新测量技术基础PPT课件

1、一 测量的定义 测量就是为确定被测对象量值而进行的实验过程。 L=qE 本章所研究的测量是几何量测量，包括长度、角度、表面粗糙度、形位误差等的测量 。第1页/共76页二 测量的四要素1.被测对象2.计量单位 我国从1984年起实行法定计量单位，确定以米制作为我国的基本计量制度。长度量的基本单位是米(m) 1mm=10-3m 1m=10-3mm 1nm=10-3m第2页/共76页3. 测量方法 测量时所采用的测量原理、计量器具和测量条件的总和.4. 测量精度 指测量结果与被测量真值一致的程度。任何测量结果都是以一近似值表示。不知道测量精度的测量结果是不完整的。对测量的基本要求是：必须将测量误差控

2、制在允许的限度内，保证所需的测量效率，并做到经济合理。 第3页/共76页第二节 长度基准和量值的传递一、长度基准及长度单位二、长度量值传递系统三、量块 第4页/共76页1.长度基准 指定义、复现、保存长度单位并通过它传递给其他计量器具的物体2.长度单位 米是光在真空中在1/299792458秒的时间间隔内所经过的距离。 采用激光波长作为长度基准一、长度基准及长度单位第5页/共76页二、长度量值传递系统 必须建立一套从长度基准到实际测量工作中使用的各种计量器具，直至被测零件的量值传递系统 两种基准实物体：刻线线纹尺和端面量具（量块） 第6页/共76页图3-1 量值传递系统第7页/共76页三、量块

3、 量块又称块规，是一种高精度的平面平行端面量具 量块通常为矩形截面的长方体 相研合而组合使用 经过复杂特殊的热处理后，其表面硬度不低于HRC63，且具有耐磨性好，不易变形，性质稳定等特点 第8页/共76页图3-2 3-2 长度量值传递系统第9页/共76页1. 量块的定义 （1）量块长度 量块一个测量面上的任意点到与其相对的另一测量面相研合的辅助体表面之间的垂直距离 （2）量块中心长度 对应于量块未研合测量面中心点的量块长度 llc第10页/共76页（3）量块标称长度 标记在量块上，用以标明其与主单位之间关系的量值，也称为量块长度的示值（4）任意点的量块长度相对于标称长度的偏差e ,指代数差 （

4、5）量块长度变动量V 最大长度lmax与最小长度lmin之差（6）研合性 量块的一个测量面与另一量块测量面或与另一经精加工的类似量块测量面的表面，通过分子力的作用而相互粘合的性能 lnlnl第11页/共76页图3-3 3-3 量块及其测量面第12页/共76页图3 34 4 有关量块长度的定义第13页/共76页 2. 量块的精度 1）按其制造精度分为五级，即0，1，2，3和K级，K级为校准级。 量块长度极限偏差te 量块长度变动量的允许值tv 第14页/共76页 表3-1 各级量块的精度指标 （摘自GB/T 60932001） . K级 0级 1级 2级 3级 量 块 测 量 面上 任 意 点

5、长度 相 对 于 标称 长 度 的 极限 偏 差 te 量 块 长度 变 动量 最 大允 许 值 tv 量 块 测 量 面上 任 意 点 长度 相 对 于 标称 长 度 的 极限 偏 差 te 量 块 长度 变 动量 最 大允 许 值 tv 量 块 测 量 面上 任 意 点 长度 相 对 于 标称 长 度 的 极限 偏 差 te 量 块 长度 变 动量 最 大允 许 值 tv 量 块 测 量 面上 任 意 点 长度 相 对 于 标称 长 度 的 极限 偏 差 te 量 块 长度 变 动量 最 大允 许 值 tv 量 块 测 量 面上 任 意 点 长度 相 对 于 标称 长 度 的 极限 偏 差

