精密测量原理与技术-1
《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
精密测量技术
精密测量技术一、背景研究跟着社会的发展，一般机械加工的加工偏差从过去的mm级向“ m级发展，精密加工则从 10 p,m级向炉级发展，超精美加工正在向nm级工艺发展。
由此，制造业对精美丈量仪器的需求愈来愈宽泛，同时偏差要求也愈来愈高。
精美丈量是精密加工中的重要构成部分，精美加工的偏差要依靠丈量正确度来保证。
目前，对于丈量偏差已经由“ m级向 nm级提高，并且这类趋向一年比一年迅猛[1] 。
二、概括现代精美丈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错学科，它和精美超精美加工技术相辅相成，为精美超精美加工供给了评论和检测手段；精美超精美加工水平的提高又为精美丈量供给了有力的仪器保障。
现代丈量技术波及宽泛的学科领域，它的发展需要众多有关学科的支持，在现代工业制造技术和科学研究中，丈量仪器拥有精美化、集成化、智能化的发展趋向，作为来世纪的要点发展目标，各国在微 /纳米丈量技术领域展开了宽泛的应用研究[1]。
三、丈量技术及应用特色3.1扫描探针显微镜1981年美国 IBM 公司研制成功的扫描地道显微镜 (STM), 将人们带到了微观世界。
STM 拥有极高的空间分辨率（平行和垂直于表面的分辨率分别达到 0.1nm和0.01nm,即可分辨出单个原子),宽泛应用于表面科学、资料科学和生命科学等研究领域 ,在必定程度上推进了纳米技术的产生和发展。
与此同时，鉴于 STM 相像原理与构造 ,接踵产生了一系列利用探针与样品的不一样互相作用来探测表面或界面纳米尺度上表现出来性质的扫描探针显微镜(SPM)，用来获取经过 STM 没法获取的有关表面构造和性质的各样信息,成为人类认识微观世界的有力工具。
下边介绍几种拥有代表性的扫描探针显微镜。
(1)原子力显微镜（ AFM ）:AFM 利用微探针在样品表面划过时带动高敏感性的微悬臂梁随表面起伏而上下运动 ,经过光学方法或地道电流检测出微悬臂梁的位移 ,实现探针尖端原子与表面原子间排挤力检测 ,进而获取表面容貌信息。
精密测量技术1-绪论-几何测量
精密测量技术主讲人：蒋永刚jiangyg@现代制造的内涵微/纳机械系统E0512 机构学与机器人E0501 E0502传动机械学机械测试 理论与技术 E0511制造系统与自动化E0510 E0503机械动力学零件加工制造E0509 E0504机械结构强度学机械摩擦学与表面技术E0505E0508 零件成形制造 E0507 E0506机械仿生学机械设计学可观测性是制造的前提！测量的概念测量技术的发展•精密测量技术是机械工业发展的先决条件之一。
•从生产发展的历史来看，精密加工精度的提高总是与精密测量技术的发展水平相关的。
–由于有了千分尺类量具，使加工精度达到了0.01mm；–有了测微比较仪，使加工精度达到了1μm左右；–有了圆度仪等；测量仪器、使加工精度达到了0.1μm;–有了激光干涉仪，使加工精度达到了0.01μm。
•目前国际上机床的加工水平已能稳定地达到1μm的精度，正在向着稳定精度为纳米级的加工水平发展，表面粗糙度的测量则向亚纳米级的水平发展。
纳米技术正在形成新的技术热点。
•材料、精密加工、精密测量与控制是现代精密机械工程的三大支柱。
•目前在基础工业的某些领域，例如研究切削速度与进刀量对加工误差的影响、摩擦磨损等，精密测量已成为不可分割的重要组成部分。
• X射线干涉仪的工作台能在10 nm的分辨力下连续移动，而且在50 mm的位移行程上的角偏量为千分之几的秒级。
•在高纯度单晶硅的晶格参数测量中，以及对生物细胞、空气污染微粒、纳米材料等基础研究中，无不需要精密测量技术。
•激光直写 DWL2000•计量技术发展的趋向有以下几个方面：• 1、从实物基准到自然基准•米的定义的沿革：“米”作为长度计量单位起源于1790年，当时法国国民议会采纳了达特兰提出的“以经过巴黎的地球子午线自北极至赤道这段弧长的一千万分之一为一米”的建议。
