精測(cè) 長(zhǎng)度量測(cè)量

第七章長(zhǎng)度量測(cè)量天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院《史記》：“禹，左準(zhǔn)繩，右規(guī)矩”“身為度，稱以出?！鄙檀笱莱摺稌x書(shū)·輿服志》：“記里鼓車，駕四。形制如司南。其中有木人執(zhí)槌向鼓，行一里則打一槌?！?/p>

古埃及：肘尺是以胳臂定為一個(gè)基本的長(zhǎng)度單位。象形文字“肘尺”就是形象地畫(huà)出了胳臂之長(zhǎng)金字塔其底是正方形的，每邊長(zhǎng)500肘尺。古埃及測(cè)量長(zhǎng)度的尺尼羅河水高度測(cè)量的水井第一節(jié)概述米的定義長(zhǎng)度量值傳遞系統(tǒng)長(zhǎng)度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)量長(zhǎng)度測(cè)量的基本原則長(zhǎng)度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量環(huán)境米的定義長(zhǎng)度計(jì)量單位布指知寸，布手知尺，舒肘知尋。十尺為丈，人長(zhǎng)八尺。腕尺：約合52～53厘米，與從手的中指尖到肘之間的長(zhǎng)度有密切關(guān)系。

英寸：從大麥穗中間選擇三粒最大的麥粒并依次排成一行的長(zhǎng)度就是一英寸。米的定義米的由來(lái)1790年法國(guó)科學(xué)院提出“米制”的建議天文地理基準(zhǔn)：1791年，法國(guó)國(guó)民議會(huì)決定采用經(jīng)過(guò)巴黎的地球子午線自北極到赤道這一段弧長(zhǎng)的一千萬(wàn)分之一為長(zhǎng)度單位1959年國(guó)務(wù)院確定以公制為我國(guó)基本計(jì)量制度，規(guī)定“米”為我國(guó)的長(zhǎng)度單位米的定義實(shí)物基準(zhǔn)：1889年第一屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上將“米”定義為“0℃時(shí)，巴黎國(guó)際計(jì)量局的截面為X形的鉑銥合金兩端刻線記號(hào)間的距離”。不確定度1.1×10-7米的定義光波基準(zhǔn)：1960年，在第11屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上，把米的定義改為：

氪86(86Kr)原子的2p10

和5d5能級(jí)之間躍遷所對(duì)應(yīng)的輻射在真空中的波長(zhǎng)(0.6057μm)的1,650,763.73倍自然基準(zhǔn)，不確定度2.5×10-8米的定義光束基準(zhǔn)：1983年10月第17屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過(guò)了米的新定義：光在真空中于1/299792458秒的時(shí)間間隔內(nèi)所行進(jìn)的路程長(zhǎng)度?；鶞?zhǔn)為基本的物理常數(shù)長(zhǎng)度與時(shí)間的結(jié)合，通過(guò)更準(zhǔn)確的時(shí)間計(jì)量可以提高長(zhǎng)度計(jì)量的準(zhǔn)確度。米的定義的復(fù)現(xiàn)國(guó)際計(jì)量委員會(huì)推薦米可以通過(guò)時(shí)間法、輻射法和頻率法來(lái)復(fù)現(xiàn)。時(shí)間法，利用光行進(jìn)的時(shí)間來(lái)測(cè)量長(zhǎng)度，主要用于天文學(xué)和大地測(cè)量學(xué)。輻射法，1993年國(guó)際計(jì)量委員會(huì)推薦了8種穩(wěn)頻激光器輻射的標(biāo)準(zhǔn)譜線頻率(波長(zhǎng))值，作為復(fù)現(xiàn)米定義的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。頻率法，利用光的頻率來(lái)測(cè)量其真空波長(zhǎng)，故在準(zhǔn)確度方面潛力很大。1999年，飛秒光梳技術(shù)的發(fā)明給光學(xué)頻率測(cè)量研究帶來(lái)了革命性的突破，獲得了2005年諾貝爾物理獎(jiǎng)。米的定義的復(fù)現(xiàn)我國(guó)常用的是碘吸收633nm氦氖激光器,不確定度2.5×10-11。以銫原子噴泉鐘微波頻標(biāo)為參考的激光頻率的絕對(duì)測(cè)量。2010年，