6、 te 量 块 长度 变 动量 最 大允 许 值 tv 标 称 长 度ln m m m ln 10 0.20 0.05 0.12 0.10 0.20 0.16 0.45 0.30 1.00 0.50 10ln25 0.30 0.05 0.14 0.10 0.30 0.16 0.60 0.30 1.20 0.50 25ln50 0.40 0.06 0.20 0.10 0.40 0.18 0.80 0.30 1.60 0.55 50ln75 0.50 0.06 0.25 0.12 0.50 0.18 1.00 0.35 2.00 0.55 75ln100 0.60 0.07 0.30 0.12 0

7、.60 0.20 1.20 0.35 2.50 0.60 100ln150 0.80 0.08 0.40 0.14 0.80 0.20 1.60 0.40 3.00 0.65 150ln200 1.00 0.09 0.50 0.16 1.00 0.25 2.00 0.40 4.00 0.70 200ln250 1.20 0.10 0.60 0.16 1.20 0.25 2.40 0.45 5.00 0.75 注 ： 距 离 测 量 面 边 缘0.8m m范 围 内 不 计 。 第15页/共76页 2）量块按其检定精度分为五等(老标准为6等），即1，2，3，4，5等。 量块测量的不确定度和量块长

8、度变动量允许值 第16页/共76页 表3-2 各等量块的精度指标 （摘自 JJG 1462003） 标称长度（mm）1等2等3等4等5等测量的不确定度允许值变动量允许值测量的不确定度允许值变动量允许值测量的不确定度允许值变动量允许值测量的不确定度允许值变动量允许值测量的不确定度允许值变动量允许值mln100.0220.050.060.100.110.160.220.300.60.510ln250.0250.050.070.100.120.160.250.300.60.525ln500.0300.060.080.100.150.180.300.300.80.5550ln750.0350.060.

9、090.120.180.180.350.350.90.575ln1000.0400.070.100.120.200.200.400.351.00.6100ln1500.050.080.120.140.250.200.500.401.20.65150ln2000.060.090.150.160.300.250.600.401.50.7200ln2500.070.100.180.160.350.250.700.451.80.75第17页/共76页3. 量块的使用1）按“级”使用：包含了量块的实际制造误差。2）按“等”使用：不包含制造误差，但包含 了量块检定时相对较小的测量误差。 按“等”使用的测量

10、精度比按“级”使用的高。第18页/共76页4. 量块的组合(由于具有研合性)成套量块有91块、83块、46块、38块等17种套别 求用最少的块数来组成所需的尺寸 “去尾数”原则 第19页/共76页表3-3 3-3 成套量块的组合尺寸（摘自 GB/T 6093GB/T 609320012001） 第20页/共76页例3-1 试从83一套的量块中组成所需要的尺寸： 58.865mm。 58865 所需量块尺寸 1005 第一块量块尺寸 5786 136 第二块量块尺寸 565 65 第三块量块尺寸 50 第四块量块尺尺寸即：58.865=(1.005+1.36+6.5+50)mm第21页/共76页

11、第三节 计量器具与测量方法 一、计量器具的分类 二、计量器具的技术性能指标 三、测量方法的分类第22页/共76页一、计量器具的分类1. 量具（1）单值量具（2）多值量具（3）标准量具（4）量规 第23页/共76页2. 计量仪器（1）机械式量仪（2）光学式量仪（3）电动式量仪（4）气动式量仪（5）光机电综合类量仪 3. 计量装置 第24页/共76页二、计量器具的技术性能指标1. 刻度间距c2. 分度值i3. 示值范围b4. 测量范围B5. 灵敏度K K= c/ i6. 示值误差7. 示值变动8. 不确定度9. 修正值 第25页/共76页图3-5 机械式比较仪的技术性能指标 第26页/共76页三、