• 1799年，巴黎科学院完成了从法国的敦科尔克经过巴黎到西班牙的巴尔雪隆纳这一段子午线的实测工作，并按照测量结果所得的1米的长度制作了一把米尺，作为长度计量基准。
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。
精密检测技术
精密检测技术
模块一 模块二 模块三 模块四 模块五 模块六 模块七 模块八 模块九 正弦规 自准则测量仪 投影仪 卧式测长仪 光学分度头 万能工具显微镜 万能测齿仪 三座标测量仪 电动轮廓仪
中国航空工业贵州高级技工学校
模块一 正弦规
任务：用正弦规测量V型组合体 知识点： 正弦规的结构 正弦规的规格及选用标准 正弦规的工作原理 技能点： 正确选用正弦规 使用正弦规正确测量V形组合体
中国航空工业贵州高级技工学校
三、任务实施
1、量具与测量仪器的选用 2、操作步骤 第一步 测量长度尺寸。
（1）测量前检查仪器各部分，清洗工件，选好物镜照明方式，打开照明开关。 （2）根据工件大小和形状复杂程度，选择放大倍率为10的物镜，按图纸参数乘 倍率绘制“标准图样”及公差带，并固定在投影屏上。 （3）把工件置于工作台上，升降工作台，使工件在投影屏上清晰成像。 （4）移动工作台和旋转投影屏，使投影屏上的工件影像与“标准图样”重合，检 查工件是否合格。如有偏差有，可用普通玻璃尺直接测量偏差量，也可以 利用工作台的纵、横向读数装置进行测量。 第二步 测量角度尺寸。 （1）松开手轮，旋转投影屏使其上刻线与零位指标板的刻线对齐，此时投影十 字线与工作台X、Y坐标平行。 （2）将工件放在工作台适当部位，转动投影屏，使米字纵向虚线压线，数显箱 角度清零。 （3）再转动投影屏并移动工作台，使米字线压线，这时数显箱上的角度显示值为 工件的实际角度。（投影屏上刻有30°、60°、90°刻线，可直接进行比较）
4、正弦规的选用
测量时，选用正弦规的规格由零件的尺寸大小所决定。
一般以工件的长度和宽度不超出工作台面为宜，而
且在圆柱下方垫量块后正弦规应平稳无晃动，量块平
面应与圆柱轴线平行。
1.1 掌握精密测量的重要基础知识
实现按部位或范围 （独立部件或机构）
分类
几何参数互换性 功能互换性 完全互换 概率互换 分组互换 调整互换 修配互换 外互换 内互换
互换性特征
对几何参数规定公差 对功能参数规定公差
100%满足 以接近于1的概率满足 组内零件满足 更换或改变调整环位置
去掉调整环的多余材料 独立部件与相配件之间
互换性的基本概念
什么叫互换性
定义：是指在同一规格的若干个零件或部件 中任取一件，不需作任何挑选、修配或调整， 就能装配到机器或仪器上，并能满足机器或仪 器的使用性能的特性。或者说，同一规格的零 部件，按规定的要求分别制造，能彼此相互替 换并能保证使用要求的特性。
机械设计概述
总体 分析机器 设计 功能要求
按公差生产，可以将一些标准件，通用件，集中在 专门工厂用专用设备或计算机辅助加工，从而实现 制造生产的专业化和自动化，然后集中在专门工厂 装配，产品、产量和质量能充分保证，并降低成本。
（2）另部件磨损后，用具有互换性器件代替（活塞、 活塞环）可保证机器工作的连续性和持久性，提高 设备使用价值。
（3）装配时，可用流水线自动作业，减轻劳动强度， 提高劳动生产率。
为使产品的参数选择能遵守统一的规律，使参 数选择一开始就纳入标准化轨道，必须对各种技术 参数的数值作出统一规定。《优先数和优先数系》 国家标准(GB321—80)就是其中最重要的一个标准， 要求工业产品技术参数尽可性
支臂内孔 钻头
量规
升降螺母
螺纹底孔 丝锥
立柱直径 调节螺母直径
达到互换性有二个方法：
（1）一批零件的实际参数（尺寸，形状，硬度，弹 性，材料及其物理参数）其所有数值均等于其理论 值，即器件完全相同，装配时任取一件，效果均相 同——广义完全互换。
精密测量技术使用教程
精密测量技术使用教程精密测量技术在现代工业领域的应用越来越广泛，它能够确保产品质量，提高生产效率，降低资源浪费。
本文将为大家介绍几种常见的精密测量技术，并详细说明它们的使用方法和注意事项。
一、光学测量技术光学测量技术是一种非接触式的测量方法，适用于形状和尺寸高度精确度要求较高的物体。
在光学测量技术中，常用的设备包括投影仪、激光测距仪、光学显微镜等。
