精密量仪：杠杆齿轮式比较仪与立式光学计的测量技术应用

1.杠杆齿轮式比较仪

图5-13所示为杠杆齿轮式比较仪，可用于测量工件的尺寸及几何误差。测量工件的外径尺寸时，将杠杆齿轮式比较仪装在支座上，按比较测量法进行测量。即先用选择好的量规组校准仪器的零位，再将被测工件放到比较仪的测头与支座的工作台面之间进行测量，用比较法确定工件的实际外径尺寸。测量外圆的径向圆跳动时，可将仪器安装在圆跳动检查仪上使用，也可用作测量夹具的读数元件。

杠杆齿轮式比较仪的工作原理如图5-14所示。当测量杆1有微小直线位移时，带动杠杆短臂2和齿轮杠杆3一起转动，齿轮杠杆3又带动小齿轮4和指针5一起转动，指针在表盘6上可指示出相应的数值。

杠杆齿轮式比较仪的分度值为0.001mm，标尺示值范围为±0.1mm。

2.立式光学计

图5-15所示为立式光学计，可用比较测量法测量工件外圆直径和高度尺寸，也可用作测量夹具的读数元件。立式光学计主要由底座1、立柱5、支臂3、直角光管6和工作台11等组成。光学计是利用光学自准直原理和杠杆放大原理工作的。光学自准直原理是平行光管射出的平行光，经反射镜反射回来，进入物镜，仍能在焦面上成像。光学计的工作原理如图5-16a所示。当目标O点位于物镜的焦点上，它所发出的光线经物镜后变成一束平行于光轴的平行光。若反射镜垂直光轴，光线按原路返回，经物镜会聚于原焦点上；若反射镜偏转一个微小角度α，则反射光线与入射光线的夹角为2α，经物镜会聚成像于焦平面上的O′点，指示变量为

ΔL=ftan（2α） （5-7）

图5-13 杠杆齿轮式比较仪

图5-14 杠杆齿轮式比较仪工作原理

1—测量杆 2—杠杆短臂 3—齿轮杠杆 4—小齿轮 5—指针 6—表盘

图5-15 立式光学计

1—底座 2—螺母 3—支臂 4、8—紧固螺钉 5—立柱 6—直角光管 7—调节凸轮 9—拨叉 10—测头 11—工作台

图5-16 光学计的工作原理

式中 f——物镜焦距（mm）；

ΔL——指示变量（mm）；

α——平面反射镜摆动斜角（°）。

如图5-16b所示，当测杆N移动的相应被测量为由下式计算

Δx=atanα （5-8）

式中 Δx——相应被测量（mm）；

a——测杆至平面反射镜摆动轴M的距离（mm）；

α——平面反射镜摆动斜角（°）。

按式（5-6）、式（5-7）、式（5-8）得仪器的放大比

当α很小时，tanα≈α，tan（2α）≈2α，故

一般光学计光管的物镜焦距为203.5mm，臂长a为5.0875mm，故放大比为80倍。光学计的光学系统，如图5-17a所示。

从光学计的目镜读数显示装置中可以看见分划板的刻度尺和刻度尺像。由指标线测得读数（图5-17b）。目镜的放大倍数为12倍。

光学计光管的光路由反射镜1反射至全反射棱镜2转折90°，照亮分划板3上的刻度尺4，光束经全反射棱镜7后转折90°，透过物镜8后变为平行光射向反射镜9，反射光按原光路至分划板的另一侧成像。当测杆10移动时，推动反射镜9摆动，于是刻度尺像相对于指标线移动一微小距离。

图5-17 光学计的光学系统

1—反射镜 2、7—全反射棱镜 3—分划板 4—刻度尺 5—目镜 6—刻度尺像 8—物镜 9—反射镜 10—测杆 11—测帽

为适应测量各种形状的工件，在测杆10上可插上不同形状的测帽。测帽有球面测帽、小平面测帽、平面测帽和刃形平面测帽。如测量钢珠需使用平面测帽；测量平面和圆柱面时，选用球面测帽。

光学计的分度值为0.001mm，示值范围为±0.1mm。

3.指示表

图5-18a所示为钟表式指示表，分度值为0.001mm。指示表的工作原理见图5-18b。传动系统由齿条齿轮及齿轮组成。测杆上的齿条齿距p=0.5mm，z₁=40，z₂=120，z₃=16，z₄=160，z₅=12，表面分成200格。当测杆移动0.2mm时，长指针R的转数为

