1、1第五章 长度测量5-1 概述长度单位：米的定义（三次定义）通过计量检定，将国家计量标准器（基准）所复现的计量单位的量值，通过标准，逐级传递到工作用的计量器具，以保证对被测对象所测得量值的准确和一致。这个过程称为量值传递。一、长度量值传递目前，在实际工作中常使用下述两种实物基准：量块和线纹尺。首先由稳定激光的基准波长传递到基准线纹尺和一等量块，然后再由它们逐次传递到工件，以确保量值准确一致。二、长度测量的标准量标准量是体现测量单位的某种物质形式，具有较高的稳定性和精确度。1. 光波波长：直接使用米定义咨询委员会推荐使用的五种激光和两种同位素光谱灯的任一种来复现。2. 量块是由两个相互平行的测量
2、面中心之间的距离来确定其工作长度的一种高精度量具。 量块是单值量具，即一个量块只有一个尺寸，为了满足一定尺寸范围的不同尺寸要求，量块可以组合使用。 量块的公称尺寸和实测尺寸。量块的公称尺寸一般都刻印在量块上。刻在量块上的公称值与该量块的实测值之差即为量块的示值误差。量块的精度分级又分等。在高精度的科学研究、测量工作中应按等使用，而在一般测量时可按级使用，以简化计算。三、光栅、容栅的栅距和感应同步器的线距。测量效率高；容易实现数字显示和自动记录，因而读数直观，提高了读数精度，而且工作可靠；可以实现测量自动化和自动控制。长度测量的基本原则阿贝原则阿贝原则:在长度测量时，为了保证测量的准确，应使被测
3、零件的尺寸线(简称被测线)和量仪中作为标准的刻度尺(简称标准线 )重合或顺次排成一条直线。符合阿贝原则的测量，其示意图：可尽量减小导轨直线度误差对测量结果的影响。四、长度计量中常用的量具与量仪1. 游标量具2. 测微量具3. 表类量具：此类量具的主要原理是将测量杆微小直线位移通过适当的放大机构放大后而转变为指针的角位移，最后由指针在刻度盘上指示出相应的示值。4. 长度计量仪器1) 光学比较仪（光学计）2) 测长仪和测长机、卧式测长仪、测长机3) 工具显微镜4) 立式接触式干涉仪5) 激光干涉测长仪6) 电动量仪传感装置电感式 互感式气隙式 截面式 螺管式 气隙式 螺管式25-2 长度尺寸测量一
4、、常见尺寸测量 图见 ppt5二、微小尺寸测量1. 线宽及间距测量线宽和间距的测量仪器按其测量方法可分为比较测量和直接测量两种。（1）比较测量（2）直接测量1）电视测量2) 光电倍增管测量3）激光扫描测量系统利用激光光束的相干性在物体表面进行扫描。当物体表面载有某种标记(如刻线等)时，只要激光束落在标记边缘上，就会产生衍射现象，光能量发生变化。光学系统接收光能量并通过光敏元件转换成电信号，从而精确地测量物面上各种标记的相互尺寸位置。扫描方式有两种；一是主动扫描，就是被测标记不动，利用转鼓等使激光束在被测表面上进行扫描；另一种是被动扫描，即激光束不动而是被测表面移动来进行扫描。4）扫描电子显微镜
5、常用的电子显微镜 有两种：一种是透射式电子显微镜 (TEM)，另一种是扫描式电子显微镜(SEM)。电子显微镜的放大倍数从几十倍至几百万倍（而光学显微镜的最大放大倍率一般为 20004000 倍） ，分辨率可达纳米级(人眼的分辨本领约为 0.1 毫米) 。 透射式电子显微镜 因电子束穿透样品后，再用电子透镜成像放大而得名。它的光路与光学显微镜相仿。由照明系统、聚光系统、成像系统、放大系统、记录系统组成，可以对样品进行无损伤分析。特点：高分辨率、高对比度、低电子束照射。 扫描电子显微镜 是利用聚焦度高的电子束对被测样品进行光栅方式扫描，通过对样品发射的二次电子进行检测来获得线宽值。扫描式电子显微镜
