几何量微纳米级精密测量技术
《精密测量技术》PPT课件
圆分度误差：分度要素的实际位置相对于理想位置的偏差，用θi表示。
00 10 20
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2．零起分度误差
以零刻线的实际位置为基准，确定全部刻线的理论位置，
并由此求得的分度误差称为零起分度误差，用 0 , i
表示。零起分度误差的一般表达式为
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一、角度的单位和自然基准
1、角度的单位：
国际单位制：弧度(rad) → 分析、计算 非国际单位：度(°)、分(´)、秒(") → 实际应用（加工、测试） 换算：1°= 60´, 1´= 60", 1rad = 180/π°≈ 57.296°
2、角度的自然基准：
角度自然基准：360°圆周（绝对准确，没有误差）
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正弦规按正弦原理工
作，即在平板工作面
与正弦规一侧的圆柱
之间安放一组尺寸为 H的量块，使正弦规 工作面相对于平板工 作面的倾斜角度0 等于被测角(锥)度的 公称值，(如图所示)。 量块尺寸H由下式决 定
sin0 H/L
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第三节、圆分度误差测量
• 一、圆分度误差的概念
直接测量：测量0～360之间的任意 角度
1、测角仪：精密仪器，最小分辨率可达0.01"
构成：1－工作台：固定被测件 4－自准直光管：对准目标 5－读数装置：瞄准读数
原理：先瞄准被测件的一个平面，读数α1
转动工作台，再次瞄准另一个平面，读数α2，
被测角度： A B 1 C 8 (0 21 )
角度基准：分度盘、圆光栅、码盘
几何量计量测试技术及仪器的若干新进展
在２０ 年１月在杭州举办的Ｐｏｅｓ ０５ ０５ １ ｒｓ ０ 中 ｎ２ 德 制造工 艺与质量控制技术研 讨会 上 ，德 方展 示 了最新 的几何量测量仪器设备 。这 次会议 由 中国科技部与德 国教 育与科研部联合发起 ， 由 德 国亚 琛 工 业 大 学 机 床 和 生 产技 术 研 究所
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的需求，于是提 出了研制纳米级 三维 坐标测 量 没。 现在 已有研究人员试 图在用微观空气
机 的要求 ，即需要 一个最起码能 移动 几十毫 米 学 的理 论 解 决 参 数 优 化 问 题 ，从 而 找 到 引盘
的二维工 作台，而该工作 台在 移动中的振动和
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措检测原理 的模具快速修 斑位 置将发生变化 ，光斑 中心 的位置 变化可 由 计算机 的图象处理软件 以亚像 素的精度算 出。 大学机床和 生产技术研究 这 项技术对 国防和航 空航天领域 的惯 性元件制
根 据 美 国 国 家标 准研 究院 （ Ｓ ） ， ＮＩＴ ￣ 道
维普资讯
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Ｃｏ ｐｒ ｈ ｎ ｉ ｅ ｍ ｅ ｅ ｓｖ
在保证精度 的前提 下进行 高效的检测。应用该
技术 可实现零件表 面全误 差测量 （ 除表 面粗糙 度 外 ），在测量信号 中既含有尺 寸误 差信 号又 含有形位误差信号 ，代表 了测 量系统的一种新
围 １ 超 精 田 三 维 测 量 机 原 理 围
的发 展 方 向 （ 图３）。
２ 常规 工业 用测 量仪器 的进 展ｐ
精密水准测量技术的原理与方法讲解
精密水准测量技术的原理与方法讲解一、引言精密水准测量是一种用来测量地球表面高程差异的技术，广泛用于建筑、道路、桥梁等工程项目的设计和施工过程中。
本文将要讲解精密水准测量技术的原理与方法，帮助读者深入了解这一重要的测量技术。
二、基本原理精密水准测量的基本原理是利用重力的作用和水准仪的测量观测，得到不同位置之间的高程差。
其核心原理为水准仪的测量结果与水平面的判定相结合。
1. 重力的作用重力是地球吸引物体的力，使物体朝向地球的中心运动。
