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提高光电自准直仪分辨率及精度的研究
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提高光电自准直仪分辨率及精度的研究
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第二章 自 准 直 仪学习目标:1.熟悉自准直测量原理； 2.了解自准直仪的三种基本光学系统； 3.熟悉平直度检查仪的光路原理与测微原理， 在此基础上，了解光电自准直仪和激光准直仪的 基本工作原理； 4.结合实训，掌握平直度检查仪的操作使用。1仪器用途:自准直仪是一种光学测角仪器它是利用光学自准直原理来观测目标位臵的变化，广泛应用于直线度和平面度的测量。它和多面棱体配合可以检测分度机构的分度误差；此外，还可测量零部件的垂直度、平行度等。2第一节一、平行光管原理如图2—1所示:自准直测量原理当位于物镜焦面上的分 划板被光源照亮后，从分划 板上发出的光，经过物镜后， 即形成平行光，这样的光学 系统结构，就叫做平行光管。二、自准直光管原理图2—2为自准直光管的工作原理:3图2-2 自准直光管的工作原理十字线与其倒像之间将错开距离t为： t---称为偏离量 当α很小时，t ? f ? tan 2?t ? 2 f?4三、自准仪的测微原理应用自准直光管的工作原理，再加上测微机构而设计 制造的计量仪器，被称之为自准直仪。 只要用自准直仪的测微机构测出上式中距离t,就可得 出反射镜的角度变化值。这就是自准直仪测量微小角度的基本原理。5第二节 自准直仪的三种基本光学系统自准直仪通常由三部分组成:1.体外反射镜2.物镜光管部件3.测微目镜部件由于分划板和各个光学元件的位置、结构不同，自准直仪有以下三种基本光路。6一、高斯型自准直仪（一）光路原理如图2—3所示，如果反射镜严格与光轴垂直，则十字线在分划板上所成的像与原来的十字线完全重合。若反射镜有一微小转角 α ，则十字线 的像将偏离原来的十字线，其偏离量的大 小可 从测微目镜6中读出。7图2－3 高斯型光学系统1-反射镜；2-物镜；3-分划板； 4-光源；5-分光镜；6-目镜8（二）高斯型系统特点优 点：高斯型系统是目镜视场不受遮挡，且分划板上 的刻划位于视场正中，观察方便。 缺 点：是亮度损失大，因而自准直像较暗；另外，为安 臵分光镜，目镜焦距较长，因而无法获得较大的放大倍数。 高斯型主要应用于普通光学自准直仪的光学系统。9二、阿贝型自准直仪（一）光路原理 见图2—4（二）阿贝型系统特点优 点：是光强度大，亮度损失只有10-15%缺 点：是它的视场被胶合棱镜遮挡了一半，又因光管出射光和反射光的方向不同，当反射镜和物镜间的距离超过 一定数值后，反射光线就不能进入物镜成像，所以仪器工作 距离较短。阿贝型应用于光学计的光学系统。10图2-4 阿贝型光学系统 1-物镜；2-分划板；3-棱镜；4-光源；5-反射镜 若平面反射镜对光轴产生微小转角α ，则十字线像将 发生偏离，偏离量可从刻度尺上读出。11三、双分划板型自准直仪（一）光路原理 如图2—5所示，（二）双分划板型系统特点优 点: 是视场不被遮挡，刻线可位于视场中央；目镜 焦距短，可获得较大的放大倍率。另外目镜和光源可互换位 臵，给使用带来方便。 缺 点: 是结构比较复杂，亮度损失较大（介于前两者 之间）。12图2-5 双分划板型光学系统 1-物镜；2-指示分划板；3-立方直角棱镜；4-刻度分划板若平面反射镜对光轴有偏转，将引起自准直像偏离十字 线，由测微机构测出其偏离量，即可得出反射镜对光轴的偏 转角。13第三节 HYQ—03型自准直仪HYQ—03型自准直仪常称平直度检查仪，是国 产自准直仪中应用较多的一种（以下称平直度检查 仪）。 