精密仪器考试论述题答案

二、影像法测轴径当被测件两端具有中心孔时，可采用这种非接触式测量法，源1发出的光线，经聚光镜2、滤光片3成象在光栏4处，可变光栏4位于聚光镜6的物方焦平面上，构成远心照明光路。因此，光线经反射镜5垂直转向经聚光镜6成平行光束，照明被测轴7；经物镜8将轴件的一部分成象在目镜的焦平面的分划极9上，通过目镜10用分划板9上的米字刻线对轴件的影象进行瞄准，在读数显微镜上读数。对被测轴两边进行瞄准，并读出相应的读数，两次读数之差即是被测轴径。影像法是最基本的非接触测量法，它不需要测头，也没有测量力，可以测量刚性差、材料软的轴件。万能显微镜的光学系统图如下图所示。光源1发出的光线，经聚光镜2、滤光片3成象在光栏4处，可变光栏4位于聚光镜6的物方焦平面上，构成远心照明光路。因此，光线经反射镜5垂直转向经聚光镜6成平行光束，照明被测轴7；经物镜8将轴件的一部分成象在目镜的焦平面的分划极9上，通过目镜10用分划板9上的米字刻线对轴件的影象进行瞄准，在读数显微镜上读数。对被测轴两边进行瞄准，并读出相应的读数，两次读数之差即是被测轴径。首先用调焦棒将中央显微镜精确调焦，这时被测件物体最清晰。测量时，由于圆柱面母线直线度或锥度等形状误差的影响，不能采用通常测量长度的压线法，而必须使用在母线上的压点法，即将米字线中心压在轮廓母线上的一点，然后移动横向工作台，使米字中心压到相对应的轮廓母线上。两次读数之差即被测轴径。测量轴径时，还应在不同的横截面内进行多次测量，然后取其平均值。这种影像压点法与一般长度测量中的压线法一样，既要按照外形大小调整光圈，又要考虑对准精度、轮廓的表面粗糙度等因素的影响。因此，这种方法看来简单，实则麻烦，而且测量值的分散性很大，随着被测轴径的加大，其测量误差也越大。影象法测量要求被测轴件的轮廓象清晰，放大准确，瞄准对线形式选择合理。因此测量前应正确调整光源，正确调焦，正确调整光圈大小等。(1)光源的位置调整要求光源应位于聚光镜的焦点上，使照明被测件的光线成为平行光轴的平行光束。光源应位于光学系统的光轴上，使视场内的亮度均匀。(2)调视度与调焦由于影象法测量是用光学方法瞄准定位的，因此被测工件轮廓象和瞄准标记(目镜分划板刻线)必须清晰而无视差，否则会使瞄准误差大大增加。为了使眼睛不致在紧张状态下观察，使长时间观察不疲劳，通过调节机构使目镜移动以达到瞄准标记清晰。调焦是指改变物镜至被测工件的距离，使被测工件轮廓象清晰。由于被测轴件是安装在顶尖上测量的，调焦应使用仪器附件调焦杆。把调焦杆(焦距棒)安装在顶尖上，升降显微镜臂架，使定焦杆中间孔内轴线平面上的刀刃象清晰并无视差，然后换上被测轴件，即可进行测量。(3)光圈调整影象法测量时，最理想的照明工件的光线是平行于光轴的平行光束，这时光学成象的失真最小。但是实际上光源不是点光源，光源的灯丝都有一定的长度。如图所示，灯丝1上各点发出的光通过聚光镜2后，各自成一束平行光，但并不都平行于光轴，只有位于光轴上的点o发出的光束经聚光镜后才平行于光轴，其余各点(如A、B)发出的光束经聚光镜后所形成的平行光束，都分别与光轴成不同的夹角，灯丝越长，斜平行光束偏斜光轴的角度越大。斜平行光束对影象法测量十分不利。这样的光束对比较薄的工件影响不大，但对圆柱面的轴件影响就较大了，如图所示，斜平行光束在圆柱表面反射后，在虚物点处成象，使被测轴件的轮廓象尺寸减少r，光束偏斜角越大，被测轴直径减少的越多，测量误差也就越大，因此，影象法测量必须限制一部分斜光束，以减少由此引起的成象误差对测量结果的影响，斜光束的限制，是通过调光圈4的直径大小实现的。光圈直径调大时，光的亮度增大，但是光束的偏角也增大，光圈直径调小时，光束偏斜角也小，对光束的平行性有利。但光圈直径不能太小，否则光线将在轴件母线边缘产生衍射而使影象尺寸变大。因此在显微镜上测量轴径时，必须根据被测轴径尺寸调整光圈，才能不产生成像误差。