图5-18 钟表式指示表

由于刻度200格，即分度值为

图5-19所示为电感式指示表。测头1与杠杆2连成一测量杠杆，可绕簧片3回转。杠杆另一端装有磁心轴6和磁心5，转动磁心轴可改变磁心在线圈中的位置。差动变压器式传感器由一次线圈8和二次线圈7组成。当测头变动时，磁心在线圈中上下移动，若磁心向上移动，线圈7的感应电压减少；磁心向下移动，线圈8的感应电压增大。一次线圈8能加强磁感应量。由电表指示读数，分度值为0.001mm。

图5-19 电感式指示表

1—测头 2—杠杆 3—簧片 4—螺钉 5—磁心 6—磁心轴 7—二次线圈 8—一次线圈

4.工具显微镜

图5-20所示为大型工具显微镜。工具显微镜的用途十分广泛，可以测量螺纹的各单项参数、凸轮的轮廓、切削刀具、样板等零件的轮廓尺寸。

在大型工具显微镜上，纵向滑板6上的移动导轨5可沿底座8上的固定导轨7作纵向移动。在纵向滑板6上装有横向滑板11，它能在纵向滑板6上作横向移动。测微螺杆14和12分别用来作工作台纵向、横向移动读数，读数范围为0～25mm，分度值为0.01mm。测量范围纵向为0～150mm，横向为0～50mm。

在横向滑板11的上方装有圆工作台15，旋转手轮13可使工作台在水平面内旋转360°，圆周游标分度值为3′，工作台调整角度后用锁紧手轮10锁紧。在圆工作台中央装有透明载物台16，部分零件可直接安置在台面上进行测量。立柱2装在支座3上，可由手轮17调整其倾斜角度。倾斜角度范围为±12°，读数分度值为30′。立柱2与悬臂23之间采用燕尾导轨，旋转手轮1可使悬臂上下移动，进行显微镜的粗调焦。精调焦时转动旋钮24。

物镜管座22的螺纹旋入悬臂中。物镜20共有4个，其放大倍率分别是1、1.5、3、5。管座上端设有棱镜座21，内装正像棱镜。19为测角目镜，其放大倍数为10，故显微镜总放大倍数为10、15、30、50。

图5-20 大型工具显微镜

1、13、17—手轮 2—立柱 3—支座 4—电源插座 5—导轨 6—纵向滑板 7—固定导轨 8—底座 9—手柄 10—锁紧手轮 11—横向滑板 12、14—测微螺杆 15—圆工作台 16—载物台 18—读数套 19—测角目镜 20—物镜 21—棱镜座 22—物镜管座 23—悬臂 24—旋钮

图5-21所示为大型工具显微镜的光学系统示意图。由光源1发出的光线通过绿色滤光片2和可变光阑3后射向反射镜4，并经聚光镜5形成远心光束，经圆工作台的玻璃板6，将被测工件7的轮廓经物镜8、正像棱镜9、玻璃刻度盘10后，投射到目镜的焦平面上，从而在目镜12或11中观察到放大的轮廓像和角度值。玻璃刻度的分度值为1°，游标分划板分度值为1′。

根据不同的测量要求，可选用螺纹轮廓目镜、测角目镜或特殊目镜等。螺纹轮廓目镜用于测量螺纹牙型半角。在测量标准螺纹时，可采用带旋转玻璃刻度盘的螺纹轮廓目镜。如图5-22所示，旋转玻璃刻度盘上画有螺距为0.25～4mm的普通螺纹的理论断面和英制螺纹的断面；正交十字线；角度60°、55°和53°8′。

图5-23a所示为螺纹轮廓目镜的外形。图5-23b所示为目镜所见测量螺距为1.25mm普通螺纹的投影轮廓。图中，理论螺纹断面的平均线通过标尺的零位，螺纹断面与理论断面重合。如不重合，则偏差可用以下方法测量：转动滚花环2，使旋转玻璃刻度盘上螺纹的理论断面左侧与被测螺纹的牙型左侧平行，这时理论断面的平均线将侧面的固定角度标尺（分度值为10′）移至某一分度，例如+2°30′，则被测螺纹的实际牙型半角为27°30′。同样可用影像法测量螺纹牙型右侧的牙型半角。为了使轮廓影像清晰，需将立柱顺着螺旋线方向倾斜一个螺旋升角

图5-21 工具显微镜的光学系统

1—光源 2—绿色滤光片 3—可变光阑 4—反射镜 5—聚光镜 6—玻璃板 7—工件 8—物镜 9—正像棱镜 10—玻璃刻度盘 11、12—目镜 13—平面反光镜(www.xing528.com)

