1、1第二章第二章 自自 准准 直直 仪仪 学习目标学习目标:1.1.熟悉自准直测量原理；熟悉自准直测量原理；2.2.了解自准直仪的三种基本光学系统；了解自准直仪的三种基本光学系统；3.3.熟悉平直度检查仪的光路原理与测微原理，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；基本工作原理；4.4.结合实训，掌握平直度检查仪的操作使用结合实训，掌握平直度检查仪的操作使用。2仪器用途仪器用途: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置的变化，广泛应用于
2、直线度和直原理来观测目标位置的变化，广泛应用于直线度和平面度的测量。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；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。此外，还可测量零部件的垂直度、平行度等。3第一节第一节 自准直测量原理自准直测量原理一、平行光管原理一、平行光管原理 当位于物镜焦面上的分当位于物镜焦面上的分划板被光源照亮后，从分划划板被光源照亮后，从分划板上发出的光，经过物镜后，板上发出的光，经过物镜后，即形成平行光，这样的光学即形成平行光，这样的光学系统结构，就叫做平行光管。系统结构，就叫做平行光管。如图如图21所示所示:二、自准直
3、光管原理二、自准直光管原理图图22为自准直光管的工作原理为自准直光管的工作原理:42tan ftft2十字线与其倒像之间将错开距离十字线与其倒像之间将错开距离t t为为：t-t-称为偏离量称为偏离量 当当很小时，很小时，图图2-2 自准直光管的工作原理自准直光管的工作原理5三、自准仪的测微原理三、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。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只要用自准直仪的测微机构测出上式中距离t,t,就可得就可得出反射镜的角度变化值。这就是
4、自准直仪测量微小角度的基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。本原理。6第二节第二节 自准直仪的三种基本光学系统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自准直仪通常由三部分组成:1.1.体外反射镜体外反射镜 2.2.物镜光管部件物镜光管部件 3.3.测微目镜部件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准直仪有以下三种基本光路。7（一）光路原理（一）光路原理如图如图23所示，所示，如果反射镜严格与光轴垂直，则十字线在分划板上所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
5、来的十字线完全重合。若反射镜有一微小转角成的像与原来的十字线完全重合。若反射镜有一微小转角 ，则十字线，则十字线 的像将偏离原来的十字线，其偏离量的大的像将偏离原来的十字线，其偏离量的大小可小可 从测微目镜从测微目镜6 6中读出。中读出。一、高斯型自准直仪一、高斯型自准直仪8 图图23 高斯型光学系统高斯型光学系统 1-反射镜；反射镜；2-物镜；物镜；3-分划板；分划板；4-光源；光源；5-分光镜；分光镜；6-目镜目镜9（二）高斯型系统特点（二）高斯型系统特点 优优 点：点：高斯型系统是目镜视场不受遮挡，且分划板上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。的刻划位于
6、视场正中，观察方便。缺缺 点：点：是亮度损失大，因而自准直像较暗；另外，为安是亮度损失大，因而自准直像较暗；另外，为安置分光镜，目镜焦距较长，因而无法获得较大的放大倍数。置分光镜，目镜焦距较长，因而无法获得较大的放大倍数。高斯型主要应用于高斯型主要应用于普通光学自准直仪普通光学自准直仪的光学系统。的光学系统。10二、阿贝型自准直仪二、阿贝型自准直仪（一）光路原理（一）光路原理（二）阿贝型系统特点（二）阿贝型系统特点 优优 点：点：是光强度大，亮度损失只有是光强度大，亮度损失只有10-15%10-15%缺缺 点：点：是它的视场被胶合棱镜遮挡了一半，又因光管是它的视场被胶合棱镜遮挡了一半，又因光管
7、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。阿贝型应用于距离较短。阿贝型应用于光学计光学计的光学系统。的光学系统。见图见图24111-1-物镜；物镜；2-2-分划板；分划板；3-3-棱镜；棱镜；4-4-光源；光源；5-5-反射镜反射镜图图2-4 阿贝型光学系统阿贝型光学系统 若平面反射镜对光轴产生微小转角若平面反射镜对光轴产生微小转角，则十字线像将，则十字线像将发生偏离，偏离量可从刻度尺上读出。发生偏离，偏离量可从刻度尺上
