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。公司开发的坐标测量机软件STRATA-UX，其测量数据可以从CMM直接传送到随机配备的统计软件中去，对测量系统给出的检验数据进行实时分析与管理，根据要求对其进行评估。依据此数据库，可自动生成各种统计报表，包括X-BAR&R及X_BAR&S图表、频率直方图、运行图、目标图等。

海克斯康测量技术(青岛)有限公司是中国唯一的世界级坐标测量系统制造商。旗下有多款三坐标测量仪，不过技术上多少对国外存在依赖，以德国和日本的技术为主。

日本三丰高精度CNC三坐标测量机是FALCIO-Apex 系列中的高端产品，特点：

?高测量精度、高运动速度。

?全数字运动控制。

?三轴导轨均使用经改进的高强度气浮轴承。

三坐标测量仪的主要应用领域主要用于机械、汽车、航空、军工、家具、工具原型、机器等中小型配件、模具等行业中的箱体、机架、齿轮、凸轮、蜗轮、蜗杆、叶片、曲线、曲面等的测量，还可用于电子、五金、塑胶等行业中，可以对工件的尺寸、形状和形位公差进行精密检测，从而完成零件检测、外形测量、过程控制等任务。

非接触测量:

非接触测量是以光电、电磁等技术为基础，在不接触被测物体表面的情况下，得到物体表面参数信息的测量方法。典型的非接触测量方法如激光三角法、电涡流法、超声测量法、机器视觉测量等等。目前基于三角测量原理的非接触激光光学探头已经应用于CMM上代替接触式探头。通过探头的扫描可以准确获得表面粗糙度信息，进行表面轮廓的三维立体测量及用于模具特征线的识别。该方法克服了接触测量的局限性。将激光双三角测量法应用于大范围内测量，对复杂曲面轮廓进行测量，其精度可高于1μm。

微/纳米级精密测量技术：

20世纪末，测量精度水平开始向微纳米级发展。发达国家的计量院对基标准的研究是长期和连续不断的，投入很大。以美国的NIST，英国的NPL和德国的PTB为首，在亚洲，以日本的NIMJ和韩国的KRISS

为主，在近年来研究方面发展迅速，逐步步入发达国家行列。我国在这方面起步较晚，近年来也取得一些重大成果，总体上还是存在差距。

微/纳米技术研究和探测物质结构的功能尺寸与分辨能力达到微米至纳米级尺度，使人类在改造自然方面深入到原子、分子级的纳米层次。纳米级加工技术可分为加工精度和加工尺度两方面。加工精度由本世纪初的最高精度微米级发展到现有的几个纳米数量级。金刚石车床加工的超精密衍射光栅精度已达1nm，实验室已经可以制作10nm 以下的线、柱、槽。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HP5528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。

显微镜测量技术：

主要利用各类高精密显微镜进行精密测量，比如起步较早的扫描探针显微镜，它具有极高的空间分辨率，广泛应用于表面科学、材料

科学和生命科学等研究领域，在一定程度上推动了纳米技术的产生和发展。

光学干涉显微镜测量是目前比较常用也是发展较为完善的一种测量手段。光学干涉显微镜测量技术，包括外差干涉测量技术、超短波长干涉测量技术、基于F-P（Ferry-Perot）标准的测量技术等，随着新技术、新方法的利用亦具有纳米级测量精度。同样利用干涉的纳米测量的扫描X射线干涉技术能给出纳米级分辨率，国内清华大学测试技术与仪器国家重点实验室在1997年5月利用自己研制的X射线干涉器件在国内首次清楚地观察到X射线干涉条纹。软X射线显微镜、扫描光声显微镜等用以检测微结构表面形貌及内部结构的微缺陷。扫描X射线干涉测量技术是微/纳米测量中的一项新技术，它正是利用单晶硅的晶面间距作为亚纳米精度的基本测量单位，加上X射线波长比可见光波波长小两个数量级，有可能实现0.01nm的分辨率。美国NIST和德国PTB分别测得硅（220）晶体的晶面间距为192015.560±0.012fm和192015.902±0.019fm。日本NRLM在恒温下对220晶间距进行稳定性测试，发现其18天的变化不超过0.1fm。实验充分说明单晶硅的晶面间距具有较好的稳定性。

图像识别与传感器技术：

图像识别测量过程包括：（1）图像信息的获取；（2）图像信息的加工处理，特征提取；（3）判断分类。计算机及相关计算技术完成信息的加工处理及判断分类，这些涉及到各种不同的识别模型及

数理统计知识。随着现在计算机技术的发展,各类算法的不断优化，软硬件水平不断上升，对图像的获取与识别也变得更为迅速而广泛。以机械系统为基础，线阵、面阵电荷耦合器件CCD或全息照相系统构成摄像系统；信息的转换由视频处理器件完成电荷信号到数字信号的转换；计算机及计算技术实现信息的处理和显示；回馈系统包括温度误差补偿，摄像系统的自动调焦等功能；载物工作台具有三坐标或多坐标自由度，可以精确控制微位移。

CCD传感器技术

非接触电荷耦合器件CCD是近年来发展很快的一种图像信息传感器。它具有自扫描、光电灵敏度高、几何尺寸精确及敏感单元尺寸小等优点。随着集成度的不断提高、结构改善及材料质量的提高，它已日益广泛地应用于工业非接触图像识别测量系统中。在对物体三维轮廓尺寸进行检测时，采用软件或硬件的方法，如解调法、多项式插值函数法及概率统计法等，测量系统分辨率可达微米级。也有将CCD 应用于测量半导体材料表面应力的研究。

2.现代测量技术的发展趋势：

1，精密化。2，自动化。3，智能化。4，集成化。5，非接触化。6多功能化。

3.个人见解：

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。因此我国的精密测量技术要持续发展，就必须在各学科上都要进行长期的发展，已经不单单是传统的机械行业了，在这里，机械这个古老的概念正在逐渐淡化，与之紧密相关的却是现代发展的高新产业。因此学习这门课程必须要放开远光，不单单集中于某一教材，而要学习各方面知识，把各个学科的知识紧密联系起来。

参考文献：

[1]李岩，《精密测量技术》》，中国计量出版社。

[2]赵伟,张小牛,孟浩文.网络化--测量技术与仪器发展的新趋势。

[3]海克斯康测量技术(青岛)有限公司,日本三丰部分技术文档。