頻率不確定度達(dá)到1.5×10-15長(zhǎng)度量值傳遞系統(tǒng)

把測(cè)得的尺寸與基準(zhǔn)長(zhǎng)度聯(lián)系起來(lái)，以保證長(zhǎng)度量值的統(tǒng)一和準(zhǔn)確，這種聯(lián)系渠道稱為量值傳遞系統(tǒng)量值傳遞的基本方法：高一級(jí)精度的儀器設(shè)備對(duì)低一級(jí)精度的儀器設(shè)備進(jìn)行量值傳遞激光波長(zhǎng)量塊線紋尺量具測(cè)量?jī)x器被測(cè)工件長(zhǎng)度量值傳遞系統(tǒng)高一級(jí)精度低一級(jí)精度長(zhǎng)度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)量光波波長(zhǎng)He-Ne:=632.8nm線紋尺刻度量塊的長(zhǎng)度光柵、容柵的柵距精密絲杠的螺距長(zhǎng)度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)量——線紋尺用金屬或玻璃制成、表面上準(zhǔn)確地刻有等間距平行線的長(zhǎng)度測(cè)量和定位元件，也稱刻線尺。長(zhǎng)度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)量——線紋尺線條間距：1毫米或0.1毫米。規(guī)格：100、200、300、500和1000毫米。基準(zhǔn)線紋尺的允許檢定誤差為±0.2微米/米；工作線紋尺的刻線精度可達(dá)±1微米/毫米。長(zhǎng)度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)量——量塊量塊是應(yīng)用最廣泛的實(shí)物基準(zhǔn)之一。量塊經(jīng)常用于長(zhǎng)度尺寸的檢定和相對(duì)測(cè)量。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)量塊的材料、形狀、表面粗糙度以及中心尺寸長(zhǎng)度的制造精度、檢定精度均有明確的規(guī)定。量塊成套制造和出售，每套量塊的塊數(shù)有91、83、46等多種，不同套別中量塊的尺寸也不相同。量塊的研合特性可將不同尺寸的量塊組合成所需要的各種尺寸。長(zhǎng)度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)量——量塊按級(jí)使用量塊的長(zhǎng)度變動(dòng)量：在量塊測(cè)量面上任意點(diǎn)長(zhǎng)度中最大值與最小值之差的絕對(duì)值。根據(jù)量塊實(shí)測(cè)長(zhǎng)度對(duì)其標(biāo)稱長(zhǎng)度偏差和長(zhǎng)度變動(dòng)量允許值大小的不同，量塊分為K、0、1、2、3共5個(gè)不同的級(jí)別。長(zhǎng)度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)量——量塊按“級(jí)”使用，應(yīng)以量塊標(biāo)稱長(zhǎng)度作為工作尺寸。顯然，該尺寸包含了量塊的實(shí)際制造誤差。如40mm的量塊，1級(jí)：按級(jí)使用將帶入制造誤差，結(jié)果：

40±0.0004mm。長(zhǎng)度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)量——量塊按等使用量塊長(zhǎng)度測(cè)量的不確定度U：量塊長(zhǎng)度測(cè)得的實(shí)際值L與其真值X接近程度的范圍：U=L－X