一、仪器光学系统（一）光路原理 如图2—6所示 思考：该平直度检查仪的光学系统是属于哪种基本光路?14图2-6 平直度检查仪光学系统1-光源；2-滤光片；3-分划板；4-立方直角棱镜； 5、6-反射镜；7-物镜；8-体外反射镜；9-固定分划板； 10-活动分划板； 11-目镜； 12-测微螺杆；13-测微鼓轮15求偏离量t:见图2—7当反射镜8严格垂直于光轴时，十字线成像在固定分划板9的正中央，对称于字标“10”，目镜视场如图2—7(a)所示。若反射镜8对光轴有一微小倾角α ，则十字线像将偏离 字标“10”，如图2—7（b）所示，偏离量t由自准直原理可得t ? f 物 tan 2? ? 2 f 物 ? ?16图2-7 平直度检查仪目镜视场17（二）测微原理 仪器的f物为400mm，测微螺杆12的螺距和固定分划 板9上刻线的分度间隔都是0.4mm，即测微螺杆每转一圈， 活动分划板10上的长刻线在固定分划板9的刻度上移动一格，其对应的反射镜的倾角α为：t 0.4 1 ?? ? ? 弧度 2 f物 2 ? 400 200018和测微螺杆12同轴相连的测微鼓轮13上有100格圆周 刻度，每格代表反射镜的倾角α为0.005/1000弧度。 当十字线像偏离刻度“10”时，如图2—7（b）,可转 动测微鼓轮13，使长刻线再次夹在十字线象的正中如图 2—7（c）。长刻线移动的距离，即十字线象的偏离量。19二、仪器基本结构（一）外形结构图2—8为平直度检 查仪的外形图。由图可知，从外形仪器分为两个部分。20（二）内部结构 图2—9为仪器的结构示意图。 图中1~4组成了测微目镜部件，测量前可松开定位螺钉5， 由于两锥孔在圆周上互成90o ，可使整个目镜头就可精确地转过90o。（三）体外反射镜结构体外反射镜是仪器的重要组成部分。如图2—10所示 调整三个调节螺钉6将反射镜调整到严格垂直于镜座面 的位臵上。21图2-9 平直度检查仪结构1-测微鼓轮；2-活动分划板；3-目镜；4-固定分划板；5-定位螺钉； 6-十字线分划板（带保护玻璃）；7-滤光片；8-光源；9-立方直角棱镜； 10、11-体内反射镜；12-物镜；13-体外反射镜221--反射镜； 2--可动板； 3--压圈； 4--反射镜座； 5--球头螺钉； 6--调节螺钉 （共三个）图2-10 体外反射镜结构23三、仪器的操作与使用（一）操作过程1、将仪器主体放臵在被测件的一端或被测件以外稳固的基础上，反射镜座放在被测件上，并且要与仪器主体在同一水平面内； 2、接通电源后，将反射镜座靠近自准直仪的主体，使反射镜正对物镜，使十字线像出现在目镜视场的正中或附近； 3、仔细地沿测量方向移动反射镜座，在各预定测量 位臵上读数，并进行数据处理。24（二）注意事项1、当体外反射镜安放在桥板上时，仪器的线性分度值与桥板长度有关设桥板长度为B，仪器的线性分度值为S，如图2—11所示，则S ? B ??如0.005 B ? 200 mm, ? ? 1000S ? 0.001mm ? 1?m如B ? 100 mm, ? ?0.005 1000S ? 0.0005 mm ? 0.5?m252、关于仪器的分度值在仪器说明书中有表示为（≈1秒）。仪器物镜的焦距 f物为400mm，其分度值i应为i? 0.4 ? 206 ? 265 ? 1.03132 5?? ? 1.03?? 2 ? 400 ? 100仪器若按分度值为1”使用时，每一个分度就有0.03’’误 差。所测角值范围较大，仪器仍按1”分度值使用时，要注意修正。263、体外反射镜对其底面是垂直的，一般在仪器出厂时 都已调好。如需调整，可在精密平板上用自准直仪观测标 准的垂直反射面，以此调整反射镜。调整必须特别仔细， 任何过重的压力都足以使反射镜变形甚至破损。 4、在测量过程中，自准直仪主体除在改变测位时需要 移动之外，不能有任何位移，否则将严重影响测量结果。