第一节 长度测量概述 第二节 尺寸测量 第三节 形位误差测量 第四节 表面粗糙度测量 第五节 线位移测量 第六节 绝对距离测量 第五章 长度测量技术 第一节 长度测量概述 第二节 尺寸测量 第三节 形位误差测量 第四节 表面粗糙度测量 第五节 线位移测量 第六节 绝对距离测量 1

第一节 长度测量概述 一、长度检测的意义 1、长度是生产实践中最常遇的被测量之一 2、长度检测是常规计量项目中的基本项目 零件尺寸 形位误差 机构位移 2、长度检测是常规计量项目中的基本项目 十大计量项目：长度、热量、力学、电磁、电子、时间频率、光学、辐射、声学、化学 3、长度是最基本的物理量之一 体积＝长*宽*高 速度＝位移/时间 …… 2

第一节 长度测量概述 二、长度的单位与基准 1、长度的单位与国际基准 国际单位制－“米”（m），这是长度的法定单位 米的定义： 18世纪末：“1米等于经过巴黎的地球子午线的四千万分之一” 1889年在法国巴黎第一届国际计量大会， 从国际计量局订制的30根米尺中选出一根 作为统一的国际长度单位量值， 称之为“国际米原器”（铂铱合金 ）。 如何测量地球子午线的长度，是一项艰苦卓绝的长途跋涉，而且还来不得半点马虎，需要细心地勘测。天文学家约瑟夫·德朗布尔和安德烈·梅尚坚决地接受了这一艰巨任务。他们约定从巴黎出发，背向而行，共同完成这一段地球子午线的测量工作。博学多才的德朗布尔从巴黎向北走；细致认真的梅尚从巴黎往南走。不过，当时的法兰西正处在资产阶级革命的狂热中，社会十分混乱。所以，两位科学家常常冒被追捕的危险。在巴黎郊外，德朗布尔多次躲开狂热人群的追捕，有几次差点被送上断头台。在法兰西与西班牙的激烈交战中，梅尚曾被当作法国密探遭到拘禁。   经过7年的跋涉，德朗布尔和梅尚终于在法国南部要塞卡尔卡松会合。他们带着勘测资料返回巴黎时，拿破仑·波拿巴已成为法兰西新统治者，政局也恢复平静。所以，巴黎群众能够像迎接英雄一样欢迎他们。崇尚科学的拿破仑也给予他们极高评价：“胜利如过眼烟云，但是这项成就会永存于世。”设在巴黎国际科学委员会，还用纯铂制成一根1米长的金属棒来纪念两位科学家的探险活动。 1983年第17届国际计量大会又更新了米的定义，规定： 1米是 “光在真空中于1/299792458秒的时间间隔内所经历路程的长度”，称为“米的国际基准”。 3

第一节 长度测量概述 二、长度的单位与基准 2、长度的实用基准 (1) 光波波长： 5种激光（He-Ne）波长 (2) 量块： 形状：金属长方体 材料：线膨胀系数小、性质稳定、耐磨 以及不易变形的合金钢材料 量值：单值量具，两个工作面的距离，可以组合 (3) 线纹尺： 带有刻线的尺 光栅、磁栅、容栅、…… 4

套别 总块数 级别 尺寸系列/mm 间隔/mm 块数 1 91 00,0,1 0.5 1 1.001,1.002,……,1.009 1.01,1.02,……,1.49 1.5,1.6, ……,1.9 2.0,2.5, ……,9. 10,20, ……,100 0.001 0.01 0.1 0.5 10 1 1 9 49 5 16 10 5

第一节 长度测量概述 三、长度测量的方法 1、按测量手续划分：直接测量和间接测量 直接测量：直接对被测量进行测量，测量结果即为被测量的值。 例：用卡尺直接测量零件直径， 卡尺读数即为被测直径值。 D = 20.01 mm 特点：操作简单，精度较高 间接测量：先测量与被测量相关的其他量，然后按函数关系式求得被测量。 例：用弓高弦长法测量大尺寸直径， 读数为弓高H和弦长L， 计算得直径值D： 特点：操作复杂，精度不高 6

