激光測徑儀測量閥類零件誤差分析

梁波++曹尚武

摘 要：精密測量是機械工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)和先決條件之一，而激光測量已經(jīng)被廣泛運用到精密運動控制系統(tǒng)當中，激光測量誤差直接影響到產(chǎn)品的性能，該文從激光測徑儀的測量原理、使用環(huán)境、溫度以及工裝方面分析測量誤差產(chǎn)生的因素和影響。隨著激光測量技術(shù)的使用，激光技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛幾乎涉及到當今科技的各個方面，如何在測量過程中避免和減小測量誤差也成為了一個新的問題。該文僅以美國生產(chǎn)的Z-MIKE激光測徑在使用過程中出現(xiàn)的測量誤差進行原因分析，供大家參考借鑒。

關(guān)鍵詞：激光 誤差 膨脹系數(shù) 溫度 測量方法 折射

中圖分類號：TG806 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）11（c）-0051-01

“激光”一詞是“LASER”的意譯。LASER原是Light amplitioation by stimulated emiasi on of radiation取字頭組合而成的專有名詞，1960年5月15日，美國加利福尼亞州休斯實驗室的科學(xué)家梅曼宣布獲得了波長為0.6943μm的激光，這是人類有史以來獲得的第一束激光，梅曼因而也成為世界上第一個將激光引入實用領(lǐng)域的科學(xué)家，1960年7月7日，梅曼宣布世界上第一臺激光器誕生。激光技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)果，激光是20世紀與原子能、計算機、半導(dǎo)體齊名的四項重大發(fā)明之一，在裝備制造業(yè)、汽車工業(yè)、醫(yī)學(xué)、航天等行業(yè)中。激光技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，幾乎涉及到當今科技的各個方面。

1 誤差產(chǎn)生的原因種及分類

誤差的產(chǎn)生有多方面的原因，從誤差的性質(zhì)和來源上可分為系統(tǒng)誤差和隨機誤差兩大類。

1.1 系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因

（1）所用儀器、儀表、量具的不完善性，這是產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的主要原因；（2）實驗方法的不完善性或這種方法所依據(jù)的理論本身具有近似性；（3）實驗者個人的不良習慣或偏向（如有的人習慣于側(cè)坐、斜坐讀數(shù)，使讀得的數(shù)據(jù)偏大或偏小），以及動態(tài)測量的滯后或起落等。

1.2 隨機誤差產(chǎn)生的原因

（1）隨機的和不確定的因素的影響，或環(huán)境條件微小的波動；（2）實驗操作者的感官分辨本領(lǐng)有限。

2 激光測徑儀的測量原理

該儀器內(nèi)帶有高速旋轉(zhuǎn)的He-Ne激光發(fā)射器和激光接收器，激光發(fā)射器發(fā)出的激光束通過一組透鏡處理變成平行光，平行光投射到工件上，工件只要擋住光束，在接收器上就有信號產(chǎn)生，通過光電傳感器將此信號傳到專用計算機處理器上，就可讀出所測量的直徑值。

3 測量環(huán)境的影響

3.1 測量時，若零件的測量溫度不能滿足20℃的要求

標準件測量溫度滿足20℃要求，這時需考慮溫度差對零件尺寸的影響，溫度與零件尺寸之間的關(guān)系可參見公式4-1：

Lt=L20[1+a（t-20）] （4-1）

其中a為零件的材料膨脹系數(shù)（單位：mm/℃）；

t為環(huán)境溫度；

L20為零件標準溫度20℃時尺寸；

Lt為零件在溫度t時尺寸。

3.2 測量時不滿足溫度條件

若測量標準件時的溫度與測量零件時的溫度都不在20℃且溫度不一樣時，還應(yīng)考慮溫度對標準件、被測零件的綜合影響，它們之間的關(guān)系可參見公式4-2：

△L=（L2）20-（L1）20= （L1）20[1+a1 （t1-20）]- （L2） 20[1+a2（t2-20）]

=（L1）20 a1（t1-20）- （L2）20 a2（t2-20）

△L≈（L1）20[a1（t1-20）-a2（t2-20）] （4-2）

中△L為因溫度變化產(chǎn)生的測量誤差；

a1為標準件材料的膨脹系數(shù)；

a2為零件的材料膨脹系數(shù)；

t1為測量標準件時的測量溫度；

t2為零件測量時的測量溫度；

（L1）20為標準件20℃時尺寸；

（L2）20為零件20℃時尺寸。

從上述公式4-1、4-2可以看出，零件尺寸受材料膨脹系數(shù)影響以及溫度變化影響，溫度變化越大、偏離標準溫度越多，零件尺寸隨溫度的變化量就越大，因此，保證測量環(huán)境溫度的一致性及無限靠近標準溫度，可適當減少測量誤差的出現(xiàn)。

4 其它因素影響

由于激光測徑儀的光源發(fā)射器使用的是單模He-Ne激光器，光源在空氣中會受到氣壓、溫度、濕度、壓強、大氣成分以及震動等因素影響激光在空氣中的傳播方向而產(chǎn)生折射，因此，對測量房間這些因素的控制對減小測量結(jié)果誤差也是比較有意義的。另外，激光測徑儀采用的是無接觸式掃描測量，對于測量精度在10-5要求中，塵埃也是影響測量結(jié)果一個不可忽視的重要因素。

5 誤差因素的消除

為了減小環(huán)境對測量的影響，我們在實際操作過程中做出了以下規(guī)定。

零件在測量前對零件的恒溫時間不小于6h，同時為減小溫度變化過大對測量產(chǎn)生影響，我們在測量房間內(nèi)放置兩個溫度計，一個放置在離測量地點相對較遠的地方，一個放置在測量點附近，當發(fā)現(xiàn)兩溫度計溫度差在1℃以上時，即停止測量。

零件自身清潔度對測量結(jié)果也是有影響的，對于這類因素，我們要求在測量零件時必須使用不掉纖維的仿鹿皮擦拭零件表面。

在測量零件時必須使用穿戴手套，不允許圍觀，避免人體溫度以及人員走動所帶起的灰塵對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。

為了確保測量精度，減小激光源對測量的影響，應(yīng)周期性的對激光測徑儀的光源進行校驗。

為了避免空調(diào)吹出的氣流直接作用到儀器上引起溫度的劇烈變化，同時減小氣流對空氣密度波動所產(chǎn)生的激光折射，我們利用屏風以及雙層門對測量儀器進行環(huán)境保護。

6 測量系統(tǒng)分析

在滿足上述測量環(huán)境的條件下，并對工裝、校準方法以及測量位置進行統(tǒng)一的情況下，我們選取了公司生產(chǎn)的10個零件，將其與標準件放置在（20±1）℃的環(huán)境下恒溫24 h后，做了一次測量系統(tǒng)分析，數(shù)據(jù)分析的結(jié)果表明，測量系統(tǒng)完全可用，測量誤差滿足要求。

7 結(jié)論

該文在簡述激光測徑儀儀的工作基礎(chǔ)上，分析了溫度、測量工裝等方面對測量結(jié)果所產(chǎn)生的影響，同時也針對這些問題總結(jié)了一些減少誤差產(chǎn)生的方法和辦法，希望這些能對在今后需使用激光測徑儀測量的朋友中起到借鑒作用。

參考文獻

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