8、读出。12三、双分划板型自准直仪三、双分划板型自准直仪（一）光路原理（一）光路原理如图如图25所示所示，（二）双分划板型系统特点（二）双分划板型系统特点 优优 点点:是视场不被遮挡，刻线可位于视场中央；目镜是视场不被遮挡，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焦距短，可获得较大的放大倍率。另外目镜和光源可互换位置，给使用带来方便。置，给使用带来方便。缺缺 点点:是结构比较复杂，亮度损失较大（介于前两者是结构比较复杂，亮度损失较大（介于前两者之间）。之间）。13图图2-5 双分划板型光学系统双分划板型光学系统 若平面反射镜对光轴有偏转，将引起自准直像偏离十字
9、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。转角。1-物镜；物镜；2-指示分划板；指示分划板；3-立方直角棱镜；立方直角棱镜；4-刻度分划板刻度分划板14第三节第三节 HYQ03型自准直仪型自准直仪 HYQ03HYQ03型自准直仪常称型自准直仪常称平直度检查仪平直度检查仪，是国，是国产自准直仪中应用较多的一种（以下称平直度检产自准直仪中应用较多的一种（以下称平直度检查查仪）。仪）。一、仪器光学系统一、仪器光学系统（一）光路原理（一）光路原理如图图26所示所示思考思考：该平直度检查仪
10、的光学系统是属于哪种基本光路：该平直度检查仪的光学系统是属于哪种基本光路?15图图2-6 平直度检查仪光学系统平直度检查仪光学系统 1-1-光源；光源；2-2-滤光片；滤光片；3-3-分划板；分划板；4-4-立方直角棱镜；立方直角棱镜；5 5、6-6-反射镜；反射镜；7-7-物镜；物镜；8-8-体外反射镜；体外反射镜；9-9-固定分划板；固定分划板；10-10-活动分划板；活动分划板；11-11-目镜；目镜；12-12-测微螺杆；测微螺杆；13-13-测微鼓轮测微鼓轮16求偏离量求偏离量t:见图见图27 当反射镜当反射镜8严格垂直于光轴时，十字线成像在固定分划严格垂直于光轴时，十字线成像在固定
11、分划板板9的正中央，对称于字标的正中央，对称于字标“10”，目镜视场如图，目镜视场如图27(a)所所示。若反射镜示。若反射镜8对光轴有一微小倾角对光轴有一微小倾角，则十字线像将偏离，则十字线像将偏离字标字标“10”，如图，如图27（b）所示，偏离量）所示，偏离量t由自准直原理由自准直原理可得可得物物fft22tan17图图2-7 平直度检查仪目镜视场平直度检查仪目镜视场18（二）测微原理（二）测微原理 仪器的仪器的f物物为为400mm，测微螺杆，测微螺杆12的螺距和固定分划板的螺距和固定分划板9上刻线的分度间隔都是上刻线的分度间隔都是0.4mm，即测微螺杆每转一圈，即测微螺杆每转一圈，活动分划
12、板活动分划板10上的长刻线在固定分划板上的长刻线在固定分划板9的刻度上移动一的刻度上移动一格，其对应的反射镜的倾角格，其对应的反射镜的倾角为：为：0.41224002000tf物弧度弧度 19和测微螺杆和测微螺杆12同轴相连的测微鼓轮同轴相连的测微鼓轮13上有上有100格圆周格圆周刻度，每格代表反射镜的倾角刻度，每格代表反射镜的倾角为为0.005/1000弧度。弧度。当十字线像偏离刻度当十字线像偏离刻度“10”时，如图时，如图27（b）,可转可转动测微鼓轮动测微鼓轮13，使长刻线再次夹在十字线象的正中如图，使长刻线再次夹在十字线象的正中如图27（c）。长刻线移动的距离，即十字线象的偏离量。）。
13、长刻线移动的距离，即十字线象的偏离量。20二、仪器基本结构二、仪器基本结构（一）外形结构（一）外形结构图图28为平直度检为平直度检查仪的外形图。查仪的外形图。由图可知，从外形仪器分为两个部分。由图可知，从外形仪器分为两个部分。21（二）内部结构（二）内部结构图图29为仪器的结构示意图。为仪器的结构示意图。图中图中1414组成了测微目镜部件，测量前可松开定位螺钉组成了测微目镜部件，测量前可松开定位螺钉5 5，由于两锥孔在圆周上互成由于两锥孔在圆周上互成9090o o，可使整个目镜头就可精确地，可使整个目镜头就可精确地转过转过9090o o。（三）体外反射镜结构（三）体外反射镜结构体外反射镜是仪器
14、的重要组成部分。体外反射镜是仪器的重要组成部分。如图如图210所示所示调整三个调节螺钉调整三个调节螺钉6 6将反射镜调整到严格垂直于镜座面将反射镜调整到严格垂直于镜座面的位置上。的位置上。22图图2-9 平直度检查仪结构平直度检查仪结构1-测微鼓轮；测微鼓轮；2-活动分划板；活动分划板；3-目镜；目镜；4-固定分划板；固定分划板；5-定位螺钉；定位螺钉；6-十字线分划板（带保护玻璃）；十字线分划板（带保护玻璃）；7-滤光片；滤光片；8-光源；光源；9-立方直角棱镜；立方直角棱镜；10、11-体内反射镜；体内反射镜；12-物镜；物镜；13-体外反射镜体外反射镜23图图2-10 体外反射镜结构体外