。按照量塊長(zhǎng)度測(cè)量不確定度允許值和長(zhǎng)度變動(dòng)量允許值的大小分為l、2、3、4、5共5個(gè)不同的等別。長(zhǎng)度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)量——量塊按“等”使用，應(yīng)以經(jīng)檢定后所給出的量塊中心長(zhǎng)度的實(shí)測(cè)值作為工作尺寸。如40mm的量塊，3等：按等使用將帶入檢定誤差。若檢定值為40.0001，則按實(shí)際尺寸用，結(jié)果：40.0001±0.00015mm長(zhǎng)度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)量——柵距光柵示值精度較高，但對(duì)測(cè)量環(huán)境要求較苛刻，特別是對(duì)溫度及油污、灰塵較敏感。很大的放大倍數(shù)誤差平均作用，實(shí)現(xiàn)很高的測(cè)量精度和很小的分辨率長(zhǎng)度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)量——柵距光柵透射式光柵反射式光柵長(zhǎng)度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)量——柵距容柵基于變面積工作原理。具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)、造價(jià)低的特點(diǎn)，有中等精度的產(chǎn)品，也有較高精度的品種xAB定尺動(dòng)尺δaW長(zhǎng)度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)量——柵距磁柵易受外界磁場(chǎng)的影響，應(yīng)注意屏蔽長(zhǎng)度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)量——柵距感應(yīng)同步器抗干擾能力很強(qiáng)，對(duì)使用環(huán)境的要求較低。長(zhǎng)度測(cè)量的基本原則阿貝原則基準(zhǔn)統(tǒng)一原則變形最小原則測(cè)量鏈最短原則長(zhǎng)度測(cè)量的基本原則阿貝原則1890年，阿貝（Abbe）提出了一條長(zhǎng)度尺寸測(cè)量的指導(dǎo)性原則被測(cè)件的尺寸線（被測(cè)線）應(yīng)和儀器中作為讀數(shù)用的標(biāo)準(zhǔn)刻度線（標(biāo)準(zhǔn)線）重合或順次排成一條直線，即被測(cè)線和標(biāo)準(zhǔn)線共線。長(zhǎng)度測(cè)量的基本原則阿貝原則測(cè)量?jī)x器不按阿貝原則設(shè)計(jì)，所產(chǎn)生的測(cè)量誤差較大，應(yīng)用阿貝原則設(shè)計(jì)，可以顯著減少測(cè)量頭移動(dòng)方向偏差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。長(zhǎng)度測(cè)量的基本原則阿貝原則在實(shí)際測(cè)量工作中，有時(shí)很難遵守阿貝原則。測(cè)量長(zhǎng)度尺寸比較大的工件時(shí)，若要遵守阿貝原則，則儀器的長(zhǎng)度就必須大于兩倍工件的長(zhǎng)度，這給儀器制造、安裝帶來(lái)很多不便。對(duì)于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)這類多自由度測(cè)量?jī)x器，很難做到各個(gè)坐標(biāo)方向都能遵守阿貝原則。那些軸滿足阿貝原則？那些軸不滿足阿貝原則？長(zhǎng)度測(cè)量的基本原則阿貝原則為減小因不遵循阿貝原則而引起的測(cè)量誤差，可采取以下措施盡可能減小被測(cè)線和標(biāo)準(zhǔn)線之間的距離，并保證它們之間平行提高儀器導(dǎo)軌的精度跟蹤測(cè)量導(dǎo)軌的偏移并進(jìn)行補(bǔ)償長(zhǎng)度測(cè)量的基本原則測(cè)量基準(zhǔn)統(tǒng)一原則指在測(cè)量時(shí)所選定的測(cè)量基準(zhǔn)應(yīng)該和設(shè)計(jì)時(shí)選定的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、加工時(shí)選定的加工基準(zhǔn)及裝配時(shí)選定的安裝基準(zhǔn)一致，以避免因基準(zhǔn)不同而產(chǎn)生的附加誤差。長(zhǎng)度測(cè)量的基本原則變形最小原則由于環(huán)境溫度的變化、測(cè)量力和自重的影響，被測(cè)件和測(cè)量?jī)x器各結(jié)構(gòu)部件會(huì)產(chǎn)生熱變形和彈性變形，影響測(cè)量精度。因此，在測(cè)量過(guò)程中要求被測(cè)工件和測(cè)量?jī)x器的變形最小。測(cè)量鏈最短原則對(duì)于一個(gè)精密測(cè)量?jī)x器或測(cè)量系統(tǒng)，從感受被測(cè)量到結(jié)果顯示裝置，凡是直接與感受標(biāo)準(zhǔn)量和被測(cè)信息的有關(guān)組件，如被測(cè)件、標(biāo)準(zhǔn)件、傳感元件、定位元件等均屬測(cè)量鏈。要求組成測(cè)量鏈環(huán)節(jié)的組件數(shù)目應(yīng)最少，即測(cè)量鏈最短。長(zhǎng)度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量環(huán)境

