长度测量基础

1、第二章 长度测量基础第一节第一节 测量的基本概念测量的基本概念所谓“测量”就是将被测的量与作为单位或标准的量，在量值上进行比较，从而确定二者比值的实验过程。 若被测量为L，标准量为E，那么测量就是确定L是E的多少倍。即确定比值q = L / E，最后获得被测量L的量值，即 L = qE。一个完整的测量过程应包含:测量对象:主要是指几何量计量单位:是以定量表示同种量的量值而约定采用的特定量。测量方法：是指在进行测量时所用的按类叙述的一组操作逻辑次序。测量精确度（或准确度）：是指测量结果与真值的一致程度。四个要素第二节 尺寸传递n在国际单位制及我国法定计量单位中，长度的基本单位名称是“米”，其单位

2、符号为“m”。 n“米”的定义于18世纪末始于法国，当时规定“米等于经过巴黎的地球子午线的四千万分之一”。19世纪“米”逐渐成为国际通用的长度单位。1889年在法国巴黎召开了第一届国际计量大会，从国际计量局订制的30根米尺中，选出了作为统一国际长度单位量值的一根米尺，把它称之为“国际米原器”。 n1983年第17届国际计量大会又更新了米的定义，规定：“米”是平面电磁波在真空中1/299792458s的时间间隔内行进路程的长度。 n使用波长作为长度基准，虽然可以达到足够的精确度，但因对复现的条件有很高的要求，不便在生产中直接用于尺寸的测量。因此，需要将基准的量值按照定义的规定，复现在实物计量标准

3、器上。常见的实物计量标准器有量块（块规）和线纹尺。 n量块用铬锰钢等特殊合金钢或线膨胀系数小、性质稳定、耐磨以及不易变形的其它材料制成。其形状有长方体和圆柱体两种，常用的是长方体。 量块的构成n长方体的量块有两个平行的测量面，其余为非测量面。测量面极为光滑、平整，其表面粗糙度Ra值达0.012m以上。量块的构成：量块的构成： 两相互平行的测量面之间的距离为量块的工作长度，称为标称长度标称长度（量块上标出的长度）。从量块一个测量面上任一点到与此量块下测量面相研合的辅助体表面之间的垂直距离称为量量块长度块长度Li。从量块一个测量面中心点到与这个量块另一个测量面相研合的面的垂直距离称为量块的中心长度

4、中心长度。 L4L3L2L量块L1平晶图2-3 量块量块的用途1.作为长度尺寸标准的实物载体，将国家的长度基准按照一定的规范逐级传递到机械产品制造环节，实现量值统一。2.作为标准长度标定量仪，检定量仪的示值误差。3.相对测量时以量块为标准，用测量器具比较量块与被测尺寸的差值。4.也可直接用于精密测量、精密划线和精密机床的调整.量块的精度（级） n按国标GB6093-2001规定，量块按制造精度分5级，即K 、0、1、2、3级。分级的主要根据量块长度极限偏差、测量面的平面度、粗糙度及量块的研合性等指标来划分的。量块的精度（级）n量块生产企业大都按“级”向市场销售量块。用量块长度极限偏差用量块长度

5、极限偏差（中心长度（中心长度与标称长度允许的最大误差）与标称长度允许的最大误差）控制一批相同规格量块的长度变动范围；用量块用量块长度变动量（长度变动量（量块最大长度与最小长度之差）控制每一个量块两测量面间各对应点的长度变动范围。n用户则按量块的标称尺寸使用量块。因此，按“级”使用量块必然受到量块长度制造偏差的影响，将把制造误差带入测量结果。量块的精度（等）n制造高精度的量块的工艺要求高、成本也高，而且即使制造成高精度量块，在使用一段时间后，也会因磨损而引起尺寸减小，使其原有的精度级别降低。因此，经过维修或使用一段时间后的量块，要定期送专业部门按照标准对其各项精度指标进行检定，确定符合哪一“等”

6、，并在检定证书中给出标称尺寸的修正值。 JJG146-2003量块检定规程规定了量块按其检定精度分为五等，即1、2、3、4、5等，其中1等精度最高，5等精度最低，“等”主要依据检定量块时的测量总不确定度来划分的。量块的“级”与“等”n量块的“级”和“等”是从成批制造和单个检定两种不同的角度出发，对其精度进行划分的两种形式。按“级”使用时，以标记在量块上的标称尺寸作为工作尺寸，该尺寸包含其制造误差。按“等”使用时，必须以检定后的实际尺寸作为工作尺寸，该尺寸不包含制造误差，但包含了检定时的测量误差。就同一量块而言，检定时的测量误差要比制造误差小得多。所以，量块按“等”使用时其精度比按“级”使用要高