15、反射镜结构1-反射镜；反射镜；2-可动板；可动板；3-压圈；压圈；4-反反射镜射镜座；座；5-球头球头螺螺钉；钉；6-调节螺钉调节螺钉 （共三个）（共三个）24三、仪器的操作与使用三、仪器的操作与使用（一）操作过程（一）操作过程 1 1、将仪器主体放置在被测件的一端或被测件以外稳固、将仪器主体放置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一水平面内；2 2、接通电源后，将反射镜座靠近自准直仪的主体，、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反射镜正对物镜，使十字线像出现在目
16、镜视场的正中或附使十字线像出现在目镜视场的正中或附近；近；3 3、仔细地沿测量方向移动反射镜座，在各预定测量、仔细地沿测量方向移动反射镜座，在各预定测量位置上读数，并进行数据处理。位置上读数，并进行数据处理。25（二）注意事项（二）注意事项1 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、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 BS1000005.0,200mmBmmmS1001.01000005.0,100mmBmmmS5.00005.0如如 如如 设桥板长度为设桥板长度为B B，仪器的线性分度值为，仪器的线性分度值为S S，如图，如图211211所示，
17、则所示，则262、关于仪器的分度值、关于仪器的分度值 在仪器说明书中有表示为（在仪器说明书中有表示为（11秒）。仪器物镜的焦距秒）。仪器物镜的焦距f f物为物为400mm400mm，其分度值，其分度值i i应为应为 仪器若按分度值为仪器若按分度值为1”使用时，每一个分度就有使用时，每一个分度就有0.03误误差。差。所测角值范围较大，仪器仍按所测角值范围较大，仪器仍按1”1”分度值使用时，要注分度值使用时，要注意修正。意修正。30.1503132.110040022652064.0 i27 4、在测量过程中，自准直仪主体、在测量过程中，自准直仪主体除在改变测位时需要除在改变测位时需要移动之外，不
18、能有任何位移移动之外，不能有任何位移，否则将严重影响测量结果。，否则将严重影响测量结果。3、体外反射镜对其底面是垂直的，体外反射镜对其底面是垂直的，一般在仪器出厂时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，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。任何过重的压力都足以使反射镜变形甚至破损。28三、仪器的主要技术参数三、仪器的主要技术参数 1、分度值分度值 0.005/10001角秒角秒2、物镜焦距物镜焦距 400mm3、目
19、镜放大倍数目镜放大倍数 20倍倍4、示值范围示值范围 500格格 5、最大测距最大测距 5000mm6、示值误差示值误差 当测微鼓轮不超过一圈时当测微鼓轮不超过一圈时 (0.5+0.01n)(0.5+0.01n)格格 当刻度鼓超过一圈时当刻度鼓超过一圈时 (1.5+0.01n)(1.5+0.01n)格格 n-n-为测量时测微鼓轮转过的格数为测量时测微鼓轮转过的格数29四、仪器应用实例四、仪器应用实例 平直度检查仪广泛用于平直度检查仪广泛用于精密测量精密测量与与机床的调整机床的调整等方面。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
20、精密测量的实例（有关测量数据的处理参见本书下册）。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（一）测量直线度 图图2-12是用平直度检查仪测量机床导轨直线度时的安是用平直度检查仪测量机床导轨直线度时的安装示意图装示意图。测量时，测量时，反射镜反射镜依次依次由近到远移动一个由近到远移动一个跨距跨距L L并首尾衔并首尾衔接，逐点进行接，逐点进行测量测量读数。然后将反射镜返回移动，重新在读数。然后将反射镜返回移动，重新在各个位置上读数，反射镜返回移动的位置应与前者一致，各个位置上读数，反射镜返回移动的位置应与前者一致，取两次读数的平均值作为该次测量结果。取两次读数的平均值作为
21、该次测量结果。30图图2-12 检测导轨直线度检测导轨直线度1调整平台；调整平台；2平直度检查仪；平直度检查仪；3体外反射镜体外反射镜 31（二）测量平行度（二）测量平行度1、两端面平行度的测量、两端面平行度的测量图图2-13为测量两端面为测量两端面A与与B平行度的示意图。平行度的示意图。两端面平行度的测量还可按图两端面平行度的测量还可按图2-14所示。所示。2、两内表面平行度的测量、两内表面平行度的测量 图图2-15为测量两内表面的平行度示意图。为测量两内表面的平行度示意图。32两次读数之差，即为两端面的平行度误差。两次读数之差，即为两端面的平行度误差。1平直度检查仪；平直度检查仪；2反射镜