第一节 长度测量概述 三、长度测量的方法 2、按测量结果的性质划分：绝对测量和相对测量 绝对测量：仪器示值为被测量的绝对值。 例：用刻度尺直接测量零件长度， 刻度尺读数即为零件长度值。 L = 20.1 mm 被测目标 测量设备 特点：操作简单，测量范围大，精度不高 相对测量：先测量被测量与某个已知标准量的相对差值，然后测量结果 加上标准量求得被测量。 被测目标 测量基准 测量设备 例：用比较仪测量零件长度， 标准量为20mm量块， 读数为+0.065mm，零件长度20.065mm 特点：操作复杂，测量范围小，精度高 7

第一节 长度测量概述 三、长度测量的方法 3、按照测量器具与目标有无接触划分：接触测量和非接触测量 接触测量：测量器具与被测目标相接触， 例如：卡尺、千分尺、电感位移传感器、… 特点：测量过程可靠，但响应慢，存在测量力，易变形和划伤 非接触测量：测量器具与被测目标不接触， 例如：电容位移传感器、激光传感器、测量显微镜… 特点：响应快，无测力磨损和变形 4、按照生产工艺过程划分：在线测量和离线测量（主动测量和被动测量） 8

第一节 长度测量概述 四、长度测量应遵循的原则 1、阿贝原则 (Abbe Principle） 测量实例：利用卡尺测量零件尺寸 S D L 1、阿贝原则 (Abbe Principle） 测量实例：利用卡尺测量零件尺寸 理论：L = D 实际：L ≠ D ? 原因：导轨不直 → 测量线与基准线 不平行 → 量爪不平行 → 偏差 误差的大小与夹角大小有关， 还与测量线与基准线之间距离有关 。 阿贝原则是德国的阿贝(Abbe)在19世纪60年代提出的。 9

第一节 长度测量概述 阿贝原则：要求被测量的尺寸线应与标准量的尺寸线重合或在其延长线上。 作用：此时由导轨直线度误差引起的测量误差是二阶误差，一般可以忽略不计 10

第一节 长度测量概述 五、长度测量对环境的要求 1、标准环境 2、实际环境 标准环境：温度20℃，大气压力760mmHg（0.1MPa），湿度50％～60％ 长度参数比其他参数更容易受环境的影响，环境不同，测量结果不同 2、实际环境 实际环境：存在较大偏差，对测量结果影响较大 例：在20 ℃下100mm长金属零件，温度每变化1 ℃，尺寸变化约1m 温度：尽可能接近标准温度，减小温差（日晒），并进行温度补偿 气压：实时测量气压，并进行修正 湿度：尽可能接近或低于标准湿度，实时测量并进行修正 振动：远离振源，增加隔振措施（隔振地基、减振平台） 11

第一节 长度测量概述 第二节 尺寸测量 第三节 形位误差测量 第四节 表面粗糙度测量 第五节 线位移测量 第六节 绝对距离测量 第五章 长度测量技术 第一节 长度测量概述 第二节 尺寸测量 第三节 形位误差测量 第四节 表面粗糙度测量 第五节 线位移测量 第六节 绝对距离测量 12

第二节 尺寸测量 一、尺寸测量的一般过程 1、定位 定位：使被测件处于最佳方位，使实际测量量符合被测量的定义。 平面定位 外圆定位 定位：使被测件处于最佳方位，使实际测量量符合被测量的定义。 典型定位方法：平面定位、外圆定位、内圆定位、顶尖定位 要求： 首先保证能按被测量的定义进行测量； 选取尺寸及形状精度高的面为定位面； 为保证可靠性，选择定位面时应遵守长度测量原则，定位面尽可能与测量基面、工艺基面、装配基面统一 13

