第10章 测量技术基础

1、互换性与技术测量第10章 测量技术基础10.1测量的基本概念 1、测量的定义和作用 测量就是为获得被测对象的量值而进行的实验过程。所谓量值是指用一个数和一个特定测量单位表示的量，如1m、5kg等。 对于一般的量，特别是机械制造业中几何量的测量，其实质往往仅是同类量的比较。 10.1测量的基本概念因此，常用下述的测量定义：将被测量与标准量相比较的过程。此过程可用数学表达式描述：Q=xS式中 Q被测量； S标准量； x被测量与标准量的比值。 10.1测量的基本概念 2、在机械、仪表行业中，几何量测量主要有以下作用： (1)在制造过程中，通过测量进行工艺分析，以便确定合理的加工参数，以保证产品的质量

2、。在自动化生产中，误差测量是自动控制系统中的关键环节，否则就失掉了控制的根据。 (2)在设计过程中通过测绘，获得设计所需的参数。 (3)零件或产品完工后验收时，通过测量进行合格性判断。 (4)在计量器具检定时，需要用更高精度的测量，以确保量值准确可靠。为了获得可靠的测量结果，必须有统一的计量单位，必须根据实际情况选择适当的测量方法和计量器具，必须保证测量的精度。 10.1测量的基本概念 3、测量四要素 任何一个完整的测量过程应包括四个要测量对象、计量单位、测量方法、测量精度，即为测量四要素。 10.1测量的基本概念 4、其它与测量有关的基本概念 (1)计量：以保持量值准确统一和传递为目的的专门

3、测量，习惯上称为计量(检定)。(2)几何量：作为测量对象，它包括尺寸(长度、角度)、形状和位置误差、表面粗糙度等。(3)检验：是指判定被测量是否合格的过程，通常不一定要求得到被测量的具体数值。几何量检验即是确定零件的实际几何参数是否在规定的极限范围内，以作出合格与否的判断。(4)测试：是指具有试验研究性质的测量。10.2 计量管理、计量仪器 1、长度、角度单位及基准 生产中的测量需要标准量，而标准量所体现的量值需要由基准提供。1984年国务院发布了关于在我国统一实行法定计量单位的命令，规定我国计量单位一律采用中华人民共和国法定计量单位，其中规定“米”(m)为长度的基本单位，同时使用米的十进倍数

4、和分数的单位。机械制造业中常用的长度单位为毫米(mm)。精密测量时，多用微米(m)为单位。中华人民共和国法定计量单位采用国际单位制中的辅助单位“弧度(rad)”作为平面角的计量单位，同时选定非国际单位制单位度()、分()、秒()作为角度的测量单位。弧度的单位量值是圆周上截取弧长与半径相等的该圆的两条半径之间的平面角。10.2 计量管理、计量仪器1983年10月第十七届国际计量大会审议规定米的定义为：1米是光在真空中在1299792458秒的时间间隔内行进路程的长度。按此定义，在实验室进行基准值复现时，是根据辐射波长=cf关系式，由测出的辐射频率f，与给定的光速值c(物理常数)来复现长度值。我国

5、从1985年3月起已正式使用碘分子饱和吸收稳频的0.612mm氦氖激光辐射作为国家长度基准，其频率稳定度可达10-9。 10.2 计量管理、计量仪器 2、 量值检定及传递 使用辐射线的波长作为长度基准，虽然可以达到足够的准确，但是却不便直接应用于生产中的尺寸测量。因此，需要将基准的量值传递到实际计量器具上。量值传递的过程实际上是一个检定过程。用光波干涉仪检定计量标准器具，用计量标准器具检定使用中的计量器具，再用这些计量器具实现工件尺寸的测量。为了保证长度基准的量值能够准确地传递到生产中去，确保全国量值的准确统一，在组织管理上和技术上都必须建立一套系统，这就是量值传递系统。我国量值传递系统的最高