水准测量利用重力的作用，通过测量地球表面上的高度差，推断出不同位置之间的高程差。
2. 水准仪的测量水准仪是精密水准测量的主要工具，其基本原理是利用建立在自然水平面上的平衡气泡来测量高程差。
通过调整气泡使其处于中央位置，就可以确定所测点与水准仪基准点之间的高差。
三、测量方法精密水准测量主要有两种方法：几何水准测量和重力高程测量。
1. 几何水准测量几何水准测量是一种通过观测目标点与测站之间的水平线来测量高程差的方法。
它需要设置测站和观测目标点，并进行直接或间接的水准测量。
直接水准测量是利用水准仪直接观测目标点和测站之间的高程差，间接水准测量则通过测量测站与参考点之间的高程差来间接得到目标点与测站之间的高程差。
2. 重力高程测量重力高程测量是一种通过观测重力加速度变化来测量高程差的方法。
它利用重力加速度与地壳运动及大地水准面测量的相关性，通过测量重力加速度的变化来推算出不同位置之间的高程差。
四、精密水准测量的应用精密水准测量技术在建筑、道路、桥梁等工程项目的设计和施工过程中具有重要作用。
它可以帮助测量人员准确把握地势高低差异，为工程项目的规划、设计和施工提供基础数据。
1. 建筑项目中的应用在建筑项目中，精密水准测量用于确定建筑物的高程，保证建筑物的平坦度和水平度。
它可以帮助建筑师在设计过程中避免出现高低错位或不平衡的问题，提高建筑物的整体质量。
2. 道路和桥梁项目中的应用在道路和桥梁项目中，精密水准测量用于确定路面和桥梁的高程，保证道路和桥梁的平整度和水平度。
几何量精度设计与精密测量高端技能型人才培养分析
几何量精度设计与精密测量高端技能型人才培养分析几何量精度设计与精密测量是现代制造业中非常重要的技能，对于产品的质量和性能起着至关重要的作用。
培养具备这方面专业技能的高端人才显得尤为重要。
本文将从几何量精度设计与精密测量的重要性、人才培养现状和未来发展趋势等方面进行分析。
一、几何量精度设计与精密测量的重要性几何量精度设计与精密测量是指在产品设计、制造和检测过程中，对产品的几何形状和尺寸进行精确测量和分析的技术和方法。
这一领域的技能要求非常高，因为产品的几何量精度直接关系到产品的性能、稳定性和可靠性。
在制造业中，尤其是汽车、航空航天、船舶、轨道交通等领域，产品的几何量精度设计与精密测量是至关重要的。
随着科技的飞速发展，产品的设计和制造越来越复杂，对产品的几何量精度设计与精密测量的要求也越来越高。
只有具备这方面专业技能的高端人才，才能够胜任这一领域的工作，保证产品的质量和性能。
二、人才培养现状目前，我国在几何量精度设计与精密测量高端技能型人才培养方面还存在一些不足。
相关专业的培训机构和课程相对不足，很多大学和职业教育机构在这方面的教学资源和师资力量都比较匮乏。
学生对这一领域的了解和认识也比较模糊，很多学生并不知道几何量精度设计与精密测量的重要性和发展前景。
行业需求和学校培养之间的脱节也比较严重，毕业生的实际能力与企业的需求之间存在一定的差距。
也有一些积极的企业和学校开始意识到几何量精度设计与精密测量这一领域的重要性，一些高校和培训机构开始加强相关专业的建设和师资力量，以满足市场需求。
一些企业也开始与相关专业的学校合作，开展双向沟通和合作，帮助学生更好地了解行业需求，提高实际能力。
三、未来发展趋势未来，随着制造业的转型升级和科技的不断进步，几何量精度设计与精密测量这一领域的重要性将会更加凸显。
几何量精度设计与精密测量高端技能型人才的需求也将会持续增加。
相关专业的课程和培训资源也将会得到更多的关注和投资，以满足市场需求。
现代精密测量技术发展现状综述
现代精密测量技术发展现状综述摘要：现代精密测量技术是一门集光学、电子、传感器、图像、制造及计算机技术为一体的综合性交叉学科，涉及广泛的学科领域，它的发展需要众多相关学科的支持。
在现代工业制造技术和科学研究中，测量仪器具有精密化、集成化、智能化的发展趋势。
关键词：现代精密测量，现状，发展趋势。
引言：在科学技术高度发展的今天，现代精密测量技术对一个国家的发展起着十分重要的作用。
如果没有先进的测量技术与测量手段，就很难设计和制造出综合性能和单相性能均优良的产品，更谈不发展现代高新尖端技术，因此世界各个工业发达国家都很重视和发展现代精密测量技术。
