光学量仪：原理、结构及应用解析

光学量仪是利用光学原理制成的一种测量器具。

图6-11　光学计

1—底座；2—工作台；3—光学计管；4—目镜；5—进光反射镜；6—光源；7—立柱；8—投影筒；9—调节螺母；10—螺母

1.光学计

光学计又称光学比较仪，有立式和卧式两种。

立式光学计主要用于测量外形尺寸，其外形如图6-11所示。调节螺母10可使投影筒8沿立柱7上下移动，可由调节螺母9紧固。光学计管3插入投影筒中，用微动手轮可调节光学计管做微量的上下移动，以控制测量杆与工件的接触程度，调节好后用调节螺母锁紧光学计管。工作台2的四个螺钉用于调整工作台的水平位置。

光学计管是光学计的主要部分，整个光学系统都安装在光学计管内。光学计管是利用光学的自准直原理及机械的正切杠杆机构进行工作的。

光学自准直原理：物镜焦点O发出的光束经物镜折射后成为与主光轴平行的光束，当遇到与主光轴垂直的平面反射镜后，则按原路返回，再次通过物镜仍会聚于物镜的焦点O上，即它的自准直像完全与物点O重合，如图6-12所示。

若平面反射镜偏转α角，则被平面反射镜反射回的光束将偏转2α角，这时自准直像相对于物点O在焦平面产生了偏移，如图6-13所示，其偏移量为

L＝ftan2α

图6-12　自准直原理图

（a）P与主光轴垂直；（b）P偏转α角

图6-13　光学计管传动原理及光路系统

1—进光反射镜；2—转向棱镜；3—物镜；4—平面反射镜；5—测量杆；6—微调旋钮；7—成像面；8—分划板；9—目镜；10—刻度尺；11—棱镜

如果在与主光轴平行的方向上安装一测量杆，见图6-13（a），测量杆的上端与平面反射镜接触，同时平面反射镜可绕支点M摆动。当测量杆移动距离为s时，推动平面反射镜偏转α角，则这时s为

s＝btanα

式中，b为测量杆到支点M的距离。这种机构称为正切杠杆机构。

利用平面反射镜将正切杠杆机构与自准直系统联系起来，当测量杆移动微小距离时，平面反射镜将偏转α角，于是像点O′将移动L距离。所以，只要将L测出，便可求出s，从而得到工件尺寸的变化量。这就是光学计管的工作原理。(www.xing528.com)

像的偏移距离L与测量杆移动距离s的比值称为光学计管的放大比，其计算公式为

由于α角一般很小，取tan2α≈2α，tanα≈α，则

一般光学计f＝200 mm，b＝5 mm，则K＝80倍。若目镜放大倍数为12倍，则光学计的总放大比为12K＝960倍，即测量杆移动1μm，在目镜刻线尺上的像则移动将近1 mm，放大了近千倍。

2.万能测长仪

测长仪有立式和卧式两种。卧式测长仪也称万能测长仪，如图6-14所示。它由底座、测座、万能工作台、手轮、尾座等部件组成。仪器设计按阿贝原则（即被测工件的尺寸线与刻线尺的轴线在一条直线上或在其延长线上）。

仪器的工作原理如图6-15所示。测座由测量杆和读数显微镜1组成，测量杆可在沿轴向方向自由移动，在其沿轴线的位置上装有一根长度为100 mm的基准刻线尺2，刻线尺的移动量可由读数显微镜读出。万能测长仪的直接测量范围为0～100 mm。

图6-14　万能测长仪

1—测座；2—万能工作台；3—手柄；4—尾管；5—尾座；6—手轮；7—底座；8—手柄；9—微分筒；10—手轮；11—目镜

图6-15　万能测长仪的工作原理

1—读数显微镜；2—基准刻线尺；3—被测工件；4—万能工作台

相对测量时，用量块作基准件进行第一次测量读数，再将测量轴移开，然后装上工件进行第二次测量读数，两次读数之差即为工件的实际偏差，绝对测量时，先将测量轴与尾座上的测量砧接触，从读数显微镜中读数（一般调整为零）。然后装上被测工件，使之右侧与尾座测量砧接触，再将移开的测量轴与工件左侧接触，从读数显微镜中第二次读取数值，两次读数之差即为工件的尺寸。

读数显微镜的光学系统如图6-16（a）所示。光线由光源8发出，经过绿色滤光片7和聚光镜6以绿色光照明了基准刻线尺5，刻线尺5刻有分度值为1 mm的刻线100格，其刻线尺镶在测杆上，测量杆随被测尺寸的大小在测座内做相应的滑动。当测头接触被测部位后，测量轴就停止滑动。为满足精密测量的要求，测微目镜中有一个固定分划板3，它的上面刻有10个间距相等的刻度，毫米刻度尺的一个间距成像在它的上面时正好和这10个间距的总长度相等，故其分度值为0.1 mm。在它的附近，还有一块通过手轮可以旋转的平面螺旋线分划板2，其上刻有10圈平面螺旋双刻线。螺旋双刻线的螺距恰与固定分划板上的刻度间距相等，其分度值也为0.1 mm。在螺旋分划板2的中央，有一圈等分为100格的圆周刻度。当螺旋分划板2转动一格圆周分度时，其分度值为

仪器的读数方法如下：从目镜1中观察，可同时看到三种刻线，如图6-16（b）所示。先读毫米数（53 mm），然后接毫米刻线在固定分划板3上的位置读出零点几毫米，读数（0.1 mm），再转动手轮，使毫米刻线在靠近零点几毫米刻度值的一圈平面螺旋双刻线中央，再从指示线对准的圆周刻线尺上读得微米数（0.086 mm），所以读数为53.186 mm。

图6-16　读数显微镜的光学原理

1—目镜；2—螺旋分划板；3—固定分划板；4—物镜；5—基准刻线尺；6—聚光镜；7—滤光片；8—光源