6、管理机构是国家质量技术监督局。长度量值传递系统 长度量值传递系统线纹尺角度量值传递系统 3量块 在长度量值传递系统中，从基准到工件之间的量值传递媒介，主要有线纹尺和量块，其中尤以量块的应用最广。 在机械和仪器制造业中，量块除广泛用来检定和校准各种测量仪器和量具外，还常常用于仪器、机床、夹具等的调整，有时也直接用于零件的测量和检验。量块的几个标准 标准编号标准编号标准中文名称标准中文名称标准英文名称标准英文名称GB/T 6093-2001 几何量技术规范(GPS)长度标准量块Geometrical product specifications(GPS)-Length standards-Gaug

7、e blocksGB/T 22521-2008 角度量块Angle block gaugeJB/T 3325-1999 角度量块及其附件JB/T 3323-2001 量块附件JB/T 10313-2002 量块检验方法JB/T 10743-2007 陶瓷量块Ceramic gauge blocks量块的几个主要术语 (1)量块：是两相互平行测量面间具有精确尺寸，且其截面为矩形长度的测量工具。 (2)量块长度：是量块一个测量面上的任意一点至与此量块另一测量面相研合的辅助体表面之间的垂直距离。辅助体表面的质量和材质应与量块相同。 (3)量块任意点长度：是量块一个测量面上任意一点(不包括测量面边缘为

8、0.5mm的区域)的量块长度。 (4)量块中心长度：是量块一个测量面上中心点的量块长度。 (5)长度变动量：是量块测量面上最大量块长度和最小量块长度之差 量块的各表面名称量块的精度等级GB/T 60932001依据量块长度的极限偏差，长度变动量允许值，测量面的表面粗糙度，测量面的平面度、研合性、尺寸稳定性等，将量块划分为0，1，2，3和K级，最高精度等级是0级，最低是3级，K级量块是校准级，其长度极限偏差与1级相同，其长度变动量允许值等指标与0级相同，其中心长度用光波干涉法测量，并给出实测值，K级量块用作最高级量块，仅在用比较法检定0，1，2级量块时作为基准使用，由于K级量块的长度极限偏差是0

9、级量块的4倍，故更容易制造且使用经济。量块的组合 由于量块的测量面极为光滑平整，两块量块顺其测量面加压推合即可粘合在一起。利用这种特性，可以在一定的尺寸范围内，用不同尺寸的量块组合成所需要的各种工作尺寸。常见的成套生产的量块有83块、46块和38块等规格。 量块的组合应用组合量块时，为减少量块组合的累积误差，应力求使用最少的块数，一般不超过45块。因此，可从消去所需工作尺寸的最小尾数开始，逐一选取。 量块的组合应用 为得到工作尺寸36.375mm的量块组，从83块组中选取量块 4计量仪器分类及其度量指标 1、计量器具的分类按被测几何量在测量过程中的变换原理的不同，计量器具可以分为： (1)机械

10、式计量器具：用机械方法来实现被测量的变换和放大的计量器具，如千分尺(螺纹测微计)、百分表、杠杆比较仪等。 (2)光学式计量器具：用光学方法来实现被测量的变换和放大的计量器具，如光学计、光学分度头、投影仪、干涉仪等。 (3)电动式计量器具：将被测量先变换为电量，然后通过对电量的测量来完成被测几何量测量的计量器具，如电感测微仪、电容测微仪等。 (4)气动式计量器具：将被测几何量变换为气动系统状态(流量或压力)的变化，检测此状态的变化来实现被测几何量测量的计量器具，如水柱式气动量仪、浮标式气动量仪。 (5)光电计量器具：用光学方法放大或瞄准，通过光电元件再转化为电量进行检测，以实现被测几何量测量的计

11、量器具。如光栅式测量装置、光电显微镜、激光干涉仪等。4计量仪器分类及其度量指标 2、计量器具的基本度量指标(1)刻度间距C (2)分度值i，(亦称刻度值、分辨力) (3)灵敏度S (4)示值范围 (5)测量范围 (6)示值误差 (7)示值变动性 (8)回程误差 (9)测量力 (1)刻度间距C：计量器具标尺或圆刻度盘上两相邻刻线中心之间的距离或圆弧长度。刻度间距太小，会影响估读精度，太大则会加大读数装置的轮廓尺寸。为适于人眼观察，刻度间距一般为0.752.5mm。 (2)分度值i，(亦称刻度值、分辨力)：各刻度间距所代表的量值或指量仪显示的最末一位数字所代表的量值。在长度测量中，常用的分度值有0

