三种常用的长度计量仪器直接或间接对针规的测量方法

1 试验原理和测量装置
1. 1 光学计和量块组合比较测量 光学计是一种精度较高、结构简单的常用光
学量仪，用量块作为长度基准，按比较测量法来 测量，其测量原理是利用光学杠杆放大原理进行 测量。试验测量装置如图 1 所示。
用光学计测量针规直径时，首先在光学计光 管与尾管的测杆上安装窄平面测头，调整测头的 平行度，使其长边处于水平位置，然后借助尾管 的调整螺钉使测帽的工作面相互平行。再选取适 当尺寸的量块，将量块放在光学计测头之间，组 合用的量块其长边应处于水平位置。调整 零 位， 先使测头与量块的测量面接触，在视场中能看见 刻线尺的像时，转动手轮使在目镜中看到的像与 指示线接近 （ 如图 1 （ b） 所示） ，然后微调转 动，使刻线尺的零刻线的影像与指示线重合 （ 如 图 1 （ c） 所示） ，多次按下拨叉，使零位稳定。 然后将被测针规放在两测头之间，测量其中的截
激光测径仪是利用激光扫描测量原理测量工 件的直径。激光器发出的光束通过多面体扫描转 镜和扫描光学系统形成与光轴平行的连续高速扫 描光束，对被置于测量区域的工件进行高速扫描， 并由放在工件对面 的 光 电 接 收 器 接 收 ， 投 射 到 光 电接收器上的光线在光束扫描工件时被遮断，此 时通过分析光电接收器输出的信号，可获得与工 件直 径 有 关 系 的 数 据。实 验 测 量 装 置 如 图 3 所示。
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针规检测方法的探讨
陈 欢，潘 璐，卢 歆
（ 浙江省计量科学研究院，浙江 杭州 310018）
摘要： 针规是孔的标准化检测的必备检具，精确地测量针规具有很重要的现实意义。文章介绍了三种常用的长
度计量仪器直接或间接的测量方法，对光学计、测长机和激光测径仪进行了比较，分析了产生误差的原因，并
作者简介： 陈 欢 （ 1982—） ，男，工程师；
收稿日期： 2015 － 02 － 09
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表 1 三种测量方法的优缺点对比
光学计和量块 组合比较测量
测长机 直接测量
激光测径仪 直接测量
优点
① 测量精度 高，最大 示 值 误 差 不超过 0. 5 μm；
1—底座； 2—立柱； 3—横臂升降螺母； 4、11、12—紧固螺钉； 5—横臂； 6—直角光管； 7—上下偏差调整螺钉； 8—目镜； 9—反光镜； 10—零调螺钉面； 13—偏心手轮； 14—测头； 15—拨叉； 16—工作台； 17—整螺钉。
图 1 光学计量针测量装置
面直径［2］。 1. 2 测长机直接测量
3 基于 LVDT 的数显针规测量装置的提出 和设计
图 3 激光测径仪示意图
当采用激光测径仪直接校准针规的直径时， 将被测针规放在仪器的 V 形架上，使截面对准激 光线，按 下 测 量 键，从 显 示 器 上 读 取 针 规 的 直径。
2 试验装置对比
三种针规测量装置优缺点对比如表 1 所示。
上述传统的针规测量方法存在测量过程繁琐、 耗时、测量结 果 稳 定 性 不 好、 成 本 高 等 缺 点。 本 文提出了 一 种 新 型 的 LVDT 数 显 针 规 测 量 装 置， LVDT 位移传感器具有分辨率高、温度漂移低、重 复性好以及在较宽的量程范围内均能实现较高线 性精度等优点。所以在保证测量精度和稳定性的 同时，能快速地测量工件。新型的 LVDT 数显针规 测量装置如图 4 所示。
参考文献： ［1］ 全国几何量长度计量技术委员会 . JJF 1207—2008 针
规、三 针 校 准 规 范 ［S］． 北 京： 中 国 计 量 出 版 社，2008. ［2］ 全国几何量长度计量技术委员会 . JJG 45—1999 光学 计检定规程 ［S］． 北京： 中国计量出版社，2000. ［3］ 全国几何量长度计量技术委员会 . JJF 1066—2000 测 长机校准规范 ［S］． 北京： 中国计量出版社，2000.
