第10章 測量技術(shù)基礎(chǔ)

1、互換性與技術(shù)測量第10章 測量技術(shù)基礎(chǔ)10.1測量的基本概念 1、測量的定義和作用 測量就是為獲得被測對象的量值而進行的實驗過程。所謂量值是指用一個數(shù)和一個特定測量單位表示的量，如1m、5kg等。 對于一般的量，特別是機械制造業(yè)中幾何量的測量，其實質(zhì)往往僅是同類量的比較。 10.1測量的基本概念因此，常用下述的測量定義：將被測量與標準量相比較的過程。此過程可用數(shù)學表達式描述：Q=xS式中 Q被測量； S標準量； x被測量與標準量的比值。 10.1測量的基本概念 2、在機械、儀表行業(yè)中，幾何量測量主要有以下作用： (1)在制造過程中，通過測量進行工藝分析，以便確定合理的加工參數(shù)，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量

2、。在自動化生產(chǎn)中，誤差測量是自動控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，否則就失掉了控制的根據(jù)。 (2)在設(shè)計過程中通過測繪，獲得設(shè)計所需的參數(shù)。 (3)零件或產(chǎn)品完工后驗收時，通過測量進行合格性判斷。 (4)在計量器具檢定時，需要用更高精度的測量，以確保量值準確可靠。為了獲得可靠的測量結(jié)果，必須有統(tǒng)一的計量單位，必須根據(jù)實際情況選擇適當?shù)臏y量方法和計量器具，必須保證測量的精度。 10.1測量的基本概念 3、測量四要素 任何一個完整的測量過程應(yīng)包括四個要測量對象、計量單位、測量方法、測量精度，即為測量四要素。 10.1測量的基本概念 4、其它與測量有關(guān)的基本概念 (1)計量：以保持量值準確統(tǒng)一和傳遞為目的的專門

3、測量，習慣上稱為計量(檢定)。(2)幾何量：作為測量對象，它包括尺寸(長度、角度)、形狀和位置誤差、表面粗糙度等。(3)檢驗：是指判定被測量是否合格的過程，通常不一定要求得到被測量的具體數(shù)值。幾何量檢驗即是確定零件的實際幾何參數(shù)是否在規(guī)定的極限范圍內(nèi)，以作出合格與否的判斷。(4)測試：是指具有試驗研究性質(zhì)的測量。10.2 計量管理、計量儀器 1、長度、角度單位及基準 生產(chǎn)中的測量需要標準量，而標準量所體現(xiàn)的量值需要由基準提供。1984年國務(wù)院發(fā)布了關(guān)于在我國統(tǒng)一實行法定計量單位的命令，規(guī)定我國計量單位一律采用中華人民共和國法定計量單位，其中規(guī)定“米”(m)為長度的基本單位，同時使用米的十進倍數(shù)

4、和分數(shù)的單位。機械制造業(yè)中常用的長度單位為毫米(mm)。精密測量時，多用微米(m)為單位。中華人民共和國法定計量單位采用國際單位制中的輔助單位“弧度(rad)”作為平面角的計量單位，同時選定非國際單位制單位度()、分()、秒()作為角度的測量單位?；《鹊膯挝涣恐凳菆A周上截取弧長與半徑相等的該圓的兩條半徑之間的平面角。10.2 計量管理、計量儀器1983年10月第十七屆國際計量大會審議規(guī)定米的定義為：1米是光在真空中在1299792458秒的時間間隔內(nèi)行進路程的長度。按此定義，在實驗室進行基準值復現(xiàn)時，是根據(jù)輻射波長=cf關(guān)系式，由測出的輻射頻率f，與給定的光速值c(物理常數(shù))來復現(xiàn)長度值。我國

5、從1985年3月起已正式使用碘分子飽和吸收穩(wěn)頻的0.612mm氦氖激光輻射作為國家長度基準，其頻率穩(wěn)定度可達10-9。 10.2 計量管理、計量儀器 2、 量值檢定及傳遞 使用輻射線的波長作為長度基準，雖然可以達到足夠的準確，但是卻不便直接應(yīng)用于生產(chǎn)中的尺寸測量。因此，需要將基準的量值傳遞到實際計量器具上。量值傳遞的過程實際上是一個檢定過程。用光波干涉儀檢定計量標準器具，用計量標準器具檢定使用中的計量器具，再用這些計量器具實現(xiàn)工件尺寸的測量。為了保證長度基準的量值能夠準確地傳遞到生產(chǎn)中去，確保全國量值的準確統(tǒng)一，在組織管理上和技術(shù)上都必須建立一套系統(tǒng)，這就是量值傳遞系統(tǒng)。我國量值傳遞系統(tǒng)的最高

