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1、1,第五章 长度测量技术,第一节 长度检测概述第二节 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 线位移与距离测量第六节 物位检测技术第七节 纳米测量技术,2,形位误差测量是将被测要素和理想要素进行比较，从而用数值描述实际要素与理想要素形状或位置上的差异。每个参数的测量过程包括测量和评定两个阶段。,形位误差的基本概念,第三节 形位误差测量,3,形位误差的分类,4,形状误差,形状误差评定时，理想要素的位置应符合最小条件。最小条件:是指被测实际要素对其理想要素的最大变动量为最小。,5,第三节 形位误差测量,圆度误差指包容同一正截面实际轮廓且半径差为最小的两同心圆的距离fm。,一、圆度
2、误差定义：,最大内切圆法：以内切于实际轮廓，且半径为最大的内切圆圆心为理想圆的圆心。,最小包容区域法：理想圆位置符合最小条件。判别准则：由两同心圆包容实际轮廓时，至少有四个实测点内外相间的在两个圆周上。,只适用于内圆,7,最小外接圆法：,以包容实际轮廓且半径为最小的外接圆圆心为理想圆的圆心。,最小二乘圆法：,以实际轮廓上各点至圆周距离的平方和为最小的圆的圆心为理想圆的圆心。,圆度误差的评定结果以最小包容区域法最小，最小二乘法稍大，其他两种更大。,只适用于外圆。,8,圆度误差测量,圆度仪测量法：将被测零件安置在量仪工作台上，调整其轴线与量仪回转轴同轴。记录被测零件在回转一周内截面各点的半径差，绘
3、制出极坐标图，最后评定出圆度误差。,9,第三节 形位误差测量,二、直线度误差的测量,直线度误差：包容被测直线实际轮廓 且距离为最小的两平行直线的距离,测量方法：,评定方法：求最小二乘直线，计算各点与直线的 距离i，直线度误差S=maxmin,自准直仪法,单测头法,刀口尺法,10,第三节 形位误差测量,三、平面度误差的测量,平面度误差：包容同一正截面实际轮廓 且距离为最小的两平行平面的距离,测量方法：,评定方法：计算最小二乘平面，计算各点与平面的距离i，平面度误差P=maxmin,自准直仪法,单测头法,激光干涉法,11,四、异形曲面的测量,异形曲面：又称空间自由曲面，通常指无法确切用解析几何的方
4、法描述的曲面。如火箭、飞机、汽车等的复杂外观造型。异形曲面的高精度检测技术，研究的热点。,12,13,测量方法：,手工测量法：使用最早，造价高、速度慢等。机器人测量法：装探头于机器人手上；适用范围广，速度快，精度不高。三坐标机测量法：采用离散点检测，速度慢，工作量大，无法实现在线检测。经纬仪组合测量法：经纬仪；系统组合灵活，可实现大型零部件的在线非接触高精度测量，但需人工瞄准，工作强度大，效率较低。机器视觉测量法：用视觉传感器采集目标图像，通过分析图像，获取被测曲面信息。很有发展前途。,14,视觉传感器的类型及工作原理,1 基于三角测距原理的视觉传感器：测量精度高，可测范围大，适用于生产现场使
5、用。激光器-被测物体表面的被测点-成像在PSD或CCD上。点光源。2 三维扫描仪也是采用视觉测量原理的，采用的光源为线光源或光栅式结构光（多平行线。）3 双目体视传感器：利用立体视差。即两台性能相同、相互位置固定的摄像机，同时获取同一被测表面两个方向的图像，计算空间特征点在两幅图像中的“视差”，继而得到物体表面的距离信息。,15,双目立体视觉,80年代美国麻省理工学院人工智能实验室的Marr提出了一种视觉计算理论并应用在双睛匹配上，使两张有视差的平面图产生在深度的立体图形，奠定了双目立体视觉发展理论基础。其他体视方法，如透镜板三维成像、投影式三维显示、全息照相术等，双目立体视觉直接模拟人类双眼
6、处理景物的方式，可靠简便，在许多领域均极具应用价值，如微操作系统的位姿检测与控制、机器人导航与航测、三维测量学及虚拟现实等。,16,双目立视技术的实现可分为以下步骤：图像获取、摄像机标定、特征提取、图像匹配和三维重建。,彩色视觉传感器,双目显微镜,17,视觉系统的一般构成,工作原理：,光 敏感元件 电（光电元件）,传感器：,18,单目视觉：一个摄像组件（镜头+摄像机）多目视觉：多个摄像组件（镜头+摄像机）,图像采集部分、图像处理部分、通信和I/O部分以及输出和执行机构。,图像采集系统：可视化图像或特征数据,图像质量好 图像处理简单、结果理想图像质量差 图象处理麻烦、结果不理想,由光源、镜头、摄