三、光学灵敏杠杆测内孔直径光学灵敏杠杆(光学定位器、光学测孔器)是万能显微镜和其它类型工具显微镜的基本附件之一，它是用测头与工件接触的方法进行测量，特别适用于测量小孔、盲孔、台阶孔等。光学灵敏杠杆只能与3x物镜及测角目镜头配合使用。在工具显微镜上用光学灵敏杠杆的工作原理如下图所示。照明光源4照亮刻有3对双刻线的分划板1，经透镜至反射镜2后，再经物镜组7成像在目镜米字线分划板上。平面反射镜2与测量杆3连结在一起，当它随测杆绕其中心点摆动时，3组双刻线在目镜分划板上的像也将随之左右移动。当测杆的中心线与显微镜光轴重合时，双刻线的像将对称地跨在米字分划板的中央竖线上，若测头中心偏离光轴，则双刻线的像将随之偏离视场中心。6为产生测力的弹簧，测力的方向(使测杆向左或向右)可通过外边的调整帽来改变。测量时，将测杆深入被测孔内，通过横向(或纵向)移动，找到最大直径的返回点处，并从目镜8中使双刻线组对称地跨在米字线中间虚线的两旁，此时进行第一次读数n1；旋转调整帽，调整测力弹簧6的方向(有测力方向箭头标记)，使测头与工件的另一侧接触，双刻线瞄准后进行第二次读数n2(仪器正常时，不必再找返回点)。被测孔径为式中d测头-测头直径，其数值标示在测量杆上。用光学灵敏杠杆测量孔径的测量误差约为±0.002mm测头dn-nD12灵敏杠杆测量头的尺寸和几何形状精度一般要求在0.5μm之内，应采用不低于3等精度的量块在超级光学计(或相当精度的仪器)上进行比较测量。为了保证测量精度，在使用光学灵敏杠杆测孔时，应注意以下两个问题：（1）工件安装在工作台时，必须使被测孔的中心线垂直于测量方向，并在水平面内找好工件的最大直径处。因为被测孔中心线的倾斜和偏心所引起的直径误差计算方法和测轴径时相同。（2）为避免工件形状误差对测量的影响，对于被测孔应在3个横截面及相互垂直的2个位置上，分别测量6个尺寸，也可根据具体情况增加或减少测量点。四、双频激光干涉仪测量大尺寸原理•普通光源发出的不同波长的光波相位是随机的，因此必须是波长相同的光束才能产生干涉。而激光由于时间、空间相干性好，所以波长稍有差异的两种激光也能形成干涉，这种特殊的干涉称为“拍”。•将一个单频的氦氖激光器置于一轴向磁场中，由塞曼效应使激光的谱线分裂成为两个旋转方向相反的左、右圆偏振光，两束光振幅相同，相互垂直，频率f1和f2约相差2MHz。光束被分光器分成两束：•(1)小部分光由分光镜反射，作为参考光束至检偏振器5上。该检偏振器的光轴与纸面成45º，根据马吕斯定律，两个相互垂直的线偏振光在45º方向上的投影会形成新的同向的线偏振光并产生“拍”，拍频就等于两束光频率的差值，即。f0＝f1-f2≈2MHz。该信号由光电接收器6接收并进入前置放大器7，最后送至相减计数器。•(2)大部分光作为测量光束透过分光镜4射向偏振分光棱镜8，f2经分光镜8反射至参考镜9，f1透过分光镜8到达测量镜。若测量棱镜10以速度v移动，则基于多普勒效应，从测量镜返回的光束频率将变成f1+f，其中f=2v/1，即称为多普勒频移。该光束返回后重新经过偏振分光镜8并与f2会合，经反射镜11反射后至光轴与纸面成45º的检偏器12，继而形成拍频为f0+f的“拍”。该信号由光电接收器13接收并进入前置放大器14，最后送至相减计数器。•由相减计数器得到基准信号和测量信号的差值。如果反射镜不移动，则差值为零；若反射镜的移动速度为v移动了时间t，则计数器累计得到的脉冲数为N：•所以L＝N1/2•双频激光干涉仪以交变信号作为参考信号，可避免零点漂移，有较强的抗干扰能力，在现场使用。测量长度可达60m左右。•双频激光干涉仪的最小分辨率为0.08μm，最大位移速度为300m/s.1010/22LdtvfdtNtt五、跨步仪法测量原理跨步仪法使用的测量装置如图所示。该装置由具有两个支承的本体和装在其上的指示表组成，后支承至前支承的距离与前支承至指示表测头的距离相等。其测量原理是以两支承点的连线作为理想直线测量第三点相对于此连线的偏差。