1. 投影仪的使用方法：将待测物体放置在投影仪的工作台上，调节投影仪的放大倍率和焦距，通过光源将物体的影像投射在投影屏上，然后利用目测或影像测量仪器测量物体的尺寸。
2. 激光测距仪的使用方法：将激光测距仪对准待测物体，触发测量按钮，激光测距仪会发射一束激光，并根据激光的反射时间计算出物体到激光测距仪的距离。
使用时需注意避免激光直接照射眼睛，防止损伤视力。
3. 光学显微镜的使用方法：将待测物体放置在光学显微镜的台座上，调节显微镜的焦距和目镜的距离，通过放大镜片观察物体，并使用目镜刻度盘测量物体的尺寸。
二、电子测量技术电子测量技术使用电子元件来实现测量，具有高精度和高分辨率的特点。
在电子测量技术中，常用的设备包括数字电压表、示波器、频谱仪等。
1. 数字电压表的使用方法：将待测电路与数字电压表相连接，通过选择合适的测量范围和电压档位，读取数字电压表上的显示数值。
使用时需注意避免电流过大，导致数字电压表烧毁。
2. 示波器的使用方法：将待测信号与示波器相连接，选择合适的时间和电压基准，调节示波器的触发方式和触发电平，观察示波器屏幕上信号的波形和幅度。
3. 频谱仪的使用方法：将待测信号与频谱仪相连接，选择合适的频率范围和分辨率带宽，观察频谱仪屏幕上的频谱图，并分析信号的频率分布和幅度快速变化。
三、机械测量技术机械测量技术是一种基于机械构件的测量方法，适用于测量物体的形状、尺寸和表面粗糙度。
在机械测量技术中，常用的设备包括游标卡尺、千分尺、测高仪等。
1. 游标卡尺的使用方法：将待测物体夹在游标卡尺的两个测头之间，通过读取刻度盘上的数值，测量物体的线性尺寸。
精密测量中的光学干涉技术
精密测量中的光学干涉技术光学干涉技术是一种基于光的干涉现象实现测量和检测的方法。
在精密测量领域，光学干涉技术被广泛应用于长度、角度、表面形貌等参数的测量。
本文将介绍光学干涉技术在精密测量中的应用以及其原理和发展。
一、光学干涉技术的原理光学干涉是指两束或多束光波相互叠加产生干涉图样的现象。
光学干涉技术利用光的波动性和干涉现象来实现测量和检测。
其原理可以概括为以下几点：1. 波动性：光是一种电磁波，具有波动性质。
光的传播遵循波动方程，根据不同的波长和频率，光可以传播为长波、短波以及可见光等不同类型。
2. 干涉现象：当两束或多束光波相遇时，它们会相互干涉叠加，形成干涉图样。
在干涉图样中，可以观察到明暗交替的条纹，这些条纹代表了两束光波的相位差和干涉程度。
根据干涉图样的变化，可以得到被测量物体的信息。
3. 波前成像：在光学干涉技术中，光波的波前形状是重要的测量对象。
通过测量光波的波前形状，可以得到被测量物体的表面形貌、形状、尺寸等参数。
二、光学干涉技术在精密测量中的应用1. 长度测量：光学干涉技术被广泛应用于长度测量领域。
通过调节参考光路和待测光路的光程差，可以实现高精度的长度测量。
其中，白光干涉仪和激光干涉仪是常用的光学测量仪器。
2. 角度测量：在角度测量中，光学干涉技术可以通过测量旋转的圆盘或平台上条纹的变化来确定角度的大小。
例如，倾斜式干涉仪和角度干涉仪都是常见的用于角度测量的光学装置。
3. 表面形貌测量：光学干涉技术可以用于检测物体表面的形貌和形状，如光学轮廓仪、激光扫描测量仪等。
这些设备能够高精度地测量物体的表面轮廓和几何形状，应用于工业制造、医学、材料科学等领域。
4. 折射率测量：光学干涉技术还可以用于测量光学介质的折射率。
利用干涉图样的变化特征，可以计算出被测介质的折射率值。
三、光学干涉技术的发展随着科技的进步和需求的不断增加，光学干涉技术也在不断发展和改进。
以下是一些光学干涉技术的发展趋势：1. 多波长干涉技术：通过使用多个波长的光源，可以实现更高精度的干涉测量。
精密水准测量技术的原理与操作方法
精密水准测量技术的原理与操作方法水准测量是一种用于测量地球表面地点高程差异的技术。
精确测量地点的高程差异对于土木工程、测绘学和建筑设计等行业来说具有重要意义。
在过去的几十年里，精密水准测量技术得到了长足的发展与改进，从传统的光学水准仪到现代的全自动数字水准仪，这些技术的原理和操作方法在本文中将得到详细探讨。
水准测量的原理基于物体间尺度间的差异和重力的作用。
