉斯特棱鏡6后，分成夾角為、頻率為f1和f2的兩束面偏振光垂直射向夾角為180-的角反射鏡7,再由反射鏡7返回，經(jīng)渥拉斯特棱鏡b、分光鏡5、反射鏡8、檢偏器9，最后到達光電接收器D2。七、雙頻激光準直儀法雙頻激光干涉法測量直線度的原理如圖所示。22測量時，若反射鏡7沿被測表面安放，由于被測表面存在形狀誤差，因而使反射鏡7在光軸上、下發(fā)生偏移，如圖所示。當反射鏡7的頂點在光軸上時，頻率為f1的偏振光在R1點反射，頻率為f2的偏振光在R2點反射，則匯合光束的兩個頻率的光程差為零。當反射鏡7的位置偏離光軸時(圖中虛線，偏離量為E)，則頻率為f1的偏振光在R1’點反射，頻率為f2的偏振光在R2’點反射，則匯合光束的兩個頻率的光程差L=4，23由圖(b)可知：則：光程差L可以用雙頻激光干涉法進行長度測量得到，從而測出E值，即反射鏡7偏離光軸的量，最后獲得被測表面相對于激光光軸的偏差。24八、光學(xué)自準直儀1、光源2、自準直分劃板3、物鏡4、反射物體5、測微分劃板6、目鏡25

用自準直儀測量小角度可以用相對法測量角度塊的例子來說明，如圖所示。與被測角度塊公稱值相同的標準角度塊1放置在專用工作臺2上，并使其一個工作面緊靠在兩個鼓形定位銷3上。將光學(xué)自準直儀4對準角度塊的另一個工作面，從其讀數(shù)裝置上讀取第1個讀數(shù)A。