第二节 尺寸测量 2、瞄准： 3、读数/采样 瞄准 ：确定被测量上的测量点相对于标准量的确切位置。 形式： • 接触式： 十字线 双刻线 瞄准 ：确定被测量上的测量点相对于标准量的确切位置。 形式： • 接触式： • 非接触式：影像法(工具显微镜）、CCD图像 一定形状的测头与被测对象机械接触 3、读数/采样 读数 ：读取测量仪的显示值（指针、数显） 采样 ：采集传感器的输出信号，送入处理器 14

第二节 尺寸测量 二、常规尺寸测量 1、接触式尺寸测量 常规尺寸：几毫米～几米，典型－零部件尺寸 (1) 游标卡尺(Caliper)： 组成：定尺－长，整数刻度，尺身 滑尺－短，非整数刻度，游标 游标原理：利用尺身与游标的刻线间距差进行小数读数 游标10刻线，距离差1mm，每线差0.1mm 尺身读整数，游标读小数（刻线对齐） 例：尺身读2mm，游标读0.3mm，读数结果2.3mm 规格：常见的游标卡尺有精度为0.1毫米、0.02毫米和0.05毫米三种 。 15

第二节 尺寸测量 主尺 游标 9毫米刻10格，0.9毫米/格 即：每格相差0.1毫米 16

第二节 尺寸测量 测量值：11 mm + 7×0.1mm=11.7mm 0 10 17

三用卡尺，其测量范围一般为0-125和0-150mm两种。 电子数显卡尺： 18

第二节 尺寸测量 二、常规尺寸测量 1、接触式尺寸测量 (2) 千分尺(Micrometer) 组成：量爪一侧固定，另侧移动 尺身－支撑、定位 读数机构－固定套筒和微分筒 读数原理：固定套筒－刻度0.5mm， 微分套筒－刻度50线，每格0.01mm 例：固定套筒读14mm，微分套筒读0.10mm， 测量结果14.10mm 电子数显千分尺： 19

第二节 尺寸测量 二、常规尺寸测量 1、接触式尺寸测量 (3) 百分表/千分表 (Dial Indicator) 组成：测杆导轨－接触工件，移动 传动机构－转换、传动、放大 指针机构－显示、读数 指针式 千分表： 数显式 千分表： 20

第二节 尺寸测量 二、常规尺寸测量 1、接触式尺寸测量 (4) 高度尺 (Height Gage) 原理：与卡尺相同 游标式 数显式 测量零件尺寸 21

第二节 尺寸测量 二、常规尺寸测量 1、接触式尺寸测量 (5) 测长仪 (Metroscope) 组成：基座7－支撑、固定、隔振 测量座1－长度基准(线纹尺)、读数 尾座6－固定、定位 工作台5－安放工件、接触测量 测量原理：移动测头与固定测头接触， 放置工件，移动测头接触， 线纹尺读数 特点：符合阿贝原则，精度高 22

第二节 尺寸测量 二、常规尺寸测量 1、接触式尺寸测量 (6) 电感传感器 (Inductive Sensor) 结构：线圈 --- 产生磁场/感受磁场 衔铁 --- 移动部件，调制元件 套筒 --- 磁性，防磁、防漏 螺管型电感传感器 应用：接触测量 原理：衔铁深度→磁力线回路的磁阻→ 线圈电感变化 23

第二节 尺寸测量 二、常规尺寸测量 2、非接触式尺寸测量 (1) 万能工具显微镜 (Universal Microscope) 显微镜：将被测件的尺寸、轮廓经过显微光学系统放大， 便于观察测量，提高精度。 读数：被测目标成像于目镜的分划板上， 目测瞄准、读数。 被测件AB位于物镜的物方焦点F1之外，但不超过距物镜两倍焦距的距离，被测件被物镜放大成一倒立的实象A’B ，此实象位于目镜的物方焦面右方的分划板上，经目镜再次放大在明视距离J＝250mm处成一可从目镜视场中看到的虚象A'B ' 24

第二节 尺寸测量 二、常规尺寸测量 2、非接触式尺寸测量 (2) 影像测量仪 工作原理：光源 → 目标 →镜头 → CCD → 图像 准直透镜 工作台 物镜 CCD摄像机 零件 2、非接触式尺寸测量 (2) 影像测量仪 工作原理：光源 → 目标 →镜头 → CCD → 图像 → 计算机 → 数据处理 → 测量结果 特点：快速－可以直接获取一维、二维、三维尺寸 智能－无需找正和对准，自动调焦、自动瞄准 精准－高放大倍率、亚像素细分 美国OGP 25