7、像机、图像采集卡等构成,19,机器视觉检测系统,1 固定式系统：传感器固定在刚性框架上，对定位在测试区内的工件进行检测。适用于大批量同类产品的快速检测。被测工件变化时，框架需要重新制作或改造。2 可动式系统：传感器沿着指定的路线移动来实现对工件的检测。一般用于单件产品或小批量生产的产品的检测。固定式系统的测量速度和精度优于可动式系统，因而大型复杂工件的在线检测，应选择固定式。,20,车身视觉检测系统,传统的汽车车身检测是采用坐标测量机和靠模法，两者都不能实现全部车辆各个位置的在线检测。天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室叶声华教授研制的车身三维尺寸视觉检测技术，可以说是汽车车身检测的火眼金
8、睛，它以图像敏感元件（CCD摄像机）、图像处理技术、计算机技术、现场网络控制技术为基础，实现在汽车车身制造过程中的非接触、快速测量。,21,视觉检测系统传感器阵列示意图,22,完整的汽车车身三维尺寸视觉检测系统包括被测车身定位机构、视觉传感器、传感器控制盒、计算机系统及测量软件等组成。视觉传感器分三种，共30个，分别测量车身上不同的测量点。光条结构光传感器测量车身上各种棱线的空间位置；立体视觉传感器测量车身上各个特征点的空间坐标；十字线结构光传感器测量车身上的圆孔尺寸及孔心坐标。用这种方法检测车身，只需要检测30多个检测点，用不到40秒的时间就可以对每个车身进行实时、准确的检测。,23,第五章
9、 长度测量技术,第一节 长度检测概述第二节 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 线位移与距离测量第六节 物位检测技术第七节 纳米测量技术,24,1、零件表面的形貌：,(3)表面粗糙度：零件表面中峰谷的波长和波高之比 小于50成为表面粗糙度。,(2)表面波纹度：零件表面中峰谷的波长和波高之比 等于501000的不平程度称为波纹度。会引起零件运转时的振动、噪声,(1)形状误差：零件表面中峰谷的波长和波高之比 大于1000的不平程度属于形状误差。,具有微小峰谷，可分为三种情况:,一、粗糙度的基本概念,25,粗糙度定义：表面粗糙度是一种微观的 几何形状误差。,粗糙度特点：量值小（
10、波距小于1mm)，变化频率高。,对零件性能的影响：,影响零件的耐磨性。影响配合性质的稳定性。影响零件的疲劳强度。影响零件的抗腐蚀性。影响零件的密封性。影响零件的外观、测量精度、表面光学性能影响导电导热性能和胶合强度等,2、粗糙度的定义：,26,国家标准规定：评定基准为轮廓中线。包括：最小二乘中线和算术平均中线,最小二乘中线：使轮廓上各点至该线的 距离平方和为最小。,评定基准：评定表面粗糙度的一段参考线。,算术平均中线：将实际轮廓划分上下两部分，且使上下面积相等的直线。,3、粗糙度评定基准：,27,(1)轮廓算术平均偏差Ra：,(2)微观不平度十点高度Rz：,(3)轮廓最大高度Ry：,在取样长度
11、内，被测实际轮廓上各点至中线距离绝对值的平均值.,在取样长度内，被测实际轮廓上5点最大峰高平均值与5点最大谷深平均值的绝对值和.,在取样长度内，被测实际轮廓上峰顶与谷底之间距离.,4、粗糙度的评定参数：,评定參数：通常采用下列參数之一来定量评定表面粗糙度。,28,1、粗糙度的接触式测量：,工作原理：触针接触被测表面，移动一段长度（切断长度），传感器输出位移信号,位移传感器：电感传感器、压电传感器,测量头：导头保持移动方向，近似测量基准 触针获取轮廓信号,触针式轮廓仪：电感式轮廓仪、激光干涉式轮廓仪、压电式轮廓仪,二、粗糙度的测量方法,29,电感式轮廓仪：采用电感传感器把触针的微小位移信号转换成
