5-双线分划板 6-光源 7-触球 8-工件
• 对于双线对米字线的瞄准，瞄准精度约为 10″（≈5×10-5rad）
若l1太大，则体积太大，也影响它的使用范围
三、大尺寸的测量
测长机
测长仪和测长机结构中带有长度标尺，通常是线纹尺， 也可以是光栅尺。
测量时，用此尺作为标准尺与被测长度做比较，通过显 微镜读数以得到测量结果。
M1
2 1
半透半反膜
E
插入厚度为h 的玻璃板 使的光束2要比光束1多走一段光程， 在屏幕相遇所附加光程差为
2(hn h) N

2
四 、微小尺寸测量
细丝、小孔、镀层微小 间隙等等； 精度要求也越来越高，如超大规模集成电路中要求位 置的测量精度为0.lum的数量级。
y/s—光学杠杆的放大倍数
一般光学计中，f=203.5mm,a=5.0875mm， k≈80
• 若光学杠杆放大倍数为80 • 目镜的放大倍数为12，则量仪的放大倍数K=12＊ 80=960 • 光管中分划板上刻度尺的刻度间距为0.08mm，从 目镜中看到的刻度尺影象的刻度间距为 a=12*0.08=0.96mm。因此，量仪的分度值 i=a/K=0.001mm=1μm • 从目镜中可以读出刻度尺零刻线影象相对于固定 指示线移动的格数，将它乘以量仪的分度值就是 量仪示值。 • 由于零刻线两侧各有100格刻度，因此量仪的示值 范围为-l00μm到+100μm。
M2 M1
G2 1
M1
• 测光谱线的波长和精细结 构 • 测量微小位 半透半反膜 移 • 测折射 率 1907年，迈克耳逊获得诺贝尔奖
2 1
E
例 如图在光路2中， 插入厚度为h 的玻璃板， 已知测得条纹冒出的数目为N， 所用光源的波长为λ， 求玻璃的折射率n 解：
M2
2 G1 S G2 1
• 刻线尺上从0到100mm内共有刻线1000 条．故每格为0.1mm； • 分划板共有10块，每块相距100mm，在每 一块上面刻着两条刻线和0，1，2，…，9 之间的一个数字，分别代表每一块分划板距 刻线尺零刻线的距离的分米数值
• 光线自光源，经聚光镜，滤光片、反射镜后照亮分划板 • 由于分划板位于物镜组N2的焦平面上，光线通过分划板后， 经反射镜M2和物镜组N2后便形成平行光束 • 平行光束经过同样焦距的物镜组N1和反射镜M1后，使分划板 成象于100mm刻线尺上 • 因刻线尺亦放置在物镜组N1的焦平面上 • 通过读数显微镜进行读数。小于0.1mm的读数由光学计管完 成 • 测量过程先对零位，再放工件测量
一、轴类零件尺寸的测量 • 光学比较仪（如立式光学计）
结构
• 光学计管：测量读数的主 要部件； • 零位调节手轮：可对零位 进行微调整； • 测帽：根据被测件形状， 选择不同的测帽套在测杆 上。选择原则：与被测件 的接触面积要最小； • 工作台：对不同形状的被 测件，应选用不同的工作 台.
光纤直径的测量
激光能量法
如图所示，激光束经分光镜1后，分 成固定能量的两来光：一束光透过分 光镜1，经透镜2会聚到被测光导纤维 3上，于是在曲率方向上将光束扩展 为一条很长的亮线照到透镜4上，透 镜4的通光孔径限制了进入透镜的扩 展亮线的长短，同时将这部分光线会 聚于光电二级管5上，其电信号通过 直流放大器后输入比较器的右端；而 另一束光则作为比较光束直接照到光 电二级管6上，输入直流放大器中进 行放大，并输入比较器的左端，由于 光导纤维3直径的变化，所扩展的亮 线bb’的长短也发生变化，而被光电 二极管5接收的aa’的能量也会有所变 化。因而经比较器比较后，可由显示 器显示其直径的变化量或绝对值。
4、干涉信号处理部分：光电控制、信号放大、判向、细分及可逆计数和显 示记录等。 测量光束2和参考光束1相互叠加干涉形成干涉信号。其明暗变化次数直接 对应于测量镜的位移，可表示为：
LN
2
N0 基本公式： L 2n
初始位置光程差：
N干涉信号明暗变化次数，L测量镜位移
干涉条纹数： 0
若在测量位置上，尾座轴线相对于导轨面在 垂直平面内，发生5″倾斜角的零位变化， 设尾座中心高200mm
措施： 1.固定角隅棱镜9与尾座 5固接成一体 2.固定角隅棱镜的锥顶 安放在尾杆10的轴线 离底座导轨面等高的 同一平面内 3.可动角隅棱镜12的锥 顶位于测量主轴11的 轴心线上 4.尽可能减小角隅棱镜9 和尾杆10在水平面内 的距离
误差表达式：
N 0 n L L( ) ( Lm Lc ) N 0 n
N L( ) N 0 L( ) 0
计数误差
n L( ) n
空气折射率的影响
波长不稳定带来的测量误差
( Lm Lc )
温度、力变形及振动造成初始 光程差变化带来的误差
应用：
S
2 G1
光栅、容栅的栅距和感应同步器的线距。 ①测量效率高； ②容易实现数字显示和自动记录， ③可以实现测量自动化和自动控制。