对于一个水平的测量线，沿着该线的任何两个点之间的垂直差距可以通过测量两点之间的水平线即得。
这种原理非常简单，但是精确地测量水准线需要考虑多种因素，包括大气条件、地球形状和背景光线的影响。
在现代精密水准测量技术中，使用的主要仪器是全自动数字水准仪。
这种仪器通过自动调节水准线并记录测量结果来提供高精度的测量。
全自动数字水准仪包含了精密的倾斜仪、高精度的光学元件和数字化的数据记录系统。
它通过测量水平线的偏移角度和距离差异来确定两个测量点之间的高度差。
操作全自动数字水准仪需要按照一定的步骤进行。
首先，需要选择和设置测量的参考点。
这个参考点通常是已知高程的固定测点，比如测量基点。
然后，在测点上安装并调整水准仪，使其水平。
这一步骤需要使用水平平台或水平仪来辅助水准仪的调整。
调整完成后，可以开始测量。
精密水准测量中的测量过程通常分为两个阶段：前视和回视。
前视是从已知高程点向未知高程点测量的过程。
回视是从未知高程点回到已知高程点的过程，以检查前视过程中的误差。
前视和回视会交替进行，以提高测量的准确性。
在测量过程中，需要注意大气条件对测量的影响。
大气因素会引起光线的折射和偏差，从而影响测量结果。
因此，在进行精密水准测量时，需要考虑大气折射的修正。
这可以通过定期进行大气校正和测量模型的使用来实现。
此外，还需要在操作全自动数字水准仪时注意其他因素的干扰，比如地形起伏和物体遮挡。
这些因素会影响测量仪器的放置和目标的选择，可能导致测量结果的偏差。
因此，在进行测量前，必须对测点周围的环境进行彻底检查，并采取相应措施来减少干扰。
精密测量实验指导书讲解
实验一技术测量基础一、实验目的1. 掌握内外尺寸测量的测量方法2.掌握常用尺寸测量仪器的测量原理、操作使用。
二、实验内容概述机械零件的尺寸测量是一项很重要的技术指标。
因此，尺寸的测量在技术测量中占有非常重要的地位。
尺寸的测量可分为绝对测量和相对测量。
绝对测量是指从测量器具的读数装置上可直接读得被测量的尺寸数值，例如用外径千分尺、游标卡尺和测长仪等测量长度尺寸。
相对测量是指从测量器具的读数装置上得到的是被测量相对标准量的偏差值，例如用内径百分表测量内孔的直径。
三、实验设备及测量原理3.1、游标尺游标尺由主尺和游标组成。
主尺的刻线间距为lmm，游标的刻线间距比主尺的刻线间距小，其刻线差值(分度值)有0.1、0.02、0.05mm三种。
在生产中直接用游标尺测量工件的外径、内径、宽度、深度及高度尺寸，应用相当广泛。
游标尺按用途分有，游标卡尺、游标深度尺和游标高度尺(附图l—1)三种。
附图l—1游标尺(a)-游标卡尺1-主尺；2框架；3-调节螺母；4-螺杠；5-游框；6-游标；7、8、9、10-量爪；11、12-锁紧螺母（b）-游标深度尺1-主尺；2-调节螺母；3-游框；4-横尺；5、7-锁紧螺母；6-游标（c）-游标高度尺1-底座；2-游框;3、4-锁紧螺母；5-主尺；6、9-量爪；7-调节螺母；8-游标附图1—2和附图l—3所示的是数显卡尺和数显高度尺。
附图1-2 数显卡尺 附图1-3 数显高度尺 1．刻度原理设游标的刻线间距数为n ，刻线间距为b ，主尺的刻线间距数为n-1，刻线间距为a(a=1mm),则游标长度L=nb=(n-1)a 1n b a n -= 游标分度值 1n ai a b a a n n -=-=-=如分度值为0.1mm 的游标尺。
取主尺上的9格(9mm)长度，在游标上刻成10格，则游标的刻线间距为910mm ，游标分度值i=1-910=0.1mm 。
为了使游标的刻线间距不致过小,读数时清晰方便，可把游标的刻线间距增大，如分度值i=0.1mm 的游标尺。
M106103《精密测量技术》课程教学大纲
《精密测量技术》课程教学大纲Precision Measurement Technology课程代码：M106103总学时：54 学分：3一、课程的地位与任务本课程为测控技术与仪器专业光电检测与控制方向的专业必修课，通过该课程的学习，融会贯通各门专业基础课程，系统掌握各类几何量测量的基本原理和方法，了解现代计量测试新技术。
