激光测径仪测量阀类零件误差分析

梁波++曹尚武

摘 要：精密测量是机械工业发展的基础和先决条件之一，而激光测量已经被广泛运用到精密运动控制系统当中，激光测量误差直接影响到产品的性能，该文从激光测径仪的测量原理、使用环境、温度以及工装方面分析测量误差产生的因素和影响。随着激光测量技术的使用，激光技术应用越来越广泛几乎涉及到当今科技的各个方面，如何在测量过程中避免和减小测量误差也成为了一个新的问题。该文仅以美国生产的Z-MIKE激光测径在使用过程中出现的测量误差进行原因分析，供大家参考借鉴。

关键词：激光 误差 膨胀系数 温度 测量方法 折射

中图分类号：TG806 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）11（c）-0051-01

“激光”一词是“LASER”的意译。LASER原是Light amplitioation by stimulated emiasi on of radiation取字头组合而成的专有名词，1960年5月15日，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了波长为0.6943μm的激光，这是人类有史以来获得的第一束激光，梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家，1960年7月7日，梅曼宣布世界上第一台激光器诞生。激光技术是现代科学技术发展的结果，激光是20世纪与原子能、计算机、半导体齐名的四项重大发明之一，在装备制造业、汽车工业、医学、航天等行业中。激光技术应用越来越广泛，几乎涉及到当今科技的各个方面。

1 误差产生的原因种及分类

误差的产生有多方面的原因，从误差的性质和来源上可分为系统误差和随机误差两大类。

1.1 系统误差产生的原因

（1）所用仪器、仪表、量具的不完善性，这是产生系统误差的主要原因；（2）实验方法的不完善性或这种方法所依据的理论本身具有近似性；（3）实验者个人的不良习惯或偏向（如有的人习惯于侧坐、斜坐读数，使读得的数据偏大或偏小），以及动态测量的滞后或起落等。

1.2 随机误差产生的原因

（1）随机的和不确定的因素的影响，或环境条件微小的波动；（2）实验操作者的感官分辨本领有限。

2 激光测径仪的测量原理

该仪器内带有高速旋转的He-Ne激光发射器和激光接收器，激光发射器发出的激光束通过一组透镜处理变成平行光，平行光投射到工件上，工件只要挡住光束，在接收器上就有信号产生，通过光电传感器将此信号传到专用计算机处理器上，就可读出所测量的直径值。

3 测量环境的影响

3.1 测量时，若零件的测量温度不能满足20℃的要求

标准件测量温度满足20℃要求，这时需考虑温度差对零件尺寸的影响，温度与零件尺寸之间的关系可参见公式4-1：

Lt=L20[1+a（t-20）] （4-1）

其中a为零件的材料膨胀系数（单位：mm/℃）；

t为环境温度；

L20为零件标准温度20℃时尺寸；

Lt为零件在温度t时尺寸。

3.2 测量时不满足温度条件

若测量标准件时的温度与测量零件时的温度都不在20℃且温度不一样时，还应考虑温度对标准件、被测零件的综合影响，它们之间的关系可参见公式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为因温度变化产生的测量误差；

a1为标准件材料的膨胀系数；

a2为零件的材料膨胀系数；

t1为测量标准件时的测量温度；

t2为零件测量时的测量温度；

（L1）20为标准件20℃时尺寸；

（L2）20为零件20℃时尺寸。

从上述公式4-1、4-2可以看出，零件尺寸受材料膨胀系数影响以及温度变化影响，温度变化越大、偏离标准温度越多，零件尺寸随温度的变化量就越大，因此，保证测量环境温度的一致性及无限靠近标准温度，可适当减少测量误差的出现。

4 其它因素影响

由于激光测径仪的光源发射器使用的是单模He-Ne激光器，光源在空气中会受到气压、温度、湿度、压强、大气成分以及震动等因素影响激光在空气中的传播方向而产生折射，因此，对测量房间这些因素的控制对减小测量结果误差也是比较有意义的。另外，激光测径仪采用的是无接触式扫描测量，对于测量精度在10-5要求中，尘埃也是影响测量结果一个不可忽视的重要因素。

5 误差因素的消除

为了减小环境对测量的影响，我们在实际操作过程中做出了以下规定。

零件在测量前对零件的恒温时间不小于6h，同时为减小温度变化过大对测量产生影响，我们在测量房间内放置两个温度计，一个放置在离测量地点相对较远的地方，一个放置在测量点附近，当发现两温度计温度差在1℃以上时，即停止测量。

零件自身清洁度对测量结果也是有影响的，对于这类因素，我们要求在测量零件时必须使用不掉纤维的仿鹿皮擦拭零件表面。

在测量零件时必须使用穿戴手套，不允许围观，避免人体温度以及人员走动所带起的灰尘对测量结果产生影响。

为了确保测量精度，减小激光源对测量的影响，应周期性的对激光测径仪的光源进行校验。

为了避免空调吹出的气流直接作用到仪器上引起温度的剧烈变化，同时减小气流对空气密度波动所产生的激光折射，我们利用屏风以及双层门对测量仪器进行环境保护。

6 测量系统分析

在满足上述测量环境的条件下，并对工装、校准方法以及测量位置进行统一的情况下，我们选取了公司生产的10个零件，将其与标准件放置在（20±1）℃的环境下恒温24 h后，做了一次测量系统分析，数据分析的结果表明，测量系统完全可用，测量误差满足要求。

7 结论

该文在简述激光测径仪仪的工作基础上，分析了温度、测量工装等方面对测量结果所产生的影响，同时也针对这些问题总结了一些减少误差产生的方法和办法，希望这些能对在今后需使用激光测径仪测量的朋友中起到借鉴作用。

参考文献

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