27三、仪器的主要技术参数1、分度值 2、物镜焦距 3、目镜放大倍数 0.005/1000≈1角／秒 400mm 20倍4、示值范围5、最大测距 6、示值误差±500格5000mm当测微鼓轮不超过一圈时当刻度鼓超过一圈时±(0.5+0.01n)格±(1.5+0.01n)格n----为测量时测微鼓轮转过的格数28四、仪器应用实例平直度检查仪广泛用于精密测量与机床的调整等方面。 下面介绍几种平直度检查仪单独使用或与附件配合使用作 精密测量的实例（有关测量数据的处理参见本书下册）。（一）测量直线度图2-12是用平直度检查仪测量机床导轨直线度时的安 装示意图。 测量时，反射镜依次由近到远移动一个跨距L并首尾衔 接，逐点进行测量读数。然后将反射镜返回移动，重新在 各个位臵上读数，反射镜返回移动的位臵应与前者一致， 取两次读数的平均值作为该次测量结果。29图2-12 检测导轨直线度1—调整平台；2—平直度检查仪；3—体外反射镜30（二）测量平行度 1、两端面平行度的测量 图2-13为测量两端面A与B平行度的示意图。两端面平行度的测量还可按图2-14所示。2、两内表面平行度的测量 图2-15为测量两内表面的平行度示意图。31图2-13 测量两端面平行度之一1—平直度检查仪； 2—反射镜两次读数之差，即为两端面的平行度误差。32图2-14 测量两端面平行度之二1—平直度检查仪；2—反射镜测得两十字影象的距离，即为两表面的平行度误差。33图2-15 测量两内表面的平行度1、5—反射镜 2—定位反射镜 3—五棱镜 4—平直度检查仪两次读数之差，即为两表面的平行度误差。34（三）测量垂直度 1、两平面垂直度的测量： 如图2-16所示， 当两被测垂直平面为图2-17所示情况时， 此外还可以用五棱镜，按图2-18所示的方法进行测量。 2、机床主轴与工作台面垂直的测量：如图2-19所示35图2-16 测量两平面垂直度之一 1—五棱镜；2—反射镜；3—平直度检查仪两次读数之差，即为两个平面的垂直度误差。36图 2-17 测量测量两平面垂直度之二图 2-18测量测量两平面垂直度之三两次读数之差，即为两表面的垂直度误差。37图2-19 轴线与平面垂直度的测量1—平直度检查仪 2—反射镜 3—两面平行的双面反射镜 4—主轴在机床主轴4上安放一个两面平行双向反射镜3 转动主轴，两次读数之差即为机床主轴和工作台平面的垂直度误差。38第四节 光电自准直仪与激光准直仪一、光电自准直仪仪器的光学系统如图2—20所示 如果狭缝振动中心与十字线像重合，则指示电表15的指 针指零，这就是瞄准位臵；如果狭缝中心偏离了十字线像，则指示电表的指针就离开零位。当电表指针归零时，刻度分划板的刻线和十字线像了正好处于对准的位臵。这就是起到 了精确瞄准的作用。39图 2—20仪器光学系统1－光源；2－聚光镜；3－分划板；4-立方直角棱镜；5-物镜；6-反射镜；7-振子； 8-聚光镜；9-狭缝；10-分光镜；11-刻度分划板；12-目镜；13-光电元件； 14-测微鼓轮；15-指示电表40二、激光准直仪激光准直仪是利用激光具有能量高、方向性好等特点，提 供了一条直线性极好的可见激光束，以作为测量基准。激光 准直仪的测量距离大，测量精度高。 图2—21 为激光准直仪的工作原理图 激光准直仪是用激光束作为测量的基准，易受温度和气流 等因素的影响。除了仪器本身要采取一些防范措施外，对其 测量环境即防震、防热、防气流抖动等都提出较高的要求， 否则将会影响测量精度。41图 2—21 激光准直仪工作原理1—氦氖激光器 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—指示电表42思考题与习题2—1 2—2 2—3 2—4 试述自准直测量原理。 自准直仪有哪几种基本光路？它们各有什么特点？ 简述平直度检查仪的光路原理和测微原理。 试述自准直仪的操作步骤和使用时应注意的事项。2—52—6光电自准直仪在测量时是如何实现零位瞄准的？简述激光自准直仪的工作原理。43
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