7、，且能在保持量块原有使用精度的基础上延长其使用寿命。量块的组合n量块在使用时，常常用几个量块组合使用。为了能用较少的块数组合成所需要的尺寸，量块应按一定的尺寸系列成套生产供应。国家标准共规定了17种系列的成套量块。组合量块时，为减少量块组合的累积误差，应尽量减少量块的组合块数，一般不超过4块。选用量块时，应从所需组合尺寸的最后一位数开始，每选一块至少应减去所需尺寸的一位尾数n例如，从83块一套的量块中选取尺寸为28.785mm的量块组，选取方法为： 1.005201.286.528.785长度的量值传递n量值传递是“将国家计量基准所复现的计量值，通过检定（或其它方法）传递给下一等级的计量标准（

8、器），并依次逐级传递到工作计量器具上，以保证被测对象的量值准确一致的方式”。我国长度量值传递系统如图所示，从最高基准谱线向下传递，有两个平等的系统，即端面量具（量块）和刻线量具（线纹尺）系统。其中尤以量块传递系统应用最广。角度的量值传递n角度基准与长度基准有本质的区别。角度的自然基准是客观存在的，不需要建立，因为一个整圆所对应的圆心角是定值（2rad或360）。因此，将整圆任意等分得到的角度的实际大小，可以通过各角度相互比较，利用圆周角的封闭性求出，实现对角度基准的复现。n为了检定和测量需要，仍然要建立角度度量的基准 。第三节 测量仪器与测量方法的分类n1、实物量具：使用时以固定形态复现或提供

9、给定量的一个或多个已知值的量具。n2、极限量规n3、显示式测量仪器:是指显示值的测量仪器。n4、测量系统：它是指组装起来以进行特定测量的全套测量仪器和其他设备。根据构造上的特点，计量仪器还可以分为以下7种：n1、游标式量仪（游标卡尺、游表高度尺及游标量角器等）n2、微动螺旋副式量仪（外径千分尺，内径千分尺等）n3、机械式量仪（百分表、千分表、杠杆比较仪，扭簧比较仪等）n4、光学机械式量仪（光学计、测长仪、投影仪、干涉仪等）n5、气动式量仪（压力式、流量计式等）n6、电动式量仪（电接触式、电感式、电容式等）n7、光电式量仪（激光干涉、激光图像、光栅等）测量方法分类 n1、按所测得的量（参数）是否

10、为欲测之量分类n直接测量 从测量器具的读数装置上得到欲测之量的数值或对标准值的偏差。例如用游标卡尺、外径千分尺测量外圆直径，用比较仪测量长度尺寸等。n间接测量 先测出与欲测之量有一定函数关系的相关量，然后按相应的函数关系式，求得欲测之量的测量结果。 测量方法分类 （续）n直接测量又可分为n绝对测量 从测量器具上直接得到被测参数的整个量值的测量。例如用游标卡尺测量零件轴径值。n相对测量 将被测量和与其量值只有微小差别的同一种已知量（一般为测量标准量）相比较，得到被测量与已知量的相对偏差。例如比较仪用量块调零后，测量轴的直径，比较仪的示值就是量块与轴径的量值之差。 测量方法分类 （续）n2、按被测

11、件表面与测量器具测头是否有机械接触分类n接触测量 测量器具的测头与零件被测表面接触后有机械作用力的测量。如用外径千分尺、游标卡尺测量零件等。为了保证接触的可靠性，测量力是必要的，但它可能使测量器具及被测件发生变形而产生测量误差，还可能造成对零件被测表面质量的损坏。n非接触测量 测量器具的感应元件与被测零件表面不直接接触，因而不存在机械作用的测量力。属于非接触测量的仪器主要是利用光、气、电、磁等作为感应元件与被测件表面联系。如干涉显微镜、磁力测厚仪、气动量仪等。测量方法分类 （续）n3、按测量在工艺过程中所起作用分类n在线测量 在加工过程中进行的测量。其测量结果直接用来控制零件的加工过程，决定是

12、否继续加工或判断工艺过程是否正常、是否需要进行调整，故能及时防止废品的发生，所以又称为积极测量。n离线测量 加工完成后进行的测量。其结果仅用于发现并剔除废品，所以被动测量又称消极测量。测量方法分类 （续）n4、按零件上同时被测参数的多少分类n单项测量 单独地、彼此没有联系地测量零件的单项参数。如分别测量齿轮的齿厚、齿形、齿距等。这种方法一般用于量规的检定、工序间的测量，或为了工艺分析、调整机床等目的。n综合测量 检测零件几个相关参数的综合效应或综合参数，从而综合判断零件的合格性。例如齿轮运动误差的综合测量、用螺纹量规检验螺纹的作用中径等。综合测量一般用于终结检验，其测量效率高，能有效保证互换性