6、的电子束不穿过样品，仅在样品表面扫描激发出次级电子。放在样品旁的闪烁晶体接收这些次级电子，通过放大后调制显像管的电子束强度，从而改变显像管荧光屏上的亮度。显像管的偏转线圈与样品表面上的电子束保持同步扫描，这样显像管的荧光屏就显示出样品表面的形貌图像。 2. 线深( 台阶) 测量线宽、间距相线深组成微尺寸的三维测量。线深测量方法有接触式和非接触式两种。接触测量存在测量力(1 20)10-5N，探头一般用金钢石制成，其半径为 1.512mm，该方法分辨率可达 5nm。对间距较小的线宽，由于探头有一定的尺寸，故不能测量。非接触测方法有：光学干涉测量、自动调焦测量等。三、大尺寸的测量 图见 ppt51
7、、用弦高法测量大直径的孔和轴2、滚子法3、激光跟踪干涉仪测大曲面四、坐标测量法 单坐标、双坐标、三坐标及多坐标坐标测量法是几何量测量最基本最常用的测量方法，通过测量被测几何要素上若干个点的位置坐标继而求得被测参量。包括采样读数和数据处理两个步骤。建立工件坐标系、由采样点的坐标值计算被测量。实现测量的关键是建立被测参量和采样点在测量机坐标系中的坐标关系模型。五、误差源分析3原理误差计量器具误差定位误差测力引起的误差温度引起的误差人员误差六、被加工尺寸的在线监测主动测量仪加工中测量仪的特点：直接用被加工工件的尺寸控制机床，只有当工件尺寸合格时才停止加工，所以克服了许多误差因素，提高了加工精度，防止
8、了废品的产生。测量装置使用条件恶劣，需要良好的密封结构，以防止冷却液、切屑和灰尘的侵入。接触测量时需要较大的测量力，以克服机床振动和工件运动时测量精度的影响。测量力一般取1N 以上有的甚至达 4-5N，所以测量头极易磨损，需用耐磨的金刚石或硬质合金制造。 测量过程中工件的运动由机床的驱动装置驱动。当工件运动速度较快时，对测量系统的频响有较高的要求。温度对测量的影响较大，必须考虑修正。自动补调仪的特点： 由于工件在加工区域外测量，所以测量信号只能控制后面加工的工件尺寸。 测量装置工作条件较好，可实现较高的测量精度。 测量过程中工件的运动由仪器自己的驱动系统驱动，可根据传感器的频响确定合适的工件运
9、动速度，但独立的驱动系统使仪器的成本提高。5-3 形位误差和自由曲面的测量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。一、圆度误差的评定方法1) 最小包容区域法（最小半径法）2) 最小外接圆法3) 最大内切圆法4) 最小二乘法二、直线度误差最小包容区域法（最小条件法）端点连线法三、自由曲面的测量1) 手工测量法：成本高，速度慢。2) 机器人测量法：适用范围广，速度快，但精度不高。3) 三坐标测量法：高精度测量曲面，但工件大小受限，无法实现在线测量。4) 经纬仪组合测量法：多个经纬仪，两两组合，组成灵活
10、。统一空间坐标系，工作强度大，效率低。5) 机器视觉测量法：视觉传感器采集目标图像。发展前途广大。45-5 线位移量的测量一、大位移量的测量激光测量非相干测量 相干测量脉冲测距法 相位差测距法为便于测量，双频激光干涉仪一般都做成遥置式的，即干涉仪与激光器分成两体，将干涉仪的干涉系统装在被测对象上，而把激光器、照明系统、接收器组合为一体，与干涉系统分开。其优点是使用方便灵活，可根据具体测量对象进行组装，便于消除阿贝误差及闲区误差提高测量精度，同时便于更换干涉组件，以扩大应用范围。双频激光干涉仪具有多功能，除精密测长之外，还可以用于测角、测量直线度等。 二、物位测量 图见 ppt55-6 纳米测量
11、技术一、扫描隧道显微镜（STM)工作原理：将被测样品作为一个电极，将作为另一个电极的极细探针靠近样品（通常距离应小于1nm） ，就会发生隧道效应，产生隧道效应电流。当控制压电陶瓷使探针在样品表面扫描时，由于样品表面高低不平而使针尖与样品之间的距离发生变化，而距离的变化引起了隧道电流的变化，控制和记录隧道电流的变化，并把信号送入计算机进行处理，就可以得到样品表面高分辨率的形貌图像。STM 工作方式：恒高度工作模式、 恒电流模式。STM 的独特优点：1. 具有原子级高分辨率。STM 在平行和垂直于样品表面方向的分辨率分别可达 0.1nm 和0.01nm，即可分辨出单个原子。2. 可实时得到在实空间