测量前，把此装置放在高精度平尺或平板上，将指示表的示值调整为零，然后将测量装置放置在被测面上进行测量，每次移动一个L距离，读取一个读数。移动时，前次的测点位置，就是后次测量的前支承点位置，如此依次逐段测完全长，最后经数据处理，即可求出被测件的直线度误差。•则各点相对于测量装置两支承原始位置A0和A1，连线的偏差为y2，y3，…，yi。因读数a2为被测面上A2点相对于A0、A1连线的偏差，读数a3为被测面上A3点相对于A1、A2连线的偏差，其余依此类推，即后一点上的读数为相对于前两点连线的偏差值。•如图所示，设在被测面的A2，A3，…，Ai点上指示表的读数分别为a2,a3…ai,•激光具有能量集中，方向性和相干性好等优点，因此，用激光作为基准线来测量直线度误差可克服传统光学准直法的上述缺点。•激光准直仪的原理如图所示。由氦-氖激光器1发出的一束光，通过扩束望远镜2后射出直径为10mm的激光束，此光束横断面的光能量分布近似于高斯分布(正态分布)。在一定条件下，相当长距离内各断面光能量的分布是一致的，这些能量分布中心的连线构成一条理想的直线，即为激光准直测量的一条基准直线。六、激光准直仪法•传统的光学准直法的缺点是在较长的距离下进行测量时像质模糊、照度低、可靠性差。•当光电接收靶中心与激光束能量中心重合时，相对的两个光电池接收能量相同，因此输出光电信号相等，无信号输出，指示电表指示为零。如靶子中心偏离激光束能量中心，这时相对的两个光电池有差值信号输出，通过运算电路可用指示表指示出数值或用记录仪记录下曲线。因此，测量时首先将仪器与靶子调整好，然后将靶子沿被测表面测量方向移动，便能得到直线度误差的原始数据。•激光准直仪的接收靶(光电目标)中心有一块圆形四象限硅光电池，两两相对的硅光电池接成差动式，其信号输入运算电路3。这样，上下一对硅光电池，可以用来测量靶子相对于激光束在垂直方向上的偏移；左右一对硅光电池，可用来测量靶子相对于激光束在水平方向上的偏移。•塞曼激光器1发出频率为f1和f2的左、右旋圆偏振光，经参考分光镜2反射一小部分光经检偏器10由光电元件D1接收，大部分光经分光镜2后经1/4波片，成为频率分别为f1和f2且偏振方向互相垂直的面偏振光。此面偏振光经反射镜4、分光镜5、渥拉斯特棱镜6后，分成夹角为、频率为f1和f2的两束面偏振光垂直射向夹角为180-的角反射镜7,再由反射镜7返回，经渥拉斯特棱镜b、分光镜5、反射镜8、检偏器9，最后到达光电接收器D2。七、双频激光准直仪法•双频激光干涉法测量直线度的原理如图所示。•测量时，若反射镜7沿被测表面安放，由于被测表面存在形状误差，因而使反射镜7在光轴上、下发生偏移，如图所示。当反射镜7的顶点在光轴上时，频率为f1的偏振光在R1点反射，频率为f2的偏振光在R2点反射，则汇合光束的两个频率的光程差为零。当反射镜7的位置偏离光轴时(图中虚线，偏离量为E)，则频率为f1的偏振光在R1’点反射，频率为f2的偏振光在R2’点反射，则汇合光束的两个频率的光程差L=4，'11RR•由图(b)可知：•则：•光程差L可以用双频激光干涉法进行长度测量得到，从而测出E值，即反射镜7偏离光轴的量，最后获得被测表面相对于激光光轴的偏差。2sin'11ERR2sin41LE八、光学自准直仪1、光源2、自准直分划板3、物镜4、反射物体5、测微分划板6、目镜用自准直仪测量小角度可以用相对法测量角度块的例子来说明，如图所示。与被测角度块公称值相同的标准角度块1放置在专用工作台2上，并使其一个工作面紧靠在两个鼓形定位销3上。将光学自准直仪4对准角度块的另一个工作面，从其读数装置上读取第1个读数A。然后取下标准角度块，换上被测角度块，并以同样方法定位。在自准直仪上读取第2个读数B。则被测角度块的角值a为：式中—标准角度块的实际角值。()BA九、激光干涉小角度测量构成：激光器－抗干扰；角锥棱镜－两个，差动测量；转台－被测转角；原理：激光器发出的激光被分光