通过本课程学习，培养学生具有计量测试的基本知识，能够依据被测量的技术要求拟定合理的测量方案，实施测量并分析处理测量结果，完成一个测试的全过程，何参量精从而具有初步解决工程测量中几密测试问题的能力。
二、课程的基本内容第一章绪论4学时1、精密测量技术的发展概况2、公差基础知识3、测量的基本概念4、测量方法的选择12学时第二章长度尺寸的测量1、长度的基准与标准2、量块的检定3、线纹尺的检定4、光滑极限量规5、轴类零件测量6、孔类零件测量7、大尺寸测量及新技术发展6学时8、微小尺寸测量及纳米测量技术第三章角度测量1、角度的实用基准2、角度和锥度的测量心」6学时3、小角度测量技术4、新型角度传感器第四章表面粗糙度的测量1、表面粗糙度的评定参数2、表面粗糙度的测量方法3、微观形貌测量新技术的发展第五章形位误差测量12学时1、直线度误差测量及准直技术的新发展2、平面度误差测量3、圆度误差测量4、平行度位置误差测量5、垂直度位置误差测量6、同轴度位置误差测量7、误差分离技术8、形位公差与尺寸公差的关系第六章螺纹测量6学时1、螺纹测量基础2、普通螺纹的综合检验3、螺纹的单项测量4、丝杠的测量第七章圆柱齿轮测量8学时1、概述2、齿轮单项测量3、齿轮综合测量4、齿轮整体误差测量三、课程的基本要求1、了解精密计量与测试发展概况，熟悉量值传递系统，掌握长度计量检定基本内容。
2、理解几何量测量的基本原则，对拟定测试方案的全过程有一个全面的认识。
3、掌握工程测量中各种几何量参数的测量原理、数据分析及误差分析，了解各种常用仪器的技术指标。
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本文部分内容来自网络整理，本司不为其真实性负责，如有异议或侵权请及时联系，本司将立即删除！== 本文为word格式，下载后可方便编辑和修改！ ==精密测量实验指导书篇一：精密测量实验指导书实验一技术测量基础一、实验目的1. 掌握内外尺寸测量的测量方法2. 掌握常用尺寸测量仪器的测量原理、操作使用。
二、实验内容概述机械零件的尺寸测量是一项很重要的技术指标。
因此，尺寸的测量在技术测量中占有非常重要的地位。
尺寸的测量可分为绝对测量和相对测量。
绝对测量是指从测量器具的读数装置上可直接读得被测量的尺寸数值，例如用外径千分尺、游标卡尺和测长仪等测量长度尺寸。
相对测量是指从测量器具的读数装置上得到的是被测量相对标准量的偏差值，例如用内径百分表测量内孔的直径。
三、实验设备及测量原理3.1、游标尺游标尺由主尺和游标组成。
主尺的刻线间距为lmm，游标的刻线间距比主尺的刻线间距小，其刻线差值(分度值)有0.1、0.02、0.05mm三种。
在生产中直接用游标尺测量工件的外径、内径、宽度、深度及高度尺寸，应用相当广泛。
游标尺按用途分有，游标卡尺、游标深度尺和游标高度尺(附图l—1)三种。
附图l—1游标尺(a)-游标卡尺1-主尺；2框架；3-调节螺母；4-螺杠；5-游框；6-游标；7、8、9、10-量爪；11、12-锁紧螺母（b）-游标深度尺1-主尺；2-调节螺母；3-游框；4-横尺；5、7-锁紧螺母；6-游标（c）-游标高度尺1-底座；2-游框;3、4-锁紧螺母；5-主尺；6、9-量爪；7-调节螺母；8-游标附图1—2和附图l—3所示的是数显卡尺和数显高度尺。
附图1-2 数显卡尺附图1-3 数显高度尺1．刻度原理设游标的刻线间距数为n，刻线间距为b，主尺的刻线间距数为n-1，刻线间距为a(a=1mm),则游标长度L=nb=(n-1)a游标分度值 i?a?b?a?n?1na?anb?n?1na如分度值为0.1mm的游标尺。
精密工程测量
A (XA,YA)
OB
OA
2
O
(XO,YO)
D
B
(XB ,YB)
➢ 2，将经纬仪或全站仪安置于已知点O上，后视已知点A，
测设角度β，得到方向OB，然后在此方向上测设距离D，
设立标志作为B点的设计位置。
极坐标法
➢ J、K为已知导线点，P为某设计点位。在J点用极坐标法测
设P点，J，K、P的坐标分别为J（746.202，456.588）、K
一些工程中的精度要求
名称
精度要求 实现精度 采用方法
1.大坝变形监测
坝基水平位移
0.3
0.3
倒垂，真空激光准直
坝顶水平位移
1.0
1.0
