长度是国际单位制中的七个基本物理量之一

大家早上好，我今天要讲的题目是，长度测量中的精密机械，主要就是讲述一下测量仪器的发展史，还有就是我选择了三种现代使用的精密测量仪器来为大家做一下简单的介绍。大家都知道，长度是国际单位制中的七个基本物理量之一，是物理学各项研究中的重要参数，从古至今，人们一直在寻求长度的合理表示方法，并且希望能够更精确地测量物体长度，长度测量的发展史在一定程度上反映了人类技术手段的进步，同时也体现了人类为了全面了解自然事物的探索精神。想要测量并描述物体的长度，就要先有一个标准参照物，也就是说要先有一把尺子，有趣的是，无论在古中国，古埃及还是古罗马，最早的尺子都来源与人体，在古中国就有身高为丈，迈步定亩之类的说法，人体尺子之所以被广泛应用，一方面是因为它具有便于携带的特点，另一方面是由于人体各部分的尺寸有着一定的规律，比如：你可以量一量自己身高和脚掌的长度，会发现身高往往是脚掌长度的7倍;如果用皮尺量一量脚底的长度和拳头的周长，你会发现这两个长度十分接近.腕尺是埃及人最初的测量工具，用身体的一部分作为测量单位，一腕尺是指从肘到中指指端的距离，但与纯粹个人身体部位定义长度所不同，埃及皇家钦定了腕尺的长度，还制作了相应的金属棒，用以表示皇家的腕尺和民间的短腕尺，棒上还带有细分的掌尺和指尺，这种棒子就是现代尺子的前身。随着文明的进步，人体尺子的局限性越来越大，无法满足生产生活的需求，在商品交换的过程中，就需要有较为精准而且能被广泛接受的测量工具，于是便出现了以物体作为参照单位的尺子。图中展现的这件金属制品，你能看出这竟是2000年前的古物吗？这是扬州市博物馆现收藏的一件东汉年初制造的铜卡尺，它由固定尺和活动尺等部件构成，就其构造原理、性能和用途来说，汉代的铜卡尺就是原始的游标卡尺，这一文物也体现了我国古代科学技术达到了一定高度。近现代以来，人类工业水平不断提高，探索未知事物的步伐不断加快，因此对长度测量的范围和精度都有了更高的要求，为了制造业的需要，欧洲人发明了角尺、卡钳等机械式测量工具。角尺是木工或金属加工工具，用于衡量一个标记和一块木头的长度，这个工具将长度测量与直角角度测量结合起来，起到了更好的测量作用并使工程绘图更加方便，有些角尺上还标示公制或英制刻度一方便测量。19世纪中叶，千分尺被发明并推广使用，千分尺又称螺旋测微器，其依据螺旋放大的原理制成，测量精度可达0.01mm,千分尺的出现代表人类对微小物体的测量首次达到十分精细的程度，几乎代表着机械式测量工具精度的巅峰。非接触式测量工具使长度测量的精度再次被大大提升，1928年出现气动量仪就是一种得到广泛应用的长度测量工具。初期的气动量仪可以讲长度信号转化为气流信号，通过有刻度的玻璃管内的浮标示值（现代的电子柱式气动量仪通过气电转换器将信号转换为电信号，由发光管组成的光标示值），它不仅能测量一般物体的长度，还能解决小孔直径、窄槽宽度等难以直接测量的问题，除此之外，他的测量精度也很高，足以达到微米级别。到如今，我们所说的长度测量，已经不仅仅局限于物体的长度，还包括了物体的外观尺寸以及表面的粗糙度等等。下面我们来看一下现如今所使用的一些精密测量工具，首先，我今天为大家介绍的是一种由西北核技术所研发的一款高精度深度测量装置。该装置由底座、转盘、测力装置、立尺和平衡滑块等几部分构成。其中，底座和转盘之间有M6×0.25超细螺纹副联接，该螺纹副由螺套和螺柱组成，如图2所示，它们分别与底座和转盘通过过盈配合联接成为一体，底座的圆周表面有250等分刻度线，转盘外侧装有指针。立尺采用50分度游标卡尺结构，由主尺、游标尺、滑柱和尺座构成。其主尺固定于尺座上，尺座设计为方框形，通过螺钉与底座联接，而游标则固定于滑柱上，滑柱安装于尺座的竖直通孔中，游标尺与滑柱一起随着转盘的旋转在其自重作用下可上下滑动。由上述深度测量装置的结构可以知道，M6×0.25超细螺纹副的螺距被底座圆周的250等分刻划线细分之后，两相邻刻划线之间等效于1μm（0.25/250mm），这样就在转盘上可直观的观察数据（在实际应用中建议转盘的直径不小于60mm），达到了测微放大的效果，实现了装置高精度测量的目的。