13、，在大批量生产中应用广泛。测量方法分类 （续）n5、按被测工件在测量时所处状态分类n静态测量 测量时被测件表面与测量器具测头处于静止状态。例如用外径千分尺测量轴径、用齿距仪测量齿轮齿距等。n动态测量 测量时被测零件表面与测量器具测头处于相对运动状态，或测量过程是模拟零件在工作或加工时的运动状态，它能反映生产过程中被测参数的变化过程。例如用激光比长仪测量精密线纹尺，用电动轮廓仪测量表面粗糙度等。测量方法分类 （续）n6、按测量中测量因素是否变化分类n等精度测量 在测量过程中，决定测量精度的全部因素或条件不变。例如，由同一个人，用同一台仪器，在同样的环境中，以同样方法，同样仔细地测量同一个量。在一

14、般情况下，为了简化测量结果的处理，大都采用等精度测量。实际上，绝对的等精度测量是做不到的。n不等精度测量 在测量过程中，决定测量精度的全部因素或条件可能完全改变或部分改变。由于不等精度测量的数据处理比较麻烦，因此一般用于重要的科研实验中的高精度测量。 第四节计量器具与测量方法的常用术语n1、标尺间距：沿着标尺长度的同一条线测得的任何两个相邻标尺标记之间的距离。n2、分度值：两个相邻标尺标记所对应的标尺值之差。又简称分度值。n3、测量范围：在允许误差限内计量器具的被测量值的范围。计量器具与测量方法的常用术语n4、灵敏度 ：计量仪器的响应变化除以相应的激励变化。当激励和响应为同一类量的情况下，灵敏

15、度也可以称为放大比或放大倍数。如果被测参数的变化量为L，引起测量器具示值变化量为x，则灵敏度S=x/L。当分子分母为同一类量时，灵敏度又称放大比K计量器具与测量方法的常用术语n5、稳定性稳定性：在规定工作条件下，测量仪器保持其计量特性随时间恒定的能力。 6 鉴别力阈鉴别力阈：使测量仪器产生未察觉的响应变化的最大激励变化。8、测量结果的重复性、测量结果的重复性：在相同测量条件下，对同一被测量进行连续多次测量所的结果之间的一致性。7、分辨力分辨力：测量仪器显示装置的分辨力是指显示装置能有效辨别的最小的示值差。一般认为模拟式指示装置其分辨力为标尺间隔的一半，数字式指示装置其分辨力为最后一位数的一个字

16、。计量器具与测量方法的常用术语9、测量仪器的示值测量仪器的示值：测量仪器所给出的量值。10、测量仪器的示值误差测量仪器的示值误差：测量仪器的示值与对应输入量的真值之差。计量器具与测量方法的常用术语13、不确定度：由于测量误差的存在而对被测量值的不肯定程度。11、测量仪器的最大允许误差：技术规范、规程等对给定计量器具所允许的误差极限值。12、修正值：等于负的系统误差。第九节 计量器具的选择一、计量器具的选择原则1、按被测工件的部位、外形及尺寸来选择计量器具，使所选择的计量器具的测量范围能满足工件的要求。2、按被测工件的公差来选择计量器具。计量器具名 称分度值mm所用量块尺寸范围 mm检定等别精度

17、级别11010505080801201201801802600260360360500测 量 极 限 误 差 立式卧式光学计测外尺寸0.00145120.40.70.61.00.81.31.01.61.21.81.82.52.53.53.04.5立式卧式测长0.001绝对测量1.11.51.92.02.32.33.03.5仪测外尺寸卧式测长仪0.001绝对测量2.53.03.33.53.84.24.8测内尺寸测长机0.001绝对测量1.01.31.62.02.54.05.06.0万能工具显微镜0.001绝对测量1.522.52.533.5大型工具显微镜0.01绝对测量55 接触式干涉仪 0.1

18、 表2-6 计量器具的允许误差极限n 通常计量器具的选择可根据标准进行（GB/T3177-1997)。对于没有标准的其它工件检测用的计量器具，应使所选用的计量器具的极限误差约占被测工件公差的1/101/3，其中对低精度的工件采用1/10，对高精度的工件采用1/3甚至1/2。计量器具的选择原则二、 光滑工件尺寸的检验n国标GB/T3177-1997用普通计量器具进行光滑工件尺寸检验，适用于车间用的计量器具。它主要包括两个内容：如何根据工件的基本尺寸和公差等级确定工件的验收极限；如何根据工件公差等级选择计量器具。标准中规定了两种验收极限n1、内缩方式：该方式规定验收极限分别从工件的最大实体尺寸和最小实体尺寸向内缩一个安全裕度A。适用于单一要素包容原则和公差等级较高的场合。标准中规定了两种验收极限n2、不内缩方式:该方式规定验收极限等于工件的最大实体尺寸和最小实体尺寸，即安全裕度A=0。这种验收方式常用于非配合和一般公差的尺寸。n另外，当工艺能力指数 时，其验收极限可按不内缩方式。但当采用包容原则时，在最大实体尺寸一侧仍应按内缩方式确定验收极限。当工件实际尺寸服从偏态分布时，可以只对尺寸偏向的一侧采用内缩方式确定验收极限。安全裕度A的大小由工件公差决定。如表2-7 1PC图2-40 Cp1采用包容要求时的验收极限 Dmax(L) ADmin