6、管理機構(gòu)是國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局。長度量值傳遞系統(tǒng) 長度量值傳遞系統(tǒng)線紋尺角度量值傳遞系統(tǒng) 3量塊 在長度量值傳遞系統(tǒng)中，從基準到工件之間的量值傳遞媒介，主要有線紋尺和量塊，其中尤以量塊的應(yīng)用最廣。 在機械和儀器制造業(yè)中，量塊除廣泛用來檢定和校準各種測量儀器和量具外，還常常用于儀器、機床、夾具等的調(diào)整，有時也直接用于零件的測量和檢驗。量塊的幾個標準 標準編號標準編號標準中文名稱標準中文名稱標準英文名稱標準英文名稱GB/T 6093-2001 幾何量技術(shù)規(guī)范(GPS)長度標準量塊Geometrical product specifications(GPS)-Length standards-Gaug

7、e blocksGB/T 22521-2008 角度量塊Angle block gaugeJB/T 3325-1999 角度量塊及其附件JB/T 3323-2001 量塊附件JB/T 10313-2002 量塊檢驗方法JB/T 10743-2007 陶瓷量塊Ceramic gauge blocks量塊的幾個主要術(shù)語 (1)量塊：是兩相互平行測量面間具有精確尺寸，且其截面為矩形長度的測量工具。 (2)量塊長度：是量塊一個測量面上的任意一點至與此量塊另一測量面相研合的輔助體表面之間的垂直距離。輔助體表面的質(zhì)量和材質(zhì)應(yīng)與量塊相同。 (3)量塊任意點長度：是量塊一個測量面上任意一點(不包括測量面邊緣為

8、0.5mm的區(qū)域)的量塊長度。 (4)量塊中心長度：是量塊一個測量面上中心點的量塊長度。 (5)長度變動量：是量塊測量面上最大量塊長度和最小量塊長度之差 量塊的各表面名稱量塊的精度等級GB/T 60932001依據(jù)量塊長度的極限偏差，長度變動量允許值，測量面的表面粗糙度，測量面的平面度、研合性、尺寸穩(wěn)定性等，將量塊劃分為0，1，2，3和K級，最高精度等級是0級，最低是3級，K級量塊是校準級，其長度極限偏差與1級相同，其長度變動量允許值等指標與0級相同，其中心長度用光波干涉法測量，并給出實測值，K級量塊用作最高級量塊，僅在用比較法檢定0，1，2級量塊時作為基準使用，由于K級量塊的長度極限偏差是0

9、級量塊的4倍，故更容易制造且使用經(jīng)濟。量塊的組合 由于量塊的測量面極為光滑平整，兩塊量塊順其測量面加壓推合即可粘合在一起。利用這種特性，可以在一定的尺寸范圍內(nèi)，用不同尺寸的量塊組合成所需要的各種工作尺寸。常見的成套生產(chǎn)的量塊有83塊、46塊和38塊等規(guī)格。 量塊的組合應(yīng)用組合量塊時，為減少量塊組合的累積誤差，應(yīng)力求使用最少的塊數(shù)，一般不超過45塊。因此，可從消去所需工作尺寸的最小尾數(shù)開始，逐一選取。 量塊的組合應(yīng)用 為得到工作尺寸36.375mm的量塊組，從83塊組中選取量塊 4計量儀器分類及其度量指標 1、計量器具的分類按被測幾何量在測量過程中的變換原理的不同，計量器具可以分為： (1)機械