张引线、正锤、激光准直、GPS技术
坝体位移
1.0
坝体垂直位移
1.0
1.0
精密水准、静力水准
坝体裂缝
0.2
0.2
裂缝仪、应变计
坝基倾斜
1.0”
1.0”
精密水准、静力水准、电子倾斜仪
❖ 1、对工程区的环境条件、工程及水文地质、气候的特点
进行详细的分析及描述，并分析总结这些条件对测量作业
的影响。要全面完整地掌握该地区已有的测量资料，分析
和评定这些资料的精度和利用价值；
❖ 2、工程区基准的确定，在详细进行精度分析和遵循有关
“规范”条款的基础上，兼顾整个工程区建设的需要，提
出控制方案和实施方法，以及对精度进行预估等；
❖ 3、 确定出测量中的关键精度所在，并结合自己的经验以
及广泛吸收同类工程成功的实例，提出数个实施方案。实
施方案包括采用的仪器、测量的方法、关键技术的解决内
容、预期精度的估计，以及不同方案的比较；
精密测量理论与技术基础第1章 绪论
第一章 绪 论
二、精密测量技术及仪器发展的若干趋势
二、精密测量技术及仪器发展的若干趋势
2.1 测量精度亚纳米量级，测量尺度纳米量级
机械加工精度发展
0.7nm-0.8nm
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二、精密测量技术及仪器发展的若干趋势
大口径光学元件形面的高精度测量
45nm光刻机使用的浸没透镜
➢口径：300mm ➢波长：193nm ➢数值孔径：大于1 ➢镜片数量：40-60片
专业知识
各种测量技术、测控系统智能化、自动化、网络化、集成 化设计，现代新技术的集成应用等
精密测量理论与技术基础课程目标
➢ 测量的基本概念、测量标准、量值传递与溯源； ➢ 各种测量方法，测量系统的组成及其静动态特性； ➢ 误差理论、测量不确定度的评定方法及相关的数据处
理方法。 ➢ 掌握各种被测量的基本概念、常用测量方法、各种方
第一章 绪 论
一、计量学基础知识
测量、计量的国内外术语定义对比
➢ JJF1001－2011《通用计量术语及定义》
✓ 测量（measurement）： 通过实验获得并可合理赋予某量一个
或多个量值的过程。
✓ 计量（？）：实现单位统一、量值准确可靠的活动（中国特色，
习惯上唯有计量部门从事的测量才被称作“计量”）
ZEISS Starlith 1700i 浸没物镜
单片透镜（最大口径达 到300mm）的面形精度要 求达到1nm
数十片透镜的装配精度 在纳米量级
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二、精密测量技术及仪器发展的若干趋势
最小粒子探测的发展
基本粒子的尺度
第一张原子分辨STM 图像（1983，Binnig & Rohrer）Si(111)表 面的7×7重构
精密测量原理与技术
原子力显微镜 纳米探针
共焦显微法 共轭成像
离焦检测法 外差干涉法 微分干涉法
共轭成像 频率调制 偏振干涉
Mirau干涉法 干涉显微
纵向分辨率 横向分辨率 纵向测量范围 备 注
0.1nm
0.2um
800um
英国国家物理 试验室
0.001nm 1 nm
75 um
IBM苏黎世实 验室
0.01nm
20 nm
基本技术指标
测量精度 测量范围 测量分辨率 测量的重复性 测量速度
光学仪器
放大率 数值孔径 视场 工作距离
接触式仪器
接触力
二、现代精密测量技术
（1）坐标测量机
日本东京大学的Takamatsu教授于1995年开始的Nano-CMM 机台采用传统CMM缩小化的原理，移动桥式机台由摩擦轮做横向推动，
工作原理：XY平台采用线性电机驱动，丝杆副传动的两个一轴运动台堆 栈组合，虽用光纤导引的激光干涉仪测量定位，但因存在固有的运动误 差，需加装PZT微动台来补偿，供SPM探头做三维定位测量。测量范围为 25mm×25mm×5mm，各轴分辨率均为1.24nm。
德国PTB的Special CMM
WYKO公司的TOPO表面测量原理
美国veeco公司的NT9800 工作原理：垂直扫描白光干涉测量 测测量重复性：0.01nm
微纳米级精密测量技术
非光 学测 量法
光 学 测 量 方 法
测量方法
原理
触针法
金刚石触 针
扫描隧道显微 量子力学 镜