12、.01mm，0.005mm，0.002mm以及0.001mm等几种。对于有些量仪(如数字式量仪)，由于非刻度盘指针显示，就不称为分度值，而称分辨力。 4计量仪器分类及其度量指标 (3)灵敏度S：指针对标尺的移动量dL与引起此移动量的被测几何量的变动量dX之比，即S=dLdX。灵敏度亦称传动比或放大比，它表示计量器具放大微小量的能力。 (4)示值范围：是指计量器具所能显示或指示的被测量起始值到终止值的范围。4计量仪器分类及其度量指标 (5)测量范围：是指计量器具的误差处于规定极限内，所能测量的被测量最小值到最大值的范围。如书中图10-6所示比较仪，悬臂的升降可使测量范围增大达到0180mm。 (

13、6)示值误差：示值误差是指计量器具显示的数值与被测几何量的真值之差。示值误差是代数值，有正、负之分。一般可用量块作为真值来检定出计量器具的示值误差。示值误差愈小，计量器具的精度就愈高。 4计量仪器分类及其度量指标 (7)示值变动性：在测量条件不作任何改变的情况下，同一被测量进行多次重复测量读数，其结果的最大差异。 (8)回程误差：在相同情况下，计量器具正反行程在同一点示值上被测量值之差的绝对值。引起回程误差的主要原因是量仪传动元件之间存在间隙。 (9)测量力：接触测量过程中测头与被测物体之间的接触压力。过大的测量力会引起测头和被测物体的变形，从而引起较大的测量误差，较好的计量器具一般均设置有测

14、量力控制装置。 4计量仪器分类及其度量指标计量器具的度量指标10.3 测量方法及有关原则 1、测量方法的分类 根据是否直接测量出被测量进行分类，测量方法可以分为： (1)直接测量：直接测量的数值直接由计量器具读出。例如，用游标卡尺测量轴的直径，便直接能从卡尺上读出轴的直径尺寸。(2)间接测量：欲测量的数值由实测的量的数值按一定的函数关系式运算后得到。10.3 测量方法及有关原则 1、测量方法的分类 根据测量时是否与标准件进行比较作分类，测量方法可以分为： (1)绝对测量：指测量时被测几何量的绝对数值由计量器具的显示系统直接读出。例如用测长仪测量轴径，其尺寸由仪器标尺直接读出。 (2)相对测量：

15、指测量时先用标准件调整计量器具零位，再由标尺读出被测几何量相对于标准件的偏差，被测几何量的数值等于此偏差与标准件量值之和。一般来说，相对测量法比绝对测量法精度高。10.3 测量方法及有关原则 1、测量方法的分类 根据测量时工件被测表面与计量器具是否有机械接触进行分类，测量方法可以分为：(1)接触测量：指计量器具的测头与工件被测表面有机械接触。例如，千分尺测量轴径。(2)非接触测量：指计量器具的测头与工件被测表面无机械接触。例如，用工具显微镜测量零件几何尺寸，用电容测微仪测量跳动等。10.3 测量方法及有关原则 2 有关测量原则 为了减小测量误差，提高测量精度，在进行精密测量时常要求遵循一些测量

16、原则，以下介绍几个常用的原则：1、阿贝测长原则、阿贝测长原则 2、最短测量链原则、最短测量链原则3、圆周封闭原则、圆周封闭原则10.3 测量方法及有关原则 1、阿贝测长原则 长度测量时需要计量器具的测量头或量臂移动，如游标卡尺、千分尺，其活动部件移动方向的正确性通常靠导轨保证。导轨的制造与安装误差(如直线度误差及配合处的间隙)会造成移动方向的偏斜。为了减小这种方向偏斜对测量结果的影响，1890年德国人艾恩斯特阿贝(Ernst Abbe)提出了以下指导性原则：在长度测量中，应将标准长度量(标准线)安放在被测长度量(被测线)的延长线上。这就是阿贝测长原则。也就是说，量具或仪器的标准量系统和被测尺寸