图5-22 旋转玻璃刻度盘

图5-23 螺纹轮廓目镜

1—目镜 2—滚花环

测角目镜的测量精度比螺纹轮廓目镜高。图5-24a所示为仪器目镜的外形图，它由玻璃分划板、中央目镜、角度读数目镜、反射镜和手轮等组成。目镜的结构原理如图5-24c所示，从中央目镜可观察到被测工件的轮廓影像和分划板的米字刻线（图5-24b）。从角度读数目镜中，可观察到分划板上0°～360°的度值刻线和固定游标分划板上0′～60′的分度刻线，分度值为1′（图5-24d）。转动手轮，可使刻有米字线和度值刻线的分划板转动，可从角度读数目镜中读数。

大型工具显微镜可测量螺纹单项参数。图5-25所示为用影像法测量螺纹中径的方法。先将立柱顺着螺旋线方向倾斜一个螺旋升角。测量时，工件安装在两顶尖之间（附件），移动工作台，使被测螺纹的牙型进入视场，目镜中的米字虚线与螺纹投影牙型的一侧重合，记下横向测微计读数。再将立柱反向倾斜一个螺旋升角，并横向移动工作台，使米字虚线与螺纹下一牙影像侧对准，记下横向测微计第二个读数。两读数之差即为被测螺纹的中径。需在螺纹轮廓的左、右两侧各测一次，取其平均值作为测量结果。

图5-24 测角目镜

1—玻璃刻度盘 2—中央目镜 3—角度目镜 4—固定游标分划板 5—平面反射镜 6—手轮

图5-25 用影像法测量螺纹中径

图5-26所示为用影像法测量螺纹牙型半角的方法。用影像法测量牙型半角时，所不同的是将中央目镜视场内米字线的十字中心虚线沿螺纹牙型影像的边缘调定、对准。

如图5-26a所示，在角度目镜内的读数为0°0′。当旋转测角目镜的手轮（图5-23），使米字线的十字中心虚线与螺纹牙型对准时，由图5-26b可知，该半角的数值为

α/2（右）=360°-329°13′=30°47′

同理，使米字线的十字中心虚线与螺纹牙型另一边对准，如图5-26c所示，

另一半角的数值为

α/2（左）=30°8′

图5-26 用影像法测量螺纹牙型半角

为了消除被测螺纹的安装误差的影响，应分别测量四个位置的角度α/2（Ⅰ）、α/2（Ⅱ）、α/2（Ⅲ）、α/2（Ⅳ）（图5-27），取左、右半角各自的平均值为测量结果，即

α/2（左）=[α/2（Ⅰ）+α/2（Ⅲ）]/2

α/2（右）=[α/2（Ⅱ）+α/2（Ⅳ）]/2

为了使轮廓影像清晰，测量时同样要使立柱倾斜一个螺旋升角。

用影像法测量螺纹牙型半角，误差较大。采用测量刀，用轴切法测量则可提高测量精度。

图5-27 测量四个位置的螺纹牙型半角

图5-28a所示为斜刃量刀，用于螺纹的测量中。斜刃口至刻线的距离分0.3mm和0.9mm两种，0.3mm的斜刃量刀用于测量螺距小于3mm的螺纹，0.9mm的斜刃量刀适用于螺距为3～6mm的螺纹。

用量刀进行测量的方法是将量刀安放在专用刀架上（附件），使量刀的切削刃与被测表面相接触（图5-28b）。利用测角目镜分划板上的虚线与量刀的刻线对准，即可达到瞄准的目的。

螺距是螺纹牙型轮廓在中径线上某一点到第二牙上相应点间的距离。图5-29所示为用影像法测量螺距的方法。测量时，将米字线的中央虚线与第一牙的影像边缘对准重合，记下纵向测微计读数。再纵向移动工作台，使米字线的中央虚线与相邻螺牙的同侧轮廓重合，记下纵向测微计的第二个读数。两读数之差即为被测螺纹的螺距。需在螺纹轮廓的左、右两侧各测一次，取其平均值作为测量结果。

图5-28 斜刃量刀及轴切法测量螺纹牙型半角

图5-29 用影像法测量螺纹的螺距

工具显微镜有多种结构，可分为小型工具显微镜、大型工具显微镜、万能工具显微镜、重型万能工具显微镜等。随着电子技术的发展，一些新型的工具显微镜具有更高的测量精度和速度。如数字式万能工具显微镜，采用光栅标尺和数字显示测量装置，最小显示值为0.5μm。