10、式計量器具：用機械方法來實現(xiàn)被測量的變換和放大的計量器具，如千分尺(螺紋測微計)、百分表、杠桿比較儀等。 (2)光學式計量器具：用光學方法來實現(xiàn)被測量的變換和放大的計量器具，如光學計、光學分度頭、投影儀、干涉儀等。 (3)電動式計量器具：將被測量先變換為電量，然后通過對電量的測量來完成被測幾何量測量的計量器具，如電感測微儀、電容測微儀等。 (4)氣動式計量器具：將被測幾何量變換為氣動系統(tǒng)狀態(tài)(流量或壓力)的變化，檢測此狀態(tài)的變化來實現(xiàn)被測幾何量測量的計量器具，如水柱式氣動量儀、浮標式氣動量儀。 (5)光電計量器具：用光學方法放大或瞄準，通過光電元件再轉(zhuǎn)化為電量進行檢測，以實現(xiàn)被測幾何量測量的計

11、量器具。如光柵式測量裝置、光電顯微鏡、激光干涉儀等。4計量儀器分類及其度量指標 2、計量器具的基本度量指標(1)刻度間距C (2)分度值i，(亦稱刻度值、分辨力) (3)靈敏度S (4)示值范圍 (5)測量范圍 (6)示值誤差 (7)示值變動性 (8)回程誤差 (9)測量力 (1)刻度間距C：計量器具標尺或圓刻度盤上兩相鄰刻線中心之間的距離或圓弧長度?？潭乳g距太小，會影響估讀精度，太大則會加大讀數(shù)裝置的輪廓尺寸。為適于人眼觀察，刻度間距一般為0.752.5mm。 (2)分度值i，(亦稱刻度值、分辨力)：各刻度間距所代表的量值或指量儀顯示的最末一位數(shù)字所代表的量值。在長度測量中，常用的分度值有0

12、.01mm，0.005mm，0.002mm以及0.001mm等幾種。對于有些量儀(如數(shù)字式量儀)，由于非刻度盤指針顯示，就不稱為分度值，而稱分辨力。 4計量儀器分類及其度量指標 (3)靈敏度S：指針對標尺的移動量dL與引起此移動量的被測幾何量的變動量dX之比，即S=dLdX。靈敏度亦稱傳動比或放大比，它表示計量器具放大微小量的能力。 (4)示值范圍：是指計量器具所能顯示或指示的被測量起始值到終止值的范圍。4計量儀器分類及其度量指標 (5)測量范圍：是指計量器具的誤差處于規(guī)定極限內(nèi)，所能測量的被測量最小值到最大值的范圍。如書中圖10-6所示比較儀，懸臂的升降可使測量范圍增大達到0180mm。 (

13、6)示值誤差：示值誤差是指計量器具顯示的數(shù)值與被測幾何量的真值之差。示值誤差是代數(shù)值，有正、負之分。一般可用量塊作為真值來檢定出計量器具的示值誤差。示值誤差愈小，計量器具的精度就愈高。 4計量儀器分類及其度量指標 (7)示值變動性：在測量條件不作任何改變的情況下，同一被測量進行多次重復測量讀數(shù)，其結(jié)果的最大差異。 (8)回程誤差：在相同情況下，計量器具正反行程在同一點示值上被測量值之差的絕對值。引起回程誤差的主要原因是量儀傳動元件之間存在間隙。 (9)測量力：接觸測量過程中測頭與被測物體之間的接觸壓力。過大的測量力會引起測頭和被測物體的變形，從而引起較大的測量誤差，較好的計量器具一般均設(shè)置有測

14、量力控制裝置。 4計量儀器分類及其度量指標計量器具的度量指標10.3 測量方法及有關(guān)原則 1、測量方法的分類 根據(jù)是否直接測量出被測量進行分類，測量方法可以分為： (1)直接測量：直接測量的數(shù)值直接由計量器具讀出。例如，用游標卡尺測量軸的直徑，便直接能從卡尺上讀出軸的直徑尺寸。(2)間接測量：欲測量的數(shù)值由實測的量的數(shù)值按一定的函數(shù)關(guān)系式運算后得到。10.3 測量方法及有關(guān)原則 1、測量方法的分類 根據(jù)測量時是否與標準件進行比較作分類，測量方法可以分為： (1)絕對測量：指測量時被測幾何量的絕對數(shù)值由計量器具的顯示系統(tǒng)直接讀出。例如用測長儀測量軸徑，其尺寸由儀器標尺直接讀出。 (2)相對測量：