測(cè)量環(huán)境的溫度、濕度、氣壓、振動(dòng)等因素均會(huì)引起測(cè)量值的變化。因此，某被測(cè)量的測(cè)量結(jié)果應(yīng)是相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量環(huán)境而言的，即：

環(huán)境溫度(EnvironmentTemperature)：20°C相對(duì)濕度(RelativeMoisture)：50%~60%環(huán)境氣壓(EnvironmentPressure)：0.1MPa測(cè)量?jī)x器遠(yuǎn)離振動(dòng)源(VibrationSource)若測(cè)量環(huán)境不處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，則應(yīng)考慮環(huán)境因素引起的測(cè)量誤差，或進(jìn)行修正，或計(jì)入測(cè)量不確定度第二節(jié)長(zhǎng)度尺寸測(cè)量長(zhǎng)度尺寸的測(cè)量涉及工件的長(zhǎng)、寬、高、厚度及軸徑、孔徑等幾何量值的測(cè)量。長(zhǎng)度測(cè)量方法的分類直接測(cè)量、間接測(cè)量原位測(cè)量、離位測(cè)量在線測(cè)量、離線測(cè)量絕對(duì)測(cè)量相對(duì)測(cè)量直接測(cè)量——絕對(duì)測(cè)量卡尺千分尺直接測(cè)量——絕對(duì)測(cè)量測(cè)長(zhǎng)機(jī)工作臺(tái)被測(cè)件測(cè)量頭測(cè)量軸基準(zhǔn)線紋尺讀數(shù)顯微鏡配重鋼帶滑輪透鏡光源平衡錘阻尼液壓缸直接測(cè)量——絕對(duì)測(cè)量激光干涉儀以激光波長(zhǎng)作為長(zhǎng)度基準(zhǔn)激光波長(zhǎng)穩(wěn)定，無(wú)需校準(zhǔn)激光波長(zhǎng)非常短，測(cè)量分辨率高激光具有干涉特性相位相同相位相反激光干涉儀“增量法”測(cè)長(zhǎng)目標(biāo)反射鏡與被測(cè)對(duì)象固聯(lián)參考反射鏡固定不動(dòng)邁克爾遜：（1852-1931）,美國(guó)物理學(xué)家。設(shè)計(jì)了至今仍應(yīng)用廣泛的邁克爾遜干涉儀。榮獲了1907年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)激光干涉儀激光干涉儀激光比長(zhǎng)儀采用激光干涉原理，實(shí)現(xiàn)線紋尺和光波波長(zhǎng)比較實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量，測(cè)量精度±0.2μm/m瑞利干涉儀測(cè)量折射率溫度變換小于0.1℃激光器平行光管反射鏡分光器反射鏡固定角錐棱鏡可動(dòng)角錐棱鏡移相板分像棱鏡組光電顯微鏡工作臺(tái)光電探測(cè)器放大整形電路計(jì)算機(jī)光電探測(cè)器差動(dòng)放大電路觸發(fā)器激光干涉儀單頻激光干涉儀只能進(jìn)行直流放大器，而不能使用交流放大器外界干擾使干涉信號(hào)強(qiáng)度降低，落于計(jì)數(shù)觸發(fā)電平之下。在干涉儀的參考光路中引入一定頻率的載波，被測(cè)信號(hào)通過(guò)這一載波來(lái)傳遞。

外差干涉儀激光干涉儀外差干涉儀測(cè)量鏡靜止時(shí)，光電探測(cè)器的輸出信號(hào)為載波頻率的交流信號(hào)測(cè)量鏡運(yùn)動(dòng)時(shí)，輸出信號(hào)的頻率只在某一范圍內(nèi)增加或減少采用交流放大，隔絕外界環(huán)境干擾造成的直流電平漂移激光干涉儀外差干涉儀載波信號(hào)產(chǎn)生方法：使參與干涉的兩束光產(chǎn)生一個(gè)頻率差，這樣的兩束光干涉會(huì)產(chǎn)生“光學(xué)拍”現(xiàn)象，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)得到差頻信號(hào)?！肮鈱W(xué)拍”干涉條件：兩個(gè)振幅相同，振動(dòng)方向相同，且在同一方向傳播，頻率接近的兩單色光疊加激光干涉儀塞曼雙頻激光干涉儀雙頻激光干涉儀