5.激光量仪

激光是20世纪60年代末兴起的一种新型光源，1960年7月7日诞生第一台激光器，目前已广泛应用于各个方面。它与普通光相比是很特殊的光。通常，物质内部能量数有高低二级，低能级称为基态，高能级称为激光态。由于外界能作用下，物质基态就可能被激发到高能级，这过程称跃迁。同样，激发态高能级跃迁到基态，同时释放光子能，形成激光基础。

激光具有下列特点：

1）方向性好。普通光向四面八方发光，而从激光器发出的激光，其发散角很小，几乎与激光器的反射镜面垂直。如配置适当的光学准直系统，其发散角可小到10^-4rad以下，几乎是一束平行光，可使量仪获得极高的定位精度。

2）高度单色性。普通光源含许多波长，所以具有多种颜色。如日光包含：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色，其相应波长从760～380mm。激光的谱线纯，如氦氖激光的谱线宽度只有10^-6nm，激光具有长距离测量性能。

3）高度相干性。相干波是指两个具有相同方向、相同频率和相位差相同的波。普通光源是自发辐射光，是非相干光。激光是受激辐射光，其具有高度的相干性，对环境的抗干扰性强。

4）亮度高。由于激光束极窄，所以激光的有效功率和照度特别高。由于激光有以上特性，因而激光广泛应用于长距离、高精度的位置检测中。

图5-30所示为激光干涉仪的工作原理图，是利用光的干涉原理工作的，即两列具有固定相位差，而且有相同频率、相同振动方向的光相互交叠，将会产生明暗相间的干涉条纹。激光器1发出的激光束，经镀有半透银箔层的分光镜5将光分为两路，一路折射进入固定的棱镜4，另一路反射进入可动棱镜7。经棱镜4、7反射回来的光重新在分光镜5合成相干光束，此光束又被分成两路，一路进入光电接收元件3，另一路经棱镜8反射至光电接收元件2。调节光电接收元件的位置，使两光电信号相位差为90°。当被测物移动时，棱镜7也移动，则干涉条纹也移动，每移动一个干涉条纹，光电信号变化一个周期。如果采用四倍频电子线路细分，采用波长λ=0.6328μm的氦氖气体激光管，则一个脉冲信号相当于移动量为

激光器是产生激光的器具，它由工作物质、激励能和放电管构成谐振腔组成。常用的是气体激光器，激励能为直流电源。

图5-30 激光干涉仪工作原理图

1—激光器 2、3—光电接收元件 4、7、8—棱镜 5—分光镜 6—被测物

用激光干涉仪可用于测量几何误差和长度尺寸。

图5-31所示为激光准直仪的工作原理图。由氦氖气体激光器1发出的激光，经平行光管2射向光电探测器5（四象限靶）。当光束与光电探测器5的中心重合时，水平方向和垂直方向的两对光电探测器都完全平衡，此时无信号输出。当光束偏离探测器中心时，光电探测器便有差值信号输出，通过运算电路6及指示表7，反映了被测表面在水平方向和垂直方向的偏离值。激光准直仪常用于测量机床导轨的直线度误差等。

图5-32所示为激光多普勒测量仪（LDDM），它能测量直线度、平行度、垂直度、平面度和长度尺寸等精度项目，分辨力为0.01μm，测量范围为15～100mm。

图5-31 激光准直仪

1—激光器 2—平行光管 3—针孔光阑 4—激光束 5—光电探测器（四象限靶） 6—运算电路 7—指示表

激光多普勒测量仪（LDDM）由激光头、处理控制器、显示器、电脑及平行反射镜等组成。仪器利用激光多普勒频差效应的原理工作。多普勒频差效应的原理是：由激光器射出的激光频率为f_o，经由平行反射镜反射回到探测器。由于平行反射镜有一位移x，则反射回到探测器的频率为f_r，其频差Δf=f_o-f_r。计算监相器的脉冲数以及模拟电压，即可测知位移量x。

图5-32 激光多普勒测量仪

激光头由氦氖气体激光管发出激光，并由电光调制器经过调制后射出。探测器将接收到的反射光转换成电子信号输入处理器，经处理器中的相位调制对信号作监相和积分处理，以及计数器和微处理器的计数后，由电脑作测量分析，获得测量结果。

图5-33所示为双光束激光多普勒测量仪，由两个激光器、两个探测器和双晶反射镜等组成。可同时测量直线位移误差和角偏误差。双光束激光多普勒测量仪的激光射向双晶反射镜，当双晶反射镜偏移时，则双光束激光的光程x₁、x₂会发生变化，以测量导轨的直线度误差。

图5-33 双光束激光多普勒测量仪