立式光学计在实验教学中的误差分析与改进

张小勤 刘绍静

摘要：立式光学计测量工件尺寸误差，是各院校机械类专业《互换性与测量技术》这门课实验中一个重要的实验项目，对提高学生测量方面的实际能力具有重要的作用。結合实验教学情况，总结学生在实验过程中出现的问题，分析了实验过程等环节出现误差的原因，提出了应对策略，提高了学生的实验能力。

关键词：立式光学计；测量；误差

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）18-0262-03

一、立式光学计结构及工作原理[1]

立式光学计是一种精度较高而结构简单的常用光学测量仪。用量块作为长度基准，按比较测量法来测量各种工件的外尺寸。图1为立式光学计外形图。它由底座1、立柱5、支臂3、直角光管6和工作台11等几部分组成。光学计是利用光学杠杆放大原理进行测量的仪器，其光学系统如图2（b）所示。照明光线经反射镜1照射到刻度尺8上，再经直角棱镜2、物镜3、照射到反射镜4上，由于刻度尺8位于物镜3的焦平面上，故从刻度尺8上发出的光线经物镜3后成为平行光束。若反射镜4经物镜3之间相互平行，则反射光线折回到焦平面，刻度尺像7与刻度尺8对称。若被测尺寸变动使测杆5推动反射镜4绕支点转动某一角度α图2（a），则反射光线相对于入射光线偏转2α角度，从而使刻度尺像7产生位移t图2

由此说明，当测杆移动0.001mm时，在目镜中可见到0.96mm的位移量。

二、实验测量步骤及实验过程误差分析[2]

结合学生利用立式光学计测量工件的实际情况，针对整个测量过程中从实验操作到数据处理，全面分析各种误差产生的原因并加以改进，以提高测量准确度。

（一）实验测量步骤

实验过程主要包括仪器调零、误差测量及数据处理3部分。

1.根据被测工件的基本尺寸组合量块。

2.测头的选择：测头有球形、平面形和刀口形三种，根据被测工件表面的几何形状来选择，使测头与被测表面尽量满足点接触。所以，测量平面或圆柱面工件时，选用球形测头。测量球面工件时，选用平面形测头。测量小于10mm的圆柱面工件时，选用刀口形测头。

3.调整仪器零位。

（1）参看实验图1，选好量块组后，将测量面置于工作台11的中央，并使测头10对准上测量面中央。

（2）粗调节：松开支臂紧固螺钉4，转动调节螺母2，使支臂3缓慢下降，直到测头与量块上测量面轻微接触。并能在视场中看到刻度尺影像时，将螺钉4锁紧。

（3）细调节：松开紧固螺钉8，转动调节凸轮7。直至在目镜中观察到刻度尺影像与μ指示线接近为止[实验图3（a）]。然后拧紧螺钉8。

（4）微调节：转动刻度尺微调螺钉6[实验图2（b）]，使刻度尺的零线影像与μ指示线重合[实验图3（b）]，然后压下测头提升杠杆数次，检查零位稳定性。

（5）将测头抬起，取下量块。

4.测量工件：将被测工件放在工作台上，按实验规定的部位（在三个横截面上的两个相互垂直的径向位置上）进行测量，把测量结果填入实验报告。

5.判断工件的适用性。

（二）实验过程误差分析[3][4]

实际教学中发现，在未将刻度尺的零线与指示线调节到重合的情况下，一些学生就急于进行测量，导致实验结果误差较大；还有一些学生在调零结束后未抬起测头而直接将量块抽走，对测头以及量块表面造成磨损，影响后续实验。仪器调零、偏差测量及数据处理这3个环节，学生在实验过程中所出现的问题，究其原因，除与学生自身学习基础、学习能力有关外，如何教会学生做实验、进行数据处理等对解决学生出现的问题具有至关重要的作用。为此，针对实际教学中所出现的问题，采取以下策略，以最大限度地教会学生如何进行正确实验操作及数据处理。在调零过程中，传统的教学方法是老师先讲，然后学生操作，事实证明，学生在实际操作中，难以进行完整、正确的操作。因此，将学生分组并指定组长，每组都配有实验仪器，老师先简单讲述实验原理，接下来让学生跟着自己的演示一起进行相关操作，此时，老师要重点强调每步操作中学生容易出现问题和不良操作的地方。一遍完成之后，每组组内轮流操作，尽量让每个学生都有操作的机会，同时，一人在操作时，其他人也可以监督、学习，大家共同来纠正他人操作中存在的问题，老师也进行相应辅导，使绝大部分学生能独立完成仪器调零。测量过程的教学方法和调零过程类似，老师对工件的实际偏差测量进行演示、讲解，并重点指出测量时应该注意的事项，重点问题，重点演示，着重强调。同时，要求每组代表跟着自己一起操作，完成之后组内学生轮流操作，老师在巡查辅导时，及时发现问题，及时解决，努力教会学生正确进行实验操作。不能老师讲完所有实验原理、操作步骤后，学生再进行操作、测量，实践证明，这样的教学方式收效甚微。因此，在教与学的过程中，老师、学生必须同步进行，扎扎实实一步一步完成教学任务。数据处理是对实验测得的数据进行分析、整理并最终得出实验结论的重要环节，实际教学中发现，学生对数据处理方法及所用原理的理解有一定困难，因此老师应针对实际情况，逐步验算实验数据及演示处理过程，并跟踪查看学生实验处理结果，遇到问题及时辅导；也可按组进行，组内相互讨论，纠正各自数据处理过程中存在的问题，组长将最终实验结果、结论提交给老师批阅。对于学生数据处理结果精度低的问题，应针对不同学生的作图结果，找出导致产生较大误差的原因，如描点粗糙、取点数值误差大等等，有针对性地纠正，以使学生获得准确的实验结果。

三、结束语

应用立式光学计测量尺寸误差是机械类专业《互换性与测量技术》课程中重要的实验项目。结合实验教学情况，本文介绍实验测量步骤并简要分析了实验过程中每个环节学生容易出现的问题，并进一步探究出现这些问题的原因及提出应对策略，提高教学针对性，提升实验教学效果，以使学生的实践能力在一定程度上得到提高。

参考文献：

[1]扬昌义.极限配合与技术测量基础[M].中国劳动社会保障出版社，2007.

[2]李仁娇.立式光学计测量圆柱度误差的研究[J].广西农业机械化，2012，（4）：29-31.

[3]孙景斌，吴雪峰.扩大立式光学计测量范围的一种方法及误差分析[J].工业计量，2003，（4）：38-40.

[4]范家柱.零件测量与质量控制技术[M].清华大学出版社，2009.