12、电量输出。激光干涉式轮廓仪:干涉系统测量镜与触针分别位于杠杆的两端，其位移量为确定的比例关系，由此可有测得的测量镜的位移量计算得到触针的位移量。压电式轮廓仪：采用具有压电特性的晶体作为传感器的换能元件，把触针的位移量转化为压电晶体的形变量，最终转变为输出电压。,激光干涉式轮廓仪测量原理图,压电式轮廓仪测量原理图,30,工作原理：激光束聚焦于被测表面，反射光束至光电探测器，表面微观轮廓引起离焦，控制物镜系统重新聚焦，输出控制信号大小（电流）。,光学轮廓仪,2、粗糙度的非接触式测量：,31,第五章 长度测量技术,第一节 长度检测概述第二节 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
13、线位移与距离测量第六节 物位检测技术第七节 纳米测量技术,32,一、线位移测量,1、接触式线位移测量：,(1)电感位移传感器：,自感式传感器：,原理：位移 线圈电感变化特点：可靠，非线性严重范围：测量微位移（1mm）,互感式传感器（差动变压器）：,原理：位移 两线圈互感变化特点：非线性小范围：测量大范围位移（100mm）,33,(2)光栅式位移传感器,工作原理：叠合在一起形成一个小角度，移动时，形成明暗相间的条纹莫尔条纹,定义：光栅是在玻璃基体上刻有均匀分布条纹的光学元件。构成：主光栅（标尺光栅）、指示光栅、光路系统、光电元件。,特点：,莫尔条纹宽度：,W=a+b：W-栅距，a-线宽，b-缝宽
14、,精度高：光栅刻线误差的平均效应范围大：取决于主尺长度响应快：光电式，适于动态,34,(2)光栅式位移传感器,1、光栅的构造：,35,2、工作原理,(2)光栅式位移传感器,把两块栅距W 相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称莫尔条纹，它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向排列，如图所示。,36,莫尔条纹具有如下特点：1.莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。光栅每移动过一个栅距W，莫尔条纹就移动过一个条纹间距B。2.莫尔条纹具有位移放大作用。莫尔条纹的间距B与两光栅条纹夹角之间关系为3.莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。,(2)光栅式位移传感
15、器,37,通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强的变化转换为近似正弦变化的电信号，如图所示。,(2)光栅式位移传感器,其电压为：,38,将此电压信号放大、整形变换为方波，经微分转换为脉冲信号，再经辨向电路和可逆计数器计数，则可用数字形式显示出位移量，位移量等于脉冲与栅距乘积。测量分辨率等于栅距。,(2)光栅式位移传感器,39,2、非接触式线位移测量：,(1)电容位移传感器：,原理：位移 极板移动极距变化电容变化,特点：,范围：测量微位移（1mm）,初始电容量：,分辨力极高：位移1nm动极板质量小，惯性小，动态响应好；非接触，自身发热和功耗小；非线性严重,40,(2)电涡流位移传感器,原理：,交变
16、电流I1,传感器线圈,被测导体,交变磁场H1,电涡流I2,交变磁场H2,参数变化,输出信号,线圈与导体距离变化 电感、阻抗、品质因数等变化-输出信号,特点：不受液体、油污、灰尘等介质的影响 测量范围有限：仅适于近距离测试 数百毫米 非线性，精度不高 体积大，功耗高,41,(3)激光位移传感器,原理：,构成：激光器：发射激光束 发射端镜头：准直、汇聚 接收端镜头：成像 接收器：光电转换（CCD,PSD）,特点：测量精度高（0.03)，分辨率高(0.005）。与被测体无关（软硬、颜色、冷热、材料）量程可达数十厘米。,传感器探头发射出的激光,通过特殊的透镜被汇聚成一个直径极小的光束，此光束被测量表面