0. 3 ～ 0. 6 μm。 测量时，移动双测头 4 中 LVDT 测头与固定测
头轻轻接触，缓慢调整水平调整工作台 6，找到读 数的拐点 （ 最大值） 。LVDT 测头中产生的位移信 号，通过数据线到数据信号处理器 7，经放大电 路、A /D 转换成数字信号，然后在计算机系统软 件中置零设置后开始测量工作。把被测工件 8 放 置在等高 V 型架 5 上，下端面中心位置和固定测 头轻轻接触，上端面中心位置和 LVDT 测头接触， 转换后的数字信号在计算机系统软件中，直接读 取测量值。由 软 件 储 存、 分 析， 达 到 测 量 工 件 的 目的。
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1—Z 轴立柱； 2—Z 轴升降装置； 3—Z 轴微调装置； 4—双测头； 5—等高 V 型架； 6—水平调整工作台； 7—数据信号处理器； 8—被测件； 9—测量工作台；
10—辅助调整装置； 1wk.baidu.com—底座。
图 4 基于 LVDT 的数显针规测量装置
② 测量结果数 据稳定
测量方便、快 捷，能直接读出 测量结果
测量结果直接 显示 在 仪 器 的 屏 幕 上，非 常 快 捷， 相对 其 他 仪 器 测 量效率提高很多
图 2 测长机示意图
的位置，通过调整测头的平行度，使两球心连 线平行于测量轴线。然后拉动测轴使两测头轻 轻撞击，使示值稳定并调整到零位。移动测轴， 将被测针规放在两测头之间，测量其中的截面 直径。 1. 3 激光测径仪直接测量
本装置整体机械机构采用立式光学计的立式 机械机构框架； 运用了 LVDT 直线位移传感器，把 测长机的双测头测量模式引入本装置中，上下方 向安装； 引入激光测径仪中的 V 形架，并在其上 进一步设计加工，以便固定测头的安装，既保证 了被测工件的平稳放置，又不会对测量结果有影 响； 测量结果在工业数显屏上直观读取，并能储 存数据。
测长机是以线纹尺的刻度或光波波长作为已 知长度，利用机械测头进行接触测量的光学长度 测量工具，主要由精密机械、光学系统和电气部 分组成，可用于对零件外形尺寸进行直接测量和 比较测量［3］。试验测量装置如图 2 所示。
当采用测量机直接校准针规的直径时，测长 机的头 座 和 尾 座 测 量 杆 上 水 平 安 装 窄 平 面 测 头， 并使两测头相互接触，与此同时在读数装置上读 取示值，调节尾管 十 字 方 向 螺 钉 ， 使 示 值 尺 寸 向 大或向小方向移动，并在某一位置改变其运动 方向，并将 螺 钉 停 留 在 这 个 通 常 称 为 “拐 点 ”
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数显针规测量装置主要由双测头 4、数据信号 处理器 7、测量工作台 9 等部件所组成。底座 11 上安装 Z 轴立柱 1、测量工作台 9 和辅助调整装置 10，底座 11 的下面有 4 个安平螺钉用来调整底座 11 的水平位置。测量工作台 9 是用来承载和安放 水平调整工作台 6、LVDT 测头 4 等仪器的主要部 件和各种附件。水平调整工作台 6 通过螺栓固定 测量工作台 9 的前部位置，其中含圆形平面工作 台及固定辅助工作台，辅助工作台测杆上可以安 装固定测头 4，构成测量中的固定测点。Z 轴立柱 1 通过螺栓固定安装底座 11 的后部位置，通过 Z 轴升降装置 2 实现垂直方向上下移动的目的，由 Z 轴微调装置 3 进行精确定位。LVDT 测头 4 固定安 装在 Z 轴微调装置 3，构成测量中的移动测点。等 高 V 型架 5 安装辅助调整装置 10 左右两侧，用来 放置被测件 8，等高 V 型架底基准线低于固定测头
② V 形架调整 不 方 便，存 在 形 位误 差 及 安 装 误差；
③ 仪器特别 昂贵
由表 1 可以看出： （ 1） “光学计和量块组合比较测量” 能比较好 地满足测量精度要求，但是测量效率比较低，不 适合大工作量的检测任务。 （ 2） “测长机直接测量” 和 “激光测径仪直 接测量” 测量效率较高，但是由于测量装置本 身设计的特点，存在一定的局限性，一部分不 符合仪 器 特 点 的 被 测 件 无 法 得 到 理 想 的 测 量 结果。
缺点
① 测量时会
① 每 次 测 量， 产生侧向力，引
量块 都 需 要 研 合 入精度误差，造
组成 与 被 测 件 相 成读数不可靠；
等的尺寸，过程繁 ② 光 学 读 数
琐，测量时间长； 时 易 导 致 操 作
② 影响量块的 者眼睛疲劳，人
使用寿命
员主观误差
较大
① 对被测件要 求 较 高，有 一 定 的局限性；
且对现有的实验设备提出了改进设想，研制了一种新型的基于 LVDT 的数显针规测量装置。
关键词： 针规； 光学计； 测长机； 激光测径仪； LVDT
文献标志码： B
文章编号： 1002 － 1183 （ 2015） 04 － 0029 － 03
针 规 是 用 于 检 查 物 体 位 置、 测 量 孔 径 尺 寸、 检查两孔间距离以及测量孔的深度的常用检具， 具有使用简 单、 可 靠、 准 确 的 优 点， 主 要 材 质 为 合金钢和 硬 质 合 金［1］。 作 为 精 测 参 数 量 值 传 递 和 溯源的重要计量标准，针规测量装置的主要作用 是用来校准或检测针规，也可用于材料或零部件 的测量试验。 在 广 泛 的 技 术 领 域 中， 光 学 计、 测 长机和激光测径仪是最常用的检测针规的测量装 置。文章采用这三种测量装置，在相同的环境温 度下，进行对比试验，并对试验结果进行讨论。
本装置可 对 五 等 量 块、 量 棒、 钢 球、 线 形 及 平行平面状精密量具和零件的外型尺寸进行精密 测量，能适用大批量的检测工作，且装置成本仅 为激光测径仪的 1 /5 ～ 1 /3，双测头装置亦可作为 一个独立体，用于科研、生产过程控制及在线检 测中被测件微小位移的测量。
4 结论
文章介绍了光学计、测长机和激光测径仪三 种计量 仪 器 对 针 规 检 测 的 测 量 原 理 和 测 量 方 法， 分析了三种针规测量装置在测量中存在误差的原 因，并总结了 测 量 装 置 的 优 缺 点。 对 此， 我 们 引 入高性能的 LVDT 位移传感器等硬件，改进整体测 量结构，完善 测 量 方 法， 设 计 测 量 软 件， 提 出 一 种新型的基于 LVDT 的数显针规测量装置。本装置 结构 简 单， 操 作 方 便， 简 单 易 学， 读 数 直 观， 避 免了人为读数误差，提高了测量的精度。