1.国内外形势：三坐标测量机：三坐标测量机即三次元，它是指在一个六面体的空间范围内，能够表现几何形状、长度及圆周分度等测量能力的仪器，又称为三坐标测量仪或三坐标量床。
三坐标测量仪可定义为“一种具有可作三个方向移动的探测器，可在三个相互垂直的导轨上移动，此探测器以接触或非接触等方式传送讯号，三个轴的位移测量系统(如光学尺)经数据处理器或计算机等计算出工件的各点坐标(X、Y、Z)及各项功能测量的仪器”。
三坐标测量仪的测量功能应包括尺寸精度、定位精度、几何精度及轮廓精度等。
三坐标测量机在机械、电子、仪表、塑胶等行业广泛使用。
三坐标测量机是测量和获得尺寸数据的最有效的方法之一，因为它可以代替多种表面测量工具及昂贵的组合量规，并把复杂的测量任务所需时间从小时减到分钟，这是其它仪器而达不到的效果。
组成结构：1、主机机械系统（X、Y、Z三轴或其它）；2、测头系统；3、电气控制硬件系统；4、数据处理软件系统（测量软件）；三坐标测量机在现代设计制造流程中的应用逆向工程定义：将实物转变为CAD模型相关的数字化技术，几何模型重建技术和产品制造技术的总称。
德国CarlZeiss公司最近开发的CNC小型坐标测量机采用热不灵敏陶瓷技术，使坐标测量机的测量精度在17.8～25.6℃范围不受温度变化的影响。
第五测量技术基础
端 面
3 等量块
量 比较或直接测量法 具
4 等量值
某些高精度 计量器具的示值
精密机床用尺 之类的工作计量器具
直接测量法 普通尺之类的 工作计量器具
5 等量块
某些计量器具的示值
各种计量器具
工作尺寸
工件尺寸
图5-1 长度量值传递系统
量块及其应用
量块又称块规,它就是端面量具,多用铬锰钢制 成,具有尺寸稳定,不易变形与耐磨性好等特点。
量块得用途广泛,除作为标准器具进行长度量 值得传递外,还可用来调整仪器、机床与其她 设备,也可以用来直接测量零件。
图 量块（46块）
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量块及其应用
Ø量块得测量面与工作长度
下测量面
量块长度Li
中心长度L
标称长度
平晶
上测量面
• 测量面：两个，相互平行，极为光滑、平整
• 标称长度：两测量面之间的距离（工作长度）
8、 修正值 为了消除或减少系统误差,用代数法加到
未修正测量结果上得数值。其大小与示值误差得绝对 值相等,而符号相反。
9、 重复精度 在相同得测量条件下,对同一被测几何
量进行多次测量时,各测量结果之间得一致性。
10、 不确定度 由于测量误差得存在而对被测几何
量量值不能肯定得程度。
§5、3 计量器具与测量方法
值无法得到,故实际中常以测得值代替真值进行计算,即
f
相对误差就是一个无量纲得x 数值x ,通常用百分比表示。 如: 测两孔直径大小分别为:50、86mm 与 20、97mm, 其绝对误差分别为:+0、02mm 与 +0、01mm, 则由上式得到它们得相对误差分别为 f1=0、02 /50、 86= 0、0393%,f2=0、01/20、97=0、0477% ,故前者测量 精度比后者高。
双频激光外差干涉的应用技术
双频激光外差干涉的应用技术
微／纳米技术的发展，离不开微米级和纳米级的测量技术与设备。
具有微米及亚微米测量精度的几何量与表面形貌测量技术已经比较成熟，如双频激光干涉测量系统(精度10nm)、具有1nm精度的光学触针式轮廓扫描系统等。
因为扫描隧道显微镜、扫描探针显微镜和原子力显微镜用来直接观测原子尺度结构的实现，使得进行原子级的操作、装配和改形等加工处理成为近几年来的前沿技术。
而激光外差干涉测量是几何量精密测量的主要技术之一，属精密测量技术领域。
通过偏振方向正交的两个波长的激光器，实现双波长外差干涉的外差干涉仪，将外差信号进行光电转换的声光调制器以及外差信号的相位检测电路和数据处理单元。
精密机械加工中的测量与检测技术
精密机械加工中的测量与检测技术在当今高度工业化的时代，精密机械加工在各个领域都发挥着至关重要的作用。
从航空航天到汽车制造，从医疗设备到电子通讯，几乎所有的高科技产品都离不开精密机械加工的支持。
而在精密机械加工过程中，测量与检测技术则是保证产品质量和精度的关键环节。
测量与检测技术的重要性不言而喻。
它就像是一双“眼睛”，时刻监控着加工过程中的每一个细节，确保加工出来的零件符合设计要求。