12、中物体的三维信息，可用于表面结构研究。3. 可以观察单个原子层的局部表面结构，因而可以直接观察到表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态和位置，以及由吸附体引起的表面重构等。4. 配合扫描隧道谱可以得到有关表面电子结构的信息，如表面不同层次的电子云密度、电荷密度分布、表面势垒的变化和能隙结构等。5. STM 可以在真空、大气、常温等不同环境下工作，样品甚至可以浸在水或其它液体中，适于不同的实验环境。二、原子力显微镜（Atomic Force Microscope 简称 AFM ）1. 设计思想：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
13、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。从这里我们可以看出，原子力显微镜设计的高明之处在于利用微悬臂间接地感受和放大原子之间的作用力，从而达到检测的5目的。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。2. 激光检测法原子力显微镜二极管激光器发出的激光束经过光学系统聚焦在微悬臂背面，并从微悬臂背面反射到由光电二极管构成的光斑位置检测器。在样品扫描时，由于样品表面的原子与微悬臂探针尖端的原子间的相互作用力，微悬臂将随样品表面形貌而弯
14、曲起伏，反射光束也将随之偏移，因而，通过光电二极管检测光斑位置的变化，就能获得被测样品表面形貌的信息。 在原子力显微镜的系统中，可分成三个部分：力检测部分、位置检测部分、反馈系统。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，反馈回路的作用就是在工作过程中，由探针得到探针和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，反过来控制探针和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。 3. 工作模式：1) 接触模式2) 轻敲模式3) 相移
15、模式扫描探针显微镜基本性能表名称 检测信号 分辨率 备注扫描隧道显微镜STM探针与样品间的隧道电流原子力显微镜 AFM 探针与样品间的原子作用力横向力显微镜 LFM 探针与样品间相对运动横向作用力0.1nm (原子级分辨率)磁力显微镜 MFM 磁性探针与样品间的磁力 10nm静电力显微镜 EFM 带电荷探针与带电样品间静电力1nm统称扫描力显微镜SFM扫描探针显微镜近场光学显微镜SNOM光探针接收到样品近场的光辐射100nm扫描探针显微镜与其他显微镜技术的各项性能指标比较分辨率 工作环境 样品环境温度 对样品破坏程度 检测深度扫描探针显微镜（SPM） 原子级(0.1nm)常温环境、大气、溶液、真空 室温或低温 无 100m 量级透射电镜（TEM）点分辨：(0.3-0.5nm)晶格分辨：(0.1-0.2nm)高真空 室温 小接近 SEM，但实际上为样品厚度所限，一般小于 100nm扫描电镜（SEM） 6-10nm 高真空 室温 小10mm (10 倍时 )1m (10000 倍时 )场离子显微镜（FIM） 原子级 超高真空 3080K 有 原子厚度6三、X 射线干涉仪四、 集成激光干涉系统
