立式光學計在實驗教學中的誤差分析與改進

張小勤 劉紹靜

摘要：立式光學計測量工件尺寸誤差，是各院校機械類專業《互換性與測量技術》這門課實驗中一個重要的實驗項目，對提高學生測量方面的實際能力具有重要的作用。結合實驗教學情況，總結學生在實驗過程中出現的問題，分析了實驗過程等環節出現誤差的原因，提出了應對策略，提高了學生的實驗能力。

關鍵詞：立式光學計；測量；誤差

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）18-0262-03

一、立式光學計結構及工作原理[1]

立式光學計是一種精度較高而結構簡單的常用光學測量儀。用量塊作為長度基準，按比較測量法來測量各種工件的外尺寸。圖1為立式光學計外形圖。它由底座1、立柱5、支臂3、直角光管6和工作臺11等幾部分組成。光學計是利用光學杠桿放大原理進行測量的儀器，其光學系統如圖2（b）所示。照明光線經反射鏡1照射到刻度尺8上，再經直角棱鏡2、物鏡3、照射到反射鏡4上，由于刻度尺8位于物鏡3的焦平面上，故從刻度尺8上發出的光線經物鏡3后成為平行光束。若反射鏡4經物鏡3之間相互平行，則反射光線折回到焦平面，刻度尺像7與刻度尺8對稱。若被測尺寸變動使測桿5推動反射鏡4繞支點轉動某一角度α圖2（a），則反射光線相對于入射光線偏轉2α角度，從而使刻度尺像7產生位移t圖2

由此說明，當測桿移動0.001mm時，在目鏡中可見到0.96mm的位移量。

二、實驗測量步驟及實驗過程誤差分析[2]

結合學生利用立式光學計測量工件的實際情況，針對整個測量過程中從實驗操作到數據處理，全面分析各種誤差產生的原因并加以改進，以提高測量準確度。

（一）實驗測量步驟

實驗過程主要包括儀器調零、誤差測量及數據處理3部分。

1.根據被測工件的基本尺寸組合量塊。

2.測頭的選擇：測頭有球形、平面形和刀口形三種，根據被測工件表面的幾何形狀來選擇，使測頭與被測表面盡量滿足點接觸。所以，測量平面或圓柱面工件時，選用球形測頭。測量球面工件時，選用平面形測頭。測量小于10mm的圓柱面工件時，選用刀口形測頭。

3.調整儀器零位。

（1）參看實驗圖1，選好量塊組后，將測量面置于工作臺11的中央，并使測頭10對準上測量面中央。

（2）粗調節：松開支臂緊固螺釘4，轉動調節螺母2，使支臂3緩慢下降，直到測頭與量塊上測量面輕微接觸。并能在視場中看到刻度尺影像時，將螺釘4鎖緊。

（3）細調節：松開緊固螺釘8，轉動調節凸輪7。直至在目鏡中觀察到刻度尺影像與μ指示線接近為止[實驗圖3（a）]。然后擰緊螺釘8。

（4）微調節：轉動刻度尺微調螺釘6[實驗圖2（b）]，使刻度尺的零線影像與μ指示線重合[實驗圖3（b）]，然后壓下測頭提升杠桿數次，檢查零位穩定性。

（5）將測頭抬起，取下量塊。

4.測量工件：將被測工件放在工作臺上，按實驗規定的部位（在三個橫截面上的兩個相互垂直的徑向位置上）進行測量，把測量結果填入實驗報告。

5.判斷工件的適用性。

（二）實驗過程誤差分析[3][4]

實際教學中發現，在未將刻度尺的零線與指示線調節到重合的情況下，一些學生就急于進行測量，導致實驗結果誤差較大；還有一些學生在調零結束后未抬起測頭而直接將量塊抽走，對測頭以及量塊表面造成磨損，影響后續實驗。儀器調零、偏差測量及數據處理這3個環節，學生在實驗過程中所出現的問題，究其原因，除與學生自身學習基礎、學習能力有關外，如何教會學生做實驗、進行數據處理等對解決學生出現的問題具有至關重要的作用。為此，針對實際教學中所出現的問題，采取以下策略，以最大限度地教會學生如何進行正確實驗操作及數據處理。在調零過程中，傳統的教學方法是老師先講，然后學生操作，事實證明，學生在實際操作中，難以進行完整、正確的操作。因此，將學生分組并指定組長，每組都配有實驗儀器，老師先簡單講述實驗原理，接下來讓學生跟著自己的演示一起進行相關操作，此時，老師要重點強調每步操作中學生容易出現問題和不良操作的地方。一遍完成之后，每組組內輪流操作，盡量讓每個學生都有操作的機會，同時，一人在操作時，其他人也可以監督、學習，大家共同來糾正他人操作中存在的問題，老師也進行相應輔導，使絕大部分學生能獨立完成儀器調零。測量過程的教學方法和調零過程類似，老師對工件的實際偏差測量進行演示、講解，并重點指出測量時應該注意的事項，重點問題，重點演示，著重強調。同時，要求每組代表跟著自己一起操作，完成之后組內學生輪流操作，老師在巡查輔導時，及時發現問題，及時解決，努力教會學生正確進行實驗操作。不能老師講完所有實驗原理、操作步驟后，學生再進行操作、測量，實踐證明，這樣的教學方式收效甚微。因此，在教與學的過程中，老師、學生必須同步進行，扎扎實實一步一步完成教學任務。數據處理是對實驗測得的數據進行分析、整理并最終得出實驗結論的重要環節，實際教學中發現，學生對數據處理方法及所用原理的理解有一定困難，因此老師應針對實際情況，逐步驗算實驗數據及演示處理過程，并跟蹤查看學生實驗處理結果，遇到問題及時輔導；也可按組進行，組內相互討論，糾正各自數據處理過程中存在的問題，組長將最終實驗結果、結論提交給老師批閱。對于學生數據處理結果精度低的問題，應針對不同學生的作圖結果，找出導致產生較大誤差的原因，如描點粗糙、取點數值誤差大等等，有針對性地糾正，以使學生獲得準確的實驗結果。

三、結束語

應用立式光學計測量尺寸誤差是機械類專業《互換性與測量技術》課程中重要的實驗項目。結合實驗教學情況，本文介紹實驗測量步驟并簡要分析了實驗過程中每個環節學生容易出現的問題，并進一步探究出現這些問題的原因及提出應對策略，提高教學針對性，提升實驗教學效果，以使學生的實踐能力在一定程度上得到提高。

參考文獻：

[1]揚昌義.極限配合與技術測量基礎[M].中國勞動社會保障出版社，2007.

[2]李仁嬌.立式光學計測量圓柱度誤差的研究[J].廣西農業機械化，2012，（4）：29-31.

[3]孫景斌，吳雪峰.擴大立式光學計測量范圍的一種方法及誤差分析[J].工業計量，2003，（4）：38-40.

[4]范家柱.零件測量與質量控制技術[M].清華大學出版社，2009.