黑白透射光栅
长度尺寸测量
轴类零件尺寸的测量 孔类零件尺寸的测量 大尺寸的测量 微小尺寸的测量
轴类零件尺寸测量
• 绝对测量
– 千分尺、卡尺、测长仪
• 相对测量
– 在比较仪上和标准块规进行比较读取数值 – 光学比较仪、光学计、干涉仪
2n( Lm Lc )
K 2n( Lm Lc ) / 0
测量时，反射镜M2移动，若移动长度为L，干涉条纹数变为K
K 2nL / 0 2n( Lm Lc ) / 0
干涉条纹m倍细分后，再用计数器读数，计数为N：
N Km 2mnL / 0 2mn( Lm Lc ) / 0
爱彭斯坦（Eppenstein）光学补偿方法
测长机工作原理图 (对称的棱镜物镜系统)
• 由于床身导轨直线度误差等原因使尾架移动时绕 S点偏转了一个 • 在测量线上使被测线段减小了Δｌ，由图中的几何 关系 可得 l H sin l cos l • 由于尾架偏转了 角，和尾架装在一体的棱镜12、 物镜11射出的平行光束也随着向下与水平光轴倾斜 • 于是经右方物镜9和棱镜8后，分划板S的象由S’移 至S’’,其移动方向与尾架测头的偏移方向相反。 l1 Ftg • 如果 ss 则 l1 • 式中：H—测量线与刻线尺表面间的距离 --尾架偏转角 l --尾架测头顶端距S点垂线的距离 F—准直物镜9和11的焦距
2）测量头在垂直平面内有倾角变化 由于总体布局满足第三项内容，符合阿贝原 则，因此只有二阶微小误差，可忽略 3）尾座在水平面内有摆角变化 因为不符合阿贝原则，因此误差不能补偿， 根据总体布局第四条，d值越小，误差越小
激光干涉测长
单频激光干涉仪原理
双频激光干涉测长仪光路
迈克尔逊干涉仪
激光干涉测长仪
• 对零位：将尾架13沿机身床面向右放于分划板14 的零刻线上面，将头架4向左移到刻线尺7的零刻 线上面，通过微调螺钉5调整头架，使显微镜3的 视场内两个零线对准。再用微调螺钉16，使左、 右两个测头接触合适，并从光学计管2中对准零线， 这时表示仪器的的零位已经调好。
• 安放工件：如工件长度的基本尺寸为100mm或其整倍数， 则只需移动尾座13使之向左，若工件的基本尺寸除了 100mm的整倍数外，还有自0.1至100mm的小数时，则 还需要将头座4向右移动至所需的数值上，至小数点后的 第一位数字为止。此时便可将工件1置于前后二个测量座 的测量头之间。工件的形状如果是圆柱棒，则可用两个放 在床身上的V型支架17支承，支承的高度及它们之间的距 离，均可按需要调节。 • 工件安放与调整至合适位置后，便可从光学计管2读出小 于0.1mm的数值，可估读至0.1μ。只要加上从显微镜3中 读得的数值，便是全部的测量值。
被测长度L
L N0 / 2mn ( Lm Lc )
N0 L 2mn
激光干涉测长是增量码式测量，测量开始计数清零 Lm-Lc不变
N0 进行全微分，用微分法求出影响激光干涉测长的 对 L 2mn 主要误差
0 N0 N L N 0 n ( Lm Lc ) 2 2mn 2mn 2mn
光学计基本原理：在自准直平行光管系统中加入了一块可旋转 的反射镜。
工作原理
• 光线由进光反射镜6进入光学计管中 • 由通光棱镜7将光线转折90度，照亮 分划板4上的标尺9 • 标尺上有±100格的刻线，此处刻线 作为目标，位于物镜2的焦平面上 • 由标尺9发出的光线经棱镜3后转折 90度，透过物镜2成为平行光线，射 向平面反射镜 • 平行光线被反射回来，重新透过物 镜2，再经棱镜3汇聚于分划板4的另 一半上 • 分划板上有固定指示线 • 当测量杆11上下移动时，推动平面 反射镜１产生摆动，于是标尺9的像 相对于指示线产生了移动 • 移动量可通过目镜5进行读数
量程较短的称为测长仪。 量程在500mm以上的仪器体形较大，称为测长机。测长 机常用于绝对测量。
• 卧式测长机除能测量外尺寸 外，主要用于测量内尺寸。 • 测量范围来分，有1，2，3， 4，6m，甚至12m • 仪器的测量座是一个独立部 件。 • 由内装100mm线纹标尺的量 轴 • 细分值为0.001mm的读数显 微镜所组成。
• S点的像由S’移到S’’，在刻线尺7上意味着读数的 减小，因此 l1和 起了补偿作用。因此测量误差 l
H sin l cos l Ftg
• 将上式展开，略去三次方并化简得
L l1 l
L ( H F ) l
• 如取H=F，则
2
2
L l
二、孔类零件尺寸的测量
光学灵敏杠杆测量孔径
• 工具显微镜主要用于测量螺纹的几何参数、 金属切削刀具的角度、样板和模具的外形 尺寸等，也常用于测量小型工件的孔径和 孔距、圆锥体的锥度和凸轮的轮廓尺寸等。 • 工具显微镜的基本测量方法有影像法和轴 切法。