该测量装置的核心部件是M6×0.25超细螺纹副，在研制设计时，要求螺纹副必须具有良好的耐磨性及一定的机械强度；使用要注意使螺纹副受力较小且均匀，以便减小螺纹副的磨损，保证螺纹精度。还有需要注意的是，他的判读很重要，需要分三步。第一步，首先根据立尺读出深度值的整数部分和小数部分；第二步，根据转盘上的指针的指示读出一个数值；第三步，计算深度值。深度值由三部分相加得到，第一部分是在第一步中读出的整数部分，第二步则是根据第一步得到的小数部分确定该小数处于4个数值范围（0～0.25；0.26～0.5；0.51～0.75；0.76～1.00）中的哪一个范围内，则第二部分的数值就分别为0、0.25、0.5、0.75，第三部分为第二步中转盘指针指示的数值，三部分相加就得到了准确的深度测量值。例如，在某次测量中，根据立尺得到的整数为3，小数为0.58，根据转盘指针读出的数值是0.126，因为0.58属于0.51～0.75这个范围，所以最后深度值为3＋0.5＋0.126=3.626mm。以上就是这种高精度深度测量仪的简单介绍。下面介绍一种非接触式测量仪器，激光测厚仪。激光测厚仪一般。。。。。。。但我今天要讲的是另一种激光测厚仪，就如图所示，激光光束从一个固定的角度发射向被测玻璃，经过玻璃上表面时，一部分激光直接反射，一部分折射后进入玻璃，由玻璃的下表面反射，再经过上表面折射，两部分光都由ccd前面的屏幕接收，这个屏幕其实就是滤光片的作用来形成一个清晰的图像由ccd接收。这其实就是一个非常简单的光路图，由几何D与T的几何关系，就可以利用计算机精确的计算出玻璃的厚度T.在这边添一条垂直线，做辅助，然后有这条公共边，可以得出T的值，最后这个公式是折射定律，用于计算激光射入的固定角度。原子力显微镜(AFM)是继扫描隧道显微镜(STM)之后迅速发展起来的一种原子级分辨率扫描探针显微镜。由于STM只能对导体和半导体进行测量,不受此约束的基于测量原子间微弱排斥力的AFM就显得功能强大很多。力检测部分：在AFM的系统中，所要检测的力是原子与原子之的范德华力。所以AFM使用微小悬臂来检测原子之间力的变化量。这微小悬臂有一定的规格，例如：长度、宽度、弹性系数以及针尖的形状，而这些规格的选择是依照样品的特性，以及操作模式的不同，而选择不同类型的探针。位置检测部分：在AFM的系统中，当针尖与样品之间有了交互作用之后，会使得悬臂摆动，所以当激光照射在悬臂的末端时，其反射光的位置也会因为悬臂摆动而有所改变，这就造成偏移量的产生。在整个系统中是依靠激光光斑位置检测器将偏移量记录下并转换成电的信号，以供SPM控制器作信号处理。反馈系统：在AFM的系统中，将信号经由激光检测器取入之后，在反馈系统中会将此信号当作反馈信号，作为内部的调整信号，并驱使通常由压电陶瓷管制作的扫描器做适当的移动，以保持样品与针尖保持合适的作用力。原子力显微镜(AFM)便是结合以上三个部分来将样品的表面特性呈现出来的。原子力显微镜的原理：将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。在系统检测成像全过程中，探针和被测样品间的距离始终保持在纳米量级，距离太大不能获得样品表面的信息，距离太小会损伤探针和被测样品，反馈回路(Feedback)的作用就是在工作过程中，由探针得到探针-样品相互作用的强度，来改变加在样品扫描器垂直方向的电压，从而使样品伸缩，调节探针和被测样品间的距离，反过来控制探针-样品相互作用的强度，实现反馈控制。因此，反馈控制是本系统的核心工作机制。比如：这个激光测厚仪，无法做到对大尺寸物体中心位置的厚度测量，而这个激光测厚仪只能测量透明或半透明的物体，非常的局限，而这个原子力显微镜则是成像范围太小，速度较慢，受探头的影响太大。因此，精密机械的发展还有很长的路要走。谢谢大家！