激光干涉仪测量位置与双激光干涉仪测量角度 测量范围： 25*40*25 mm 测量不确定度 < 0.1 um 二维和三维双测头
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减小操作者带来的认为误差
减小测量基准件及标准件的误差
减小测量力引起的误差
减小其他主客观因素造成的误差
仪器的技术指标
基本技术指标
测量精度 测量范围 测量分辨率 测量的重复性 测量速度 放大率 数值孔径 视场 工作距离 接触力
光学仪器
接触式仪器
德国PTB的Special CMM
激光干涉仪测量位置与双激光干涉仪测量角度 测量范围： 25*40*25 mm 测量不确定度 < 0.1 um 二维和三维双测头
台湾大学范光照教授设计的小型三坐标测量机 工作原理：长行程的XY精密定位则采用美国Anorad公司的压电陶瓷线性 马达加以驱动，行程可达20mm范围及5nm的微步。各轴机台边安装一 维精密衍射干涉激光位置测量系统，作为线性马达的双轴位移感测。X平 台上放置一PZT驱动的XY微动平台以补偿线性马达的定位误差。
扫描探针显微镜(SPM) 包括原子力显微镜(AFM)、扫描隧道显微镜（STM）和扫描近场光学显微镜 AFM的工作原理：基于探针与样品之间的原子相互作用力。探针置于悬臂梁 上，利用光学杠杆法测出悬臂梁在原子力作用下的变形，便可测出被测表面的 形貌。AFM的纵向分辨率可达0.01nm，但横向测量长度很小，仅达到10µm， 因此AFM常被用来测量线条的宽度，较少用于测量表面形貌。
WYKO公司的TOPO表面测量原理
美国veeco公司的NT9800 工作原理：垂直扫描白光干涉测量 测量范围：0.1nm~10mm，垂直分辨率：0.1nm 测量重复性：0.01nm
微纳米级精密测量技术
测量方法 非光 学测 量法 触针法 原理 金刚石触 针 纵向分辨率 0.1nm 0.001nm 0.01nm 1-5nm 1nm 0.1nm 0.1nm 0.1nm 横向分辨率 0.2um 1 nm 20 nm 1 um 0.65um 2 um 1 um 1um(10×) 纵向测量范围 备 注 800um 75 um 10 um ±250 um ±500 um <±λ/4 4 um 美国Rochest 大学 德国Feinpruf 公司 德国UBM公司 英国国家物理 试验室 IBM苏黎世实 验室
激光相位光栅干涉式表面轮廓测量仪
激光器发出的光垂直入射在全息衍射光栅上，衍射后的两束光分别经反 射镜反射在分光镜出交汇并发生干涉。触针随被测表面的轮廓上下运 动，从而带动圆心在转动支点的柱面全息衍射光栅转动，引起干涉条纹 的移动，通过计数转换得到触针的垂直位移。 英国Taylor-Hobson公司的Form Talysurf PGI系列激光相位干涉粗糙度 轮廓仪，最大测量范围可达12.5mm，分辨率可高达0.8nm
特点：
意义： 精密加工、精密测量与控制是现代精密工程的三大支柱。
¾ ¾
千分尺类量具：0.1mm；测微比较仪：1um左右； 圆度仪等精密测量仪器：0.1um；激光干涉仪：0.01um。 目前半导体加工技术已达45纳米线宽，定位要求占线宽的1/3，就要 求15纳米量级的精度。
微加工领域：
¾
发展趋势:
（2）微纳米级精密测量技术
激光干涉式表面轮廓测量仪
工作原理：触针以一定的速度沿被测表面移动，被测表面的凹凸不平引起触针 垂直方向上的运动，从而引起两束光的光程差改变。通过对干涉条纹移动个数 的计数，得到光程差的变化，计算出触针的垂直位移。 华中科技大学仪器系研制的LI型激光干涉式表面轮廓测量仪的垂直测量范围可 达±3mm，垂直分辨率为0.005μm。
美国MIT与北卡大学于1998年开始合作研制了原子级(Subatomic)精密运 动控制台，作为AFM探头操作式的双轴定位平台 工作原理：磁浮驱动，激光干涉仪感应位置，测量范围为 25mm×25mm×0.1mm，横向分辨率达0.1nm，重复性达1nm，总体精 度为10nm。其工作原理如图1-2：它依靠六个电磁致动器和六个电容传 感器的合理配置，提供控制力和位移反馈，该工作台能实现三维六自由 度的精密运动。
3.