第二节 尺寸测量 二、常规尺寸测量 2、非接触式尺寸测量 (3) 投影测量仪 工作原理：光源 → 准直透镜→平行光→目标 工作台 物镜 投影幕 零件 反射镜 2、非接触式尺寸测量 (3) 投影测量仪 工作原理：光源 → 准直透镜→平行光→目标 →物镜 →反射镜 → 投影幕 测量方法：人工目视瞄准读数 26

第二节 尺寸测量 二、常规尺寸测量 3、厚度测量 超声波测厚 ：发射探头 → 超声脉冲 → 工件 → 另一侧 → 接收探头 工件厚度 ： 换能器 超声波测厚 ：发射探头 → 超声脉冲 → 工件 → 另一侧 → 接收探头 工件厚度 ： c ：超声波在工件内部传播速度 t ：发射脉冲至接收脉冲时间间隔 特点：无损检测 可检测镀层厚度 速度快 便携，易用 27

第二节 尺寸测量 三、大尺寸测量 1、大直径测量 大尺寸：几米 ～ 几十米，大型工件、长导轨… (1) 弓高弦长法： 测量弓高和弦长， 计算直径D： (2) 滚轮法： D d 被测轴：直径D 标准轮：已知直径d 纯滚动 根据标准轮转过的圈数N和角度θ， 计算被测轮的直径： 28

第二节 尺寸测量 三、大尺寸测量 2、大长度测量 (1) 距离测量法： 分别瞄准被测长度的两端A和B， 分别测量两个位置的距离DA和DB， 计算得出长度：L = DA－DB 常用测量器具：激光干涉仪 29

第二节 尺寸测量 30

第二节 尺寸测量 (2) 光学测量法： 通过光学系统将被测目标缩小(比例k)， 测量被测长度所成的像的长度 L0， 计算得出被测长度：L = k L0 常用测量器具：影像测量仪… 31

第二节 尺寸测量 四、微小尺寸测量 1、金属丝直径测量 微小尺寸：<1mm 金属丝、小孔、台阶、薄膜厚度、刻线… 衍射测量法： 平行光 → 金属丝 → 透镜 → 接收屏 → 明暗相间的衍射条纹 金属丝直径： f：透镜焦距 xk：k级暗条纹的位置 光强迅速减小 → 灵敏度下降 衍射级的增加 直径变化引起的条纹位置变化增大 → 灵敏度提高 衍射级的选择：综合考虑，一般选择第一级或第二级条纹 32

夫琅和费衍射原理 当光源和衍射场(即屏幕P)都距衍射物(小孔、狭缝、细丝等)无限远时的衍射称为夫琅和费衍射(或平行光衍射)，实际上只要光源、屏幕离衍射物有足够大的距离都可认为是夫琅和费衍射。 33

第二节 尺寸测量 四、微小尺寸测量 2、小尺寸零件测量 小尺寸零件：小孔、台阶、刻线、 微机械、PCB尺寸、纤维… 显微测量法： 光源 准直透镜 工作台 显微物镜 CCD摄像机 零件 显微测量法： 光源 →准直透镜 → 平行光 → 零件→ 显微物镜 → CCD摄像机 零件尺寸： N：CCD上零件长度（pixel） k ： 当量（mm/pixel） 系统标定：确定当量的准确值 – 关键 实物标定法：采用长度L0已知的标准件 测量标准件在CCD上的长度N0 计算当量值：k = L0 / N0 34

第二节 尺寸测量 五、二维/三维尺寸测量 1、三坐标测量机： 工作台：安放被测零件 大理石、花岗岩 测头：瞄准工件实现定位 接触、激光、图像 导轨：实现测头三维移动 滚动导轨+精密丝杠 坐标：精密光栅位移系统 35