15、指測量時先用標準件調(diào)整計量器具零位，再由標尺讀出被測幾何量相對于標準件的偏差，被測幾何量的數(shù)值等于此偏差與標準件量值之和。一般來說，相對測量法比絕對測量法精度高。10.3 測量方法及有關(guān)原則 1、測量方法的分類 根據(jù)測量時工件被測表面與計量器具是否有機械接觸進行分類，測量方法可以分為：(1)接觸測量：指計量器具的測頭與工件被測表面有機械接觸。例如，千分尺測量軸徑。(2)非接觸測量：指計量器具的測頭與工件被測表面無機械接觸。例如，用工具顯微鏡測量零件幾何尺寸，用電容測微儀測量跳動等。10.3 測量方法及有關(guān)原則 2 有關(guān)測量原則 為了減小測量誤差，提高測量精度，在進行精密測量時常要求遵循一些測量

16、原則，以下介紹幾個常用的原則：1、阿貝測長原則、阿貝測長原則 2、最短測量鏈原則、最短測量鏈原則3、圓周封閉原則、圓周封閉原則10.3 測量方法及有關(guān)原則 1、阿貝測長原則 長度測量時需要計量器具的測量頭或量臂移動，如游標卡尺、千分尺，其活動部件移動方向的正確性通?？繉к壉ＷC。導軌的制造與安裝誤差(如直線度誤差及配合處的間隙)會造成移動方向的偏斜。為了減小這種方向偏斜對測量結(jié)果的影響，1890年德國人艾恩斯特阿貝(Ernst Abbe)提出了以下指導性原則：在長度測量中，應(yīng)將標準長度量(標準線)安放在被測長度量(被測線)的延長線上。這就是阿貝測長原則。也就是說，量具或儀器的標準量系統(tǒng)和被測尺寸

17、應(yīng)成串聯(lián)形式。 10.3 測量方法及有關(guān)原則2、最短測量鏈原則 在長度測量中，整個測量系統(tǒng)由多個環(huán)節(jié)組成，如測量臺架、墊塊、調(diào)節(jié)裝置、讀數(shù)裝置、測量頭等，最終形成兩測量面，立式測量儀器即為測頭端面與工作臺面，臥式測量儀器即為活動測頭與固定測頭的端面。測量鏈則由測量系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)再經(jīng)由兩測量面與被測工件連成封閉鏈。測量時，測量鏈中各組成環(huán)節(jié)的誤差對測量結(jié)果有直接的影響(誤差傳遞系數(shù)通常為1)，即測量鏈的最終測量誤差是各組成環(huán)節(jié)誤差的累積值。因此，盡量減少測量鏈的組成環(huán)節(jié)可以減小測量誤差，這就是最短測量鏈原則。正因為這樣，在用量塊組合尺寸時，應(yīng)使量塊數(shù)量盡可能減少；在用指示表測量時，在測頭與被測工

18、件及工作臺之間，應(yīng)不墊或盡量少墊量塊，表架的懸伸支臂與立柱應(yīng)盡量縮短等。10.3 測量方法及有關(guān)原則 3、圓周封閉原則 在圓周分度器件（如刻度盤、圓柱齒輪等）的測量中，利用在同一圓周上所有夾角之和等于360，即所有夾角誤差之和等于零的這一自然封閉特性，在沒有更高精度的圓分度基準器件的情況下，采用“自檢法”也能達到高精度測量的目的。圓柱齒輪齒距誤差的測量便是一例，齒距的公稱值正是對應(yīng)于用齒數(shù)等分360所得的圓心角，測得整個齒輪的全部實際齒距，其平均值即為其公稱值，而每一實際齒距與它的差值便是各個齒的齒距偏差。10.4 測量誤差及數(shù)據(jù)處理 測量誤差的基本概念 測量誤差是被測量的實際測量結(jié)果X與被測

19、量的真值Q之差，即=XQ上式表達的誤差也叫絕對誤差，而絕對誤差與真值之比的百分數(shù)稱為相對誤差r，即r=/Q 100%相對誤差是無量綱量，當被測量值不同且相差較大時，用它更能清楚地比較或反映兩測量值的準確性。以上計算式要有真值才能求出結(jié)果，而真值具有不能確定的本性，故實際中常用對被測量多次重復測量所得的平均值作為約定真值。10.4 測量誤差及數(shù)據(jù)處理 測量誤差分類按誤差的性質(zhì)，測量誤差分為 隨機誤差、 系統(tǒng)誤差和粗大誤差三類測量誤差分類 (1)隨機誤差：在相同條件下對同一量的多次重復測量過程中，以不可預知方式變化的一種誤差叫做隨機誤差，它是整個測量誤差中的一個分量。這一分量的大小和符號不可預定，