12、测量方法的分类1. 按示值方式不同分类（1）绝对测量（2）相对测量（比较测量）2. 按测量结果获得方法不同分类（1）直接测量（2）间接测量如用弓高弦长法间接测量圆弧半径R。为了得到R的量值，只要测得弓高h和弦长b的量值，然后按公式计算即可：R=b2/(8h)+h/2第27页/共76页图3 36 6 弓高弦长法测量圆弧半径第28页/共76页3. 按计量器具的测量元件与被测零件表面之间是否有机械接触分类（1）接触测量（2）非接触测量4. 按测量条件在整个测量过程中是否发生变化分类（1）等精度测量（2）不等精度测量5. 按零件上同时被测参数的多少及参数的特性分类（1）单项测量（2）综合测量第29页/

13、共76页6. 按在工艺过程中的作用分类（1）主动测量（2）被动测量7. 按测量时计量器具的测量元件与被测零件之间是否有相对运动分类（1）静态测量（2）动态测量 第30页/共76页第四节 测量误差及数据处理 一、测量误差及其表示方法二、测量误差的来源及其减小的措施三、测量误差的分类及处理四、测量精度的分类五、测量误差合成及数据的处理 第31页/共76页一、测量误差及其表示方法1、测量误差的含义 测量误差是指测得值与被测量真值之间的差异在数值上的表现形式。2、测量误差的表示方法 （1）绝对误差 0 xx第32页/共76页（2）相对误差 通常把测量绝对误差的变化范围叫做测量极限误差， 用 表示 x0

14、 或 %100000 xxxxxlimlimxlimxlim0 xx第33页/共76页二、测量误差的来源及其减小措施 1.计量器具误差（1）基准件误差 （2）原理误差 阿贝原则是指在设计计量器具或测量零件时，应将被测长度与基准长度安置在同一直线上的原则。 （3）测量力引起的误差 （4）读数误差（5）计量器具的制造与安装误差 第34页/共76页2. 测量方法误差3. 环境误差4. 人员误差 )()20)(121212tttxx22lim2121lim212lim)( x20201122ttxx第35页/共76页三、测量误差的分类及处理 （一）随机误差1.随机误差的定义 在相同条件下，多次测量同一

15、量值时，其误差的大小和符号以不可预见的方式变化的误差第36页/共76页 2. 随机误差的分布及其特性例3-2 对同一被测量进行等精度的150次测量，将150个测得值按等间隔分成11组，各组的尺寸范围及相应的中值 出现的次数 和频率 列于表3-4。显然总测量次数ixinNni/1/;NnnNii第37页/共76页根据表3-4的数据，以横坐标代表各组的中值，纵坐标代表频率，可作出如图3-7a所示频率直方图。连接各矩形顶边中心，得到折线所示的随机误差实际分布曲线。当 时，则得到图3-7b所示的光滑曲线随机误差的正态分布曲线。 0,xN第38页/共76页表3-4 3-4 数据表 序号 i 测 量 值

16、范 围 测量中值 ix 出现次数 in 频率 Nni/ 1 7.130 57.131 5 7.131 1 0.007 2 7.131 57.132 5 7.132 3 0.020 3 7.132 57.133 5 7.133 8 0.054 4 7.133 57.134 5 7.134 18 0.120 5 7.134 57.135 5 7.135 28 0.187 6 7.135 57.136 5 7.136 34 0.227 7 7.136 57.137 5 7.137 29 0.193 8 7.137 57.138 5 7.138 17 0.113 9 7.138 57.139 5 7.