22、反射镜 图图2-13 测量两端面平行度之测量两端面平行度之一一33测得两十字影象的距离，即为两表面的平行度误差。测得两十字影象的距离，即为两表面的平行度误差。1平直度检查仪；平直度检查仪；2反射镜反射镜 图图2-14 测量两端面平行度之二测量两端面平行度之二34两次读数之差，即为两表面的平行度误差。两次读数之差，即为两表面的平行度误差。图图2-15 测量两内表面的平行度测量两内表面的平行度1、5反射镜反射镜 2定位反射镜定位反射镜 3五棱镜五棱镜 4平直度检查仪平直度检查仪 35（三）测量垂直度（三）测量垂直度 1、两平面垂直度的测量：、两平面垂直度的测量：当两被测垂直平面为当两被测垂直平面为
23、图图2-17所示所示情况时，情况时，此外还可以用此外还可以用五棱镜五棱镜，按图，按图2-18所示的方法进行测量。所示的方法进行测量。如图如图2-19所示所示2、机床主轴与工作台面垂直的测量：、机床主轴与工作台面垂直的测量：如图如图2-16所示所示，36两次读数之差，即为两个平面的垂直度误差。两次读数之差，即为两个平面的垂直度误差。1五棱镜；五棱镜；2反射镜；反射镜；3平直度检查仪平直度检查仪图图2-16 测量两平面垂直度之一测量两平面垂直度之一37两次读数之差，即为两表面的垂直度误差。两次读数之差，即为两表面的垂直度误差。图图 2-18测量测量两平面垂直度之三测量测量两平面垂直度之三图图 2-
24、17 测量测量两平面垂直度之二测量测量两平面垂直度之二38 在在机床机床主轴主轴4 4上安放一个两面平行双向反射镜上安放一个两面平行双向反射镜3 3 转动转动主轴，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。两次读数之差即为机床主轴和工作台平面的垂直度误差。1平直度检查仪平直度检查仪 2反射镜反射镜 3两面平行的双面反射镜两面平行的双面反射镜 4主轴主轴图图2-19 轴线与平面垂直度的测量轴线与平面垂直度的测量39第四节第四节 光电自准直仪与激光准直仪光电自准直仪与激光准直仪一、光电自准直仪一、光电自准直仪仪器的光学系统如图仪器的光学系统如图220所示所示 如果狭缝振动中心与十字线
25、像如果狭缝振动中心与十字线像重合重合，则指示电表，则指示电表1515的指的指针针指零，指零，这就是瞄准位置；如果狭缝中心这就是瞄准位置；如果狭缝中心偏离偏离了十字线像，了十字线像，则指示电表的指针就则指示电表的指针就离开零位离开零位。当电表指针归零时，刻度分。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置。划板的刻线和十字线像了正好处于对准的位置。这就是起到这就是起到了了精确瞄准精确瞄准的作用。的作用。401光源；光源；2聚光镜；聚光镜；3分划板；分划板；4-立方直角棱镜；立方直角棱镜；5-物镜；物镜；6-反射镜；反射镜；7-振子；振子；8-聚光镜；聚光镜；9-狭缝；狭缝；1
26、0-分光镜；分光镜；11-刻度分划板；刻度分划板；12-目镜；目镜；13-光电元件；光电元件；14-测微鼓轮；测微鼓轮；15-指示电表指示电表图图 220 仪仪 器器 光光 学学 系系 统统41二、激光准直仪二、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，提供了一条供了一条直线性极好直线性极好的可见激光束，以作为的可见激光束，以作为测量基准测量基准。激光。激光准直仪的测量距离大，测量精度高。准直仪的测量距离大，测量精度高。图图221 为激光准直仪的工作原理图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
27、气流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，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。否则将会影响测量精度。4211氦氖激光器氦氖激光器 22平行光管平行光管 33针孔光阑针孔光阑 44激光束激光束 55光电探测器（四象限靶）光电探测器（四象限靶）66运算电路运算电路 77指示电表指示电表图图 221 激光准直仪工作原理激光准直仪工作原理43思思 考考 题题 与与 习习 题题21 21 试述自准直测量原理。试述自准直测量原理。22 22 自准直仪有哪几种基本光路？它们各有什么特点？自准直仪有哪几种基本光路？它们各有什么特点？23 23 简述平直度检查仪的光路原理和测微原理。简述平直度检查仪的光路原理和测微原理。24 24 试述自准直仪的操作步骤和使用时应注意的事项。试述自准直仪的操作步骤和使用时应注意的事项。25 25 光电自准直仪在测量时是如何实现零位瞄准的？光电自准直仪在测量时是如何实现零位瞄准的？26 26 简述激光自准直仪的工作原理。简述激光自准直仪的工作原理。