API公司XDLaser?激光干涉儀線性：0.5ppm測(cè)量范圍：40米(1D可選80米)線性分辨力：0.001um.偏擺角和俯仰角的精度：(1.0+0.1/m)角秒或1%顯示較大值最大范圍：800角秒滾動(dòng)角精度：1.0角秒直線度精度：(1.0+0.2/m)um或1%顯示較大值直線度最大范圍：500um垂直度精度：1角秒工具顯微鏡顯微鏡法是將被測(cè)件的尺寸、輪廓或用光干涉法產(chǎn)生的干涉條紋等，經(jīng)過(guò)顯微放大，以便于觀察測(cè)量。工具顯微鏡中央顯微鏡立柱縱橫向滑臺(tái)讀數(shù)系統(tǒng)工具顯微鏡工具顯微鏡非接觸瞄準(zhǔn)系統(tǒng)照明光路工作臺(tái)被測(cè)工件物鏡分劃板目鏡工具顯微鏡工具顯微鏡非接觸瞄準(zhǔn)系統(tǒng)照明光路工作臺(tái)被測(cè)工件物鏡分劃板目鏡工具顯微鏡工具顯微鏡接觸式瞄準(zhǔn)系統(tǒng)目鏡米字分劃板物鏡反射鏡雙線分劃板聚光鏡照明燈測(cè)頭光學(xué)靈敏杠桿直接測(cè)量——相對(duì)測(cè)量采用相對(duì)測(cè)量法的儀器測(cè)量得到的量值是被測(cè)量和定值標(biāo)準(zhǔn)量的差值立式接觸式干涉儀高精度測(cè)微儀根據(jù)干涉原理，將微小尺寸的變化轉(zhuǎn)換成干涉條紋的移動(dòng)，讀出干涉條紋的移動(dòng)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)微小尺寸的測(cè)量立式接觸式干涉儀測(cè)量時(shí)使用白光，即移出濾色片，使視場(chǎng)中出現(xiàn)零級(jí)黑條紋。根據(jù)測(cè)頭先后與標(biāo)準(zhǔn)件及被測(cè)件接觸時(shí)零級(jí)條紋位置間的距離，即可測(cè)得被測(cè)量相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)量的偏差值。立式接觸式干涉儀電容測(cè)微儀電容傳感器小孔徑測(cè)量?jī)x直接測(cè)量將被測(cè)量直接和標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較?？煞譃榻^對(duì)測(cè)量和相對(duì)測(cè)量絕對(duì)測(cè)量法：儀器示值為被測(cè)量的絕對(duì)值，常以刻度尺、光柵尺、波長(zhǎng)等作為測(cè)量基準(zhǔn)，一般具有絕對(duì)零位，示值范圍較大。如游標(biāo)卡尺、千分尺、測(cè)長(zhǎng)儀、測(cè)長(zhǎng)機(jī)、工具顯微鏡、激光干涉儀等。相對(duì)測(cè)量法：儀器示值為被測(cè)量相對(duì)于某一定值標(biāo)準(zhǔn)量的偏差值。標(biāo)準(zhǔn)量應(yīng)盡可能與被測(cè)量具有相同定義及公稱值。用于相對(duì)測(cè)量的儀器多稱作測(cè)微儀或比較儀，一般具有放大倍數(shù)大，示值范圍較小、測(cè)量精度高、零位可調(diào)的特點(diǎn)。如杠桿百分表，立式光學(xué)計(jì)、接觸式干涉儀、電容測(cè)微儀等。間接測(cè)量測(cè)量得到的量值是被測(cè)量有確定函數(shù)關(guān)系的參量，