20、它的分散程度，稱為“精密度”。 隨機誤差按其本質(zhì)被定義為：測得值與對同一被測量進行大量重復測量所得結(jié)果的平均值之差。在測量過程中量儀的不穩(wěn)定造成的誤差；環(huán)境條件中溫度的微小變動和地基振動等所造成的誤差，均屬于隨機誤差。 測量誤差分類 (2)系統(tǒng)誤差：在相同條件下對同一被測量的多次測量過程中，保持恒定或以可預知方式變化的測量誤差的分量叫做系統(tǒng)誤差，即誤差的絕對值和符號固定不變。 按其本質(zhì)被定義為：對同一被測量進行大量重復測量所得的結(jié)果的平均值，與被測量真值之差。它的大小表示測量結(jié)果對真值的偏離程度，反映測量的“正確度”，對測量儀器而言，可稱為偏移誤差。如量塊檢定后的實際偏差，在按“級”使用此量塊

21、的測量過程中，它便是定值系統(tǒng)誤差。 測量誤差分類 (3)粗大誤差：是指明顯超出規(guī)定條件下預期的誤差。 粗大誤差也稱疏忽誤差或粗差。 引起粗大誤差的原因如： 錯誤讀取示值； 使用有缺陷的測量器具； 量儀受外界振動、電磁等干擾而發(fā)生的指示突跳等都屬于粗大誤差。(a)精密度高 (b)正確度高 (c)準確度高 (d)準確度低精密度、正確度和準確度 精密度精密度 反映測量結(jié)果中隨機誤差的影響程度。它是指連續(xù)多次測量所得值之間相互接近的程度。若隨機誤差小，則精密度高。正確度正確度 反映測量結(jié)果中系統(tǒng)誤差的影響程度。若系統(tǒng)誤差小，則正確度高。 準確度準確度 反映測量結(jié)果中系統(tǒng)誤差和隨機誤差的綜合影響程度。若

22、系統(tǒng)誤差和隨機誤差都小，則準確度高。 測量數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)處理包括下列內(nèi)容： 1、系統(tǒng)誤差的消除2、隨機誤差的處理3、粗大誤差的處理 對同一量進行相同條件下的重復多次的測量，取得一系列的包含有誤差的數(shù)據(jù)，按統(tǒng)計方法處理，獲知各類誤差的存在和分布，分別給以恰當?shù)奶幚恚罱K得到較為可靠的測量值，并給出可信程度的結(jié)論。 測量數(shù)據(jù)處理 1、系統(tǒng)誤差的消除測量過程中的系統(tǒng)誤差可分為定值系統(tǒng)誤差和變值系統(tǒng)誤差，具有不同的特性。定值系統(tǒng)誤差是對每一測量值的影響均為相同常量，對誤差分布范圍的大小沒有影響，但使算術(shù)平均值產(chǎn)生偏移，通過對測量數(shù)據(jù)的觀察分析，或用更高精度的測量鑒別，可較容易地把這一誤差分量分離出來并

23、作修正；變值系統(tǒng)誤差的大小和方向則隨測試時刻或測量值的不同大小等因素按確定的函數(shù)規(guī)律而變化。如果確切掌握了其規(guī)律性，則可以在測量結(jié)果中加以修正。消除和減少系統(tǒng)誤差的方法常見有：補償修正法、抵消法、對稱法、半周期法等。測量數(shù)據(jù)處理 2、隨機誤差的處理 在測量過程數(shù)據(jù)中，排除系統(tǒng)誤差和粗大誤差后余下的便是隨機誤差。隨機誤差的處理是從它的統(tǒng)計規(guī)律出發(fā)，按其為正態(tài)分布，（見標準GB/T 4889-2008 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理和解釋 正態(tài)分布均值和方差的估計與檢驗）求測得值的算術(shù)平均值以及用于描述誤差分布的標準偏差。隨機誤差是不可消除的一個誤差分量，進行分析處理的目的是為了得知測得值的精確程度。通過對求得的標