17、139 9 0.060 10 7.139 57.140 5 7.140 2 0.013 11 7.140 57.141 5 7.141 1 0.007 第39页/共76页第40页/共76页四个分布特性（1）单峰性 （2）对称性（3）有界性（4）抵偿性22221ey第41页/共76页3. 随机误差的评定指标（1）测量列的算术平均值xniinxnnxxxx1211第42页/共76页（2）测量列中单次测量的标准偏差 ,而 即 越小， 越大 nnniin122222121maxy3213max2max1maxyyymaxy第43页/共76页第44页/共76页（3）残余误差 v111222221nvnv

18、vvniinxxii第45页/共76页（4）测量列算术平均值的标准偏差 一般取（5）测量极限误差 若随机误差落在整个分布范围 内，则其概率 为： nxlim1510n),(P121),(222deydP第46页/共76页 若随机误差落在区间 内，则其概率为为计算方便，对上式进行变量置换，令 则上式化为：令 ，则 ),(PdeydP222),(21/t/ddt tttttdtedteP022222221)(2tPttdtet02221)(第47页/共76页 函数 称为拉普拉斯函数，也称正态概率积分， 称为置信系数。确定了 值，即可求出 。实际使用时，可直接查正态分布积分表。 当 时，在 范围内的

19、概率为99.73%。 单次测量的极限误差： 算术平均值的极限误差：t)(tt)( t3t33limnxx33lim第48页/共76页表3-5 3-5 典型值对应的概率 /t t )(t 不不超超出出的的概概率率 )(2 tP 超超出出的的概概率率 )(21tP 1 0.3413 0.6826 0.3174 2 2 0.4772 0.9544 0.0456 3 3 0.49865 0.9973 0.0027 4 4 0.499968 0.99936 0.00064 第49页/共76页（二）系统误差 1.系统误差的定义和分类 系统误差是指在相同条件下，多次重复测量同一量值时，误差的大小和符号保持不

20、变或按一定规律变化的误差。前者称为定值系统误差，后者称为变值系统误差 理论上讲，系统误差的大小和符号是确定的、可知的，因而也是可以消除的. 分为已定系统误差和未定系统误差 已定系统误差设法消除或修正,未定系统误差按随机误差处理，因为只能估计出误差的极限范围。第50页/共76页2、测量列中系统误差的处理 （1）定值系统误差的发现（2）变值系统误差的发现 残余误差观察法 主要适用于发现大小和符号按一定规律变化的变值系统误差。第51页/共76页 第52页/共76页（3）系统误差的消除1）根除法 2）修正法 3）抵消法 4）对称测量法 5）半周期法 第53页/共76页（三）粗大误差 定义：指超出在一定

21、测量条件下预计的测量误差，即对测量结果产生明显歪曲的测量误差 （1）拉依达准则（2）格拉布斯准则 一次只能剔除其中 最大的那个数据 3ivGviiv第54页/共76页表3-6 G3-6 G值 aP aP n 0.95 0.99 n 0.95 0.99 5 1.67 1.75 15 2.41 2.70 6 1.82 1.94 16 2.44 2.75 7 1.94 2.10 17 2.48 2.78 8 2.03 2.22 18 2.50 2.82 9 2.11 2.32 19 2.53 2.85 10 2.18 2.41 20 2.56 2.88 11 2.23 2.48 30 2.74 3.

22、10 12 2.28 2.55 40 2.87 3.24 13 2.33 2.61 50 2.96 3.34 14 2.37 2.66 100 3.17 3.59 第55页/共76页四、测量精度的分类 1.精密度 2.正确度 3.准确度（精确度）第56页/共76页五、测量误差合成及数据的处理（一）直接测量数据的处理 1、单次测量数据的处理nini121nlim2lim1limlimnii12limlim0 xx第57页/共76页例3-3 用外径千分尺测量黄铜材料轴的直径。测得的实际直径 mm；车间温度为 ，等温后被测轴与外径千分尺的温差不超过1；外径千分尺零点不准确，有+0.005mm的示值误

23、差；外径千分尺的极限误差 试估算测量误差，并写测量结果（已知 ， ）。解 （1）确定各类误差1）单次测量一般都比较谨慎，故可认为没有粗大误差。2）已定系统误差：千分尺的误差，m51lim125.600d)523(/105 .1161/101862mmm5005. 01第58页/共76页温度引起的误差根据公式（3-4）有3）随机误差：千分尺的极限误差，由车间温度变化和被测轴与千分尺的温度差所引起的未定系统误差，根据公式（3-5）有： 22lim2121lim2122lim)(x622221015 .115)5 .1118(125.60mmm2002. 0)()20)(1212122tttxmm6