17、漫反射到一个分辨率极高的CCD或PSD探测器上,通过CCD或PSD所感应到光束位置的不同，精确测量被测物体位置变化。,42,43,二、距离测量,1、飞行时间测距,被测距离:,c-光速 t-往返飞行时间,原理：,特点：对时间测量精度要求高，适于测量超长距离,激光器发出单个激光脉冲，并返回发射端接收,应用：建筑测绘、桥梁监测、军事探测、野外勘探、天体测量,44,2、相位差测距,被测距离:,c-光速 f0-频率-相位差,特点：测量精度高，测量范围大（中短距离）,应用：相机自动对焦 建筑测绘、军用目标,原理：激光器发出连续激光脉冲 返回发射端接收,二、距离测量,45,第五章 长度测量技术,第一节 长度
18、检测概述第二节 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 线位移与距离测量第六节 物位检测技术第七节 纳米测量技术,46,1、压力式液位计,原理：液体对容器底面产生的静压力与液位高度成正比,(a)压力表式液位计,测量开口容器液位高度的压力式液位计,(b)法兰式液位变送器（隔膜式电容压力传感器）,47,对于密闭容器中的液位测量，还可用差压法进行测量，消除液面上部气压及气压波动对示值的影响。,差压式液位计,48,2.钢带浮子式液位计,右图为直读式钢带浮子式液位计，这是一种最简单的液位计；,浮子做成空心刚体，使它在平衡时能够浮于液面。当液位高度发生变化时，浮子就会跟随液面上下移动。因
19、此测出浮子的位移就可知液位变化量。,49,3、电容式物位计,同心圆柱式电容器,R、r外电极内径和内电极外径,50,3、电容式物位计,大致可分成三种工作方式,棒状电极导电容器物料非导电液体,整体绝缘探头导电容器物料为导电性液体变面积型电容器,具有内外电极的管式电极非金属容器,物料为非导电性液体,51,4、超声波物位计,可测量液体及粒状松散并含有大量气体的被测材料。,52,5、雷达物位计,雷达物位计也采用发射反射接收的工作模式。雷达物位计的天线发射出电磁波，这些波经被测对象表面反射后，再被天线接收，电磁波从发射到接收的时间与到液面的距离成正比。,D雷达物位计到表面的距离 C光速 T电磁波运行时间,
20、采用一体化设计，无可动部件，不存在机械磨损，使用寿命长；几乎可以测量所有介质；采用非接触式测量，不受槽内物体的密度、浓度等物理特性的影响；测量范围大，最大可达035m，可用于高温、高压的液位测量。,D=CT/2,53,第五章 长度测量技术,第一节 长度检测概述第二节 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 线位移与距离测量第六节 物位检测技术第七节 纳米测量技术,54,第七节 纳米测量技术,定义：尺度为0.01nm-100nm的测量技术。一、扫描隧道显微镜（STM）1981年，IBM公司苏黎世实验室研制成功了世界第一台新型的表面分析仪器扫描隧道显微镜（Scanning Tun
21、neling Microscope,以下简称STM）。它的出现，使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质。,55,STM的基本原理是利用量子力学中的隧道效应，在样品与探针之间加一定的电压，当样品与针尖距离非常接近时，样品和针尖之间将产生隧道电流exp（）,是探针与样品之间的电压，为样品与针尖距离，k为常数。从上式可以看出，与成指数关系，即隧道电流对样品的微观表面起伏特别敏感，当减小.1时，将增加一个量级。,56,结构示意图,我们可以把扫描隧道显微镜的工作过程总结为：利用探针针尖扫描样品，通过隧道电流获取信息，经计算机处理得到图象。,57,199
22、0年，IBM公司的科学家展示了一项令世人瞠目结舌的成果，他们在金属镍表面用35个惰性气体氙原子组成“IBM”三个英文字母。,58,二、原子力显微镜（Atomic Force Microscope 简称AFM）原子力显微镜的设计思想是这样的：一个对力非常敏感的微悬臂，其尖端有一个微小的探针，当探针轻微地接触样品表面时，由于探针尖端的原子与样品表面的原子之间产生极其微弱的相互作用力而使微悬臂弯曲，将微悬臂弯曲的形变信号转换成光电信号并进行放大，就可以得到原子之间力的微弱变化的信号。原子力显微镜同样具有原子级的分辨率。由于原子力显微镜既可以观察导体，也可以观察非导体，从而弥补了STM的不足。,59,左图是目前商品化的原子力显微镜仪器普遍采用的激光检测法示意图。,