4.
2、基本理论——测量误差
系统误差：数值符号和大小相对固定、或按一定规律变化的误 差。——标定 随机误差:误差的绝对值与符号均不定。 温度波动，测量力不恒定等。 粗大误差:超出在规定条件下预计的误差。 υ i > 3σ 3σ准则： 肖维勒准则：残余误差满足|vi|＞Zcσ，一般Zc<3
扫描隧道显微 量子力学 镜 原子力显微镜 纳米探针 共焦显微法 离焦检测法 外差干涉法 微分干涉法 Mirau干涉法 共轭成像 共轭成像 频率调制 偏振干涉 干涉显微
光 学 测 量 方 法
<±λ/4(PSI) 美国Veeco公 0.1-8mm(VSI) 司
德国Пmenau大学Jäger教授研制的三维定位及测量机台 工作原理：XY平台采用线性电机驱动，丝杆副传动的两个一轴运动台堆 栈组合，虽用光纤导引的激光干涉仪测量定位，但因存在固有的运动误 差，需加装PZT微动台来补偿，供SPM探头做三维定位测量。测量范围为 25mm×25mm×5mm，各轴分辨率均为1.24nm。
P±σ = 68.27% P± 2σ = 95.45% P± 3σ = 99.73%
评定随机误差:极限误差
Δ lim = ±3σ理论——测量原则
减小原理误差
阿贝原则：在长度测量中，应将标准长度量(标准线)安放在被测长度量 (被测 线)的延长线上。 基准统一原则：测量基准要与工艺基准和装配基准统一。 最短测量链原则：应尽量减少测量链的组成环节，减小各环节的误差。 最小变形原则：要求测量器具与被测零件之间的相对变形最小。 封闭原则：判断系统误差 重复原则：判定测量结果可靠性和稳定性。
精密测量原理与技术
一、精密测量的理论 二、现代精密测量技术 三、精密测量的基本原理 四、微纳三维表面测量技术
一、精密测量理论
1、概述
课程范围：工程领域的几何量测量，如长度、尺寸的测量
长度测量：单频激光干涉仪、双频激光干涉仪 尺寸：三坐标测量仪、圆度仪、直线度仪、表面形貌测量仪等 精度高，毫米→微米→纳米 涉及光学、机械、电子、信息、物理、化学等多种技术
二、现代精密测量技术
（1）坐标测量机
日本东京大学的Takamatsu教授于1995年开始的Nano-CMM 机台采用传统CMM缩小化的原理，移动桥式机台由摩擦轮做横向推动， 当摩擦轮转动时，通过摩擦轮与摩擦杆之间的静摩擦力带动摩擦杆沿着 摩擦轮的切线方向运动。 特点为二维运动台共平面设计，所设计的接触式光学感应探头直径为 50µm，具有10nm的分辨率，测量范围为10mm×10mm×10mm，位移 重复性为20nm，总体精度为50nm。
Veeco公司的Multimode Nanoscope III a SPM原子力显微 镜的横向分辨率为0.1nm，垂直分辨率为0.01nm。
相移干涉法 工作原理：利用压电驱动器改变参考光路和测量光路的光程差，在两束 相干光束间引入相位差，引起干涉图像的变化，通过多幅图像获得干涉 场中各点的光强变化，计算得到初始相位差，从而重构表面的轮廓信 息。相移干涉法的精度可达λ/1000，只需很少的图像就能计算出相位信 息，采集和计算速
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高精度：精度由微米级向纳米级发展，同时提高分辨率要求。 高速度高效率：Renishow ML10激光干涉仪测量范围80m，测量 速度1m/s 、分辨率0.001μm；点测量向面测量过渡。 利用微制造技术、纳米技术、计算机技术、新材料等新技术， 研究智能化、集成化、标准化、小型化仪器。 实现各种溯源的要求。如自标定、自校准，特别是纳米溯源问 题。———测量的可靠性