24、1003)5 .1118(125.60mmm10012.0m51lim第59页/共76页（2）各类误差合成总的已定系统误差： 总的极限误差： （3）测量结果为： mm6) 15(21m4 . 5252222lim21limlimlim)(addmmmm)005. 0119.60(0054. 0)006. 0125.60(第60页/共76页 2、多次测量数据的处理多次测量结果应表示为： lim0 xx第61页/共76页 例3-4 在立式光学比较仪上，用工作尺寸L0=30mm的四等量块作基准，测量基本尺寸为30mm的光滑极限量规。测量时室温为 ，测量前有等温过程。若所用的立式光学比较仪有+0.3m

25、的零位误差，所用量块中心长度的实际偏差为-0.2m，检定四等量块的测量不确定度为 m，重复10次测量的读数（即量规相对于量块的偏差）见表3-7第2列所示，试计算测量结果。 C)120(3 . 0第62页/共76页表3-7 3-7 数据处理计算表 序号 m m m2mm21+4.5+0.50.25+0.140.022+4.3+0.30.090.060.0043+4.4+0.40.16+0.040.0024+4.4+0.40.16+0.040.0025+4.2+0.20.040.160.0266+4.4+0.40.16+0.040.0027+4.3+0.30.090.060.0048+0.8-3.

26、210.249+4.2+0.20.040.160.02610+4.5+0.50.25+0.140.020 . 4x0iv48.112iv0iv106. 02iv第63页/共76页解：（1）计量测量列的算术平均值：（2）计算残余误差：其计算结果列入表中第3列。（3）检查有无显著变值系统误差：根据残差观察法，这些残差没有明显的变化规律，因而可以认为测量列中不存在变值系统误差。（4）计算标准偏差：mxxnxniiii11010.41011mmnvnii13.111048.11112第64页/共76页（5）根据格拉布斯准则判断有无粗大误差：取置信概率 , ,查表3-6，得 ,故 ，由表中数据可知， ，

27、所以 应予剔除。（6）重新计算算术平均值、残差和标准偏差：各残余误差值列入表3-7中第5行 41. 2G99. 0aP10nmG72. 213. 141. 2Gv88xmxxii9136. 491mm12. 019106. 0第65页/共76页（7）再次判断有无粗大误差：查表3-6得，由表中数据可知， 故已无粗大误差。8）计算已定系统误差立式光学比较仪的零位误差量块中心长度的实际偏差 由于被测零件与量块材料的线膨胀系数接近，且测量时的温度与标准温度相差较小，测量前又经过等温处理，所以温度所引起的误差可忽略不计。因此 32. 2GmG27. 0Gvim3 . 01m2 . 02mm1 . 0)

28、2 . 03 . 0(21第66页/共76页（9）计算测量的极限误差四等量块的测量不确定度测量列算术平均值的极限误差所以（10）计算测量结果1）被测量规的尺寸为：2）最终测量结果可表示为： m3 . 01limmn12. 0936. 032limm32. 012. 03 . 02222lim21limlimmmmmxdd0043.30)0001. 00044. 030()(0mmd)0003. 00043.30(第67页/共76页(二)间接测量数据的处理 1、已定系统误差的处理 为各测量值 的误差传递系数2、随机误差的处理 ),(21mx，xxfyixfixmiiimmxxfxxfxxfxxfy12211mixixmxxyimxfxfxfxf122222222221第68页/共76页 为各直接测量值的极限误差 为函数（被测量）的测量极限误差2lim222lim222lim21lim1mmxyxfxfxf2lim21ixmiixfixlimylim第69页/共76页例 3