如果没有精确的测量与检测，即使使用了最先进的加工设备和工艺，也无法保证产品的质量和性能。
因此，对于精密机械加工企业来说，掌握先进的测量与检测技术是提高竞争力的核心要素之一。
在精密机械加工中，常用的测量与检测技术包括尺寸测量、形状测量、位置测量、表面粗糙度测量等。
尺寸测量是最基本的测量项目之一，它主要用于测量零件的长度、宽度、高度、直径等尺寸参数。
常用的尺寸测量工具包括卡尺、千分尺、量规等。
这些工具操作简单，精度较高，能够满足大多数常规零件的尺寸测量需求。
然而，对于一些高精度、复杂形状的零件，传统的测量工具可能就无法胜任了，这时就需要使用更先进的测量设备，如三坐标测量机、激光干涉仪等。
三坐标测量机是一种高精度、高效率的测量设备，它可以对零件的三维尺寸进行精确测量。
通过将零件放置在测量机的工作台上，并使用探头对零件表面进行逐点测量，测量机可以快速获取零件的三维坐标数据，并通过软件分析计算出零件的尺寸、形状、位置等参数。
激光干涉仪则是一种基于激光干涉原理的测量设备，它可以用于测量零件的直线度、平面度、垂直度等几何精度。
激光干涉仪具有测量精度高、测量范围大等优点，在精密机械加工中得到了广泛的应用。
形状测量也是精密机械加工中非常重要的一个环节。
零件的形状精度直接影响着其装配性能和工作性能。
常见的形状测量项目包括圆度、圆柱度、平面度、线轮廓度、面轮廓度等。
圆度测量通常使用圆度仪进行，圆柱度测量可以使用圆柱度仪或三坐标测量机，平面度测量则可以使用平板和千分表、三坐标测量机等设备。
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2. 二维微纳米级坐标测量
德国PTB:
二维微纳米级坐标测量 装置
测量范围 : 280 mm 280 mm
测量不确定度: <35nm（3σ）
扫描电镜头定位的二维
测量系统
测量范围 : 300 mm 300 mm
测量不确定度: 5nm
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2. 二维微纳米级坐标测量
瑞士METAS研制的掩膜板测量仪 用于校准掩膜板பைடு நூலகம்面的结构，测量范围达到
400mm300mm。仪器由具有空气轴承的XY位移 台组成，两轴的平面反射镜干涉仪测量位移 台的位置，用数字视频显微镜系统瞄准定位， 对于短周期的测量重复性<3nm(1σ )。
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在机械工程领域，对长度测量系统不确定度的要求越来越高， 特别是在长度测量系统中对短周期长度测量偏差的不确定度 要求更高（例如，对光栅尺的测量）。
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1. 一维微纳米级长度尺寸测量
德国：PTB
Interferometer
Bellow
Beamsplitter
Slide
Bellow
光学工程方面：
光学零件测量；
其他领域：
医学领域的镶牙技术、输液细管；如整形技术、模具制造、汽车自动 加油器、磁盘驱动器的基板部件、半导体器件封装等。
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微型坐标测量机的关键技术
主要是框架结构设计和测头设计。
在框架结构设计中主要考虑以下几方面：械 机构的热稳定性、测量中结构变形的影响最 小、最小阿贝误差、好的坐标参考点、足够 的硬度等。
中国计量测试学会几何量专业委员会2006年年会 论文报告
几何量微纳米级精密测量技术 研究的若干新进展
叶孝佑 高思田 2006-09-12
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报告提纲
前言 一维微纳米级长度尺寸测量 二维微纳米级坐标测量 微型坐标测量机 纳米尺度计量 结束语
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Microscope Bridge
Measurement
Slide
Scale
Granite
Vibration Isolation
一维纳米比长仪
德国：PTB
Linear Drives
测量范围：610 mm。
测量不确定度：线纹尺：Uaim ≤ 5 nm，光学掩膜板长度： Uaim ≤5 nm，线性光栅编码器：Uaim ≤3 nm，激光干涉仪：Uaim ≤2 nm。指标：
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1. 一维微纳米级长度尺寸测量
中国：中国计量科学研究院
测量范围≤3µm， 分辨率优于0.5nm， 测量不确定度 ≤3nm。
F-P 拍频激光干涉仪
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2. 二维微纳米级坐标测量
为了解决在集成电路、仪表、机械制造、塑胶等工业测量中广泛应用的 非接触坐标测量机及测量显微镜的校准和溯源，工业发达国家在近十年 来纷纷研制了高精度二维线纹标准器及其标准装置，其测量范围达到 600mm600mm，测量不确定度达到10～300nm。与一维微纳米级长度尺 寸测量相比，其引用的关键技术除了上述的激光测长和瞄准定位外，还 需要考虑进行两维测量的平面参考镜的制造测量和安装调整。平面参考 镜的直线度、平面度和两个平面镜正交性是主要的测量误差来源。
在测头设计中主要考虑以下几方面：小半径、 小探针、高硬度、低测力、低运动质量、高 稳定性、高分辨力和低噪声等。
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国家计量院中的 微型坐标测量机
英国NPL
高精度微型CMM
测量范围：50 mm 50 mm 50 mm； 测量不确定度：50~100 nm；采用Leitz CMM 的运动控制和CNC编程和数据分 析系统；计量型框架结构。
瑞士METAS研制的掩膜板测量仪
用于校准掩膜板表面的结构，测量范围达到400mm300mm。仪器由具有空 气轴承的XY位移台组成，两轴的平面反射镜干涉仪测量位移台的位置， 用数字视频显微镜系统瞄准定位，对于短周期的测量重复性<3nm(1σ )。
美国NIST和英国NPL
研制了用于在掩膜板表面结构测量的装置，其测量不确定度≤20nm
步入了世界先进水平行列。在我国，中国计量科学
研究院一直坚持不断地研究，近年来取得的一些科
研成果也达到了世界先进水平。
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1. 一维微纳米级长度尺寸测量
在集成电路工业领域，由于在一片光学掩膜板上集成的电路 越来越多，需要研究其几何特性，因此必须提升长度测量系 统的不确定度，目前，对7＂掩膜板的结构距离测量的重复 性达到了3 nm，溯源到长度单位的不确定度水平达到的电路 制造水平约30nm。
前言
20世纪末至21世纪初，精密、超精密制造（加工） 的精度水平向微米和纳米级发展。发达国家的计量
院对基标准的研究是长期和连续不断的，而且投入 很大，如美国的标准与技术研究院（ NIST）、英 国的物理研究所（NPL）和德国的物理技术研究院 （PTB）。在亚洲，日本的NIMJ、韩国的KRISS 近几年在微纳米测量技术研究方面发展也非常迅速，
六轴外差激光干涉仪测量系统；微型 3D测头：测针直径0.5mm或1mm， 测头内嵌三个电容传感器，其X、Y、 Z 测量范围为 20µm 。
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2. 二维微纳米级坐标测量
韩国计量院（KRISS）
结构与德国PTB的Leica LMS 2020类似，使用激光干涉仪测长， 原子力显微镜（AFM）的测量 头瞄准定位，其单轴位移测量不 确定度为10nm，测量范围为 200mm200mm。
二维微纳米级坐标测量装置
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2. 二维微纳米级坐标测量
中国计量科学研究院正在启动研制的激光两坐标测量装置
此处安装瞄准定位 系统
大理石平台
固定桥
测量范围 :
350mm×350mm
被测件
激光束
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3. 微型坐标测量机
主要用于测量超精密、极小零部件
涉及的应用范围有：
精密机械方面：
微电机、精密轴承、导向系统、手表、微型机电系统（MEMS）；