17、应成串联形式。 10.3 测量方法及有关原则2、最短测量链原则 在长度测量中，整个测量系统由多个环节组成，如测量台架、垫块、调节装置、读数装置、测量头等，最终形成两测量面，立式测量仪器即为测头端面与工作台面，卧式测量仪器即为活动测头与固定测头的端面。测量链则由测量系统的各个环节再经由两测量面与被测工件连成封闭链。测量时，测量链中各组成环节的误差对测量结果有直接的影响(误差传递系数通常为1)，即测量链的最终测量误差是各组成环节误差的累积值。因此，尽量减少测量链的组成环节可以减小测量误差，这就是最短测量链原则。正因为这样，在用量块组合尺寸时，应使量块数量尽可能减少；在用指示表测量时，在测头与被测工

18、件及工作台之间，应不垫或尽量少垫量块，表架的悬伸支臂与立柱应尽量缩短等。10.3 测量方法及有关原则 3、圆周封闭原则 在圆周分度器件（如刻度盘、圆柱齿轮等）的测量中，利用在同一圆周上所有夹角之和等于360，即所有夹角误差之和等于零的这一自然封闭特性，在没有更高精度的圆分度基准器件的情况下，采用“自检法”也能达到高精度测量的目的。圆柱齿轮齿距误差的测量便是一例，齿距的公称值正是对应于用齿数等分360所得的圆心角，测得整个齿轮的全部实际齿距，其平均值即为其公称值，而每一实际齿距与它的差值便是各个齿的齿距偏差。10.4 测量误差及数据处理 测量误差的基本概念 测量误差是被测量的实际测量结果X与被测

19、量的真值Q之差，即=XQ上式表达的误差也叫绝对误差，而绝对误差与真值之比的百分数称为相对误差r，即r=/Q 100%相对误差是无量纲量，当被测量值不同且相差较大时，用它更能清楚地比较或反映两测量值的准确性。以上计算式要有真值才能求出结果，而真值具有不能确定的本性，故实际中常用对被测量多次重复测量所得的平均值作为约定真值。10.4 测量误差及数据处理 测量误差分类按误差的性质，测量误差分为 随机误差、 系统误差和粗大误差三类测量误差分类 (1)随机误差：在相同条件下对同一量的多次重复测量过程中，以不可预知方式变化的一种误差叫做随机误差，它是整个测量误差中的一个分量。这一分量的大小和符号不可预定，

20、它的分散程度，称为“精密度”。 随机误差按其本质被定义为：测得值与对同一被测量进行大量重复测量所得结果的平均值之差。在测量过程中量仪的不稳定造成的误差；环境条件中温度的微小变动和地基振动等所造成的误差，均属于随机误差。 测量误差分类 (2)系统误差：在相同条件下对同一被测量的多次测量过程中，保持恒定或以可预知方式变化的测量误差的分量叫做系统误差，即误差的绝对值和符号固定不变。 按其本质被定义为：对同一被测量进行大量重复测量所得的结果的平均值，与被测量真值之差。它的大小表示测量结果对真值的偏离程度，反映测量的“正确度”，对测量仪器而言，可称为偏移误差。如量块检定后的实际偏差，在按“级”使用此量块

21、的测量过程中，它便是定值系统误差。 测量误差分类 (3)粗大误差：是指明显超出规定条件下预期的误差。 粗大误差也称疏忽误差或粗差。 引起粗大误差的原因如： 错误读取示值； 使用有缺陷的测量器具； 量仪受外界振动、电磁等干扰而发生的指示突跳等都属于粗大误差。(a)精密度高 (b)正确度高 (c)准确度高 (d)准确度低精密度、正确度和准确度 精密度精密度 反映测量结果中随机误差的影响程度。它是指连续多次测量所得值之间相互接近的程度。若随机误差小，则精密度高。正确度正确度 反映测量结果中系统误差的影响程度。若系统误差小，则正确度高。 准确度准确度 反映测量结果中系统误差和随机误差的综合影响程度。若

22、系统误差和随机误差都小，则准确度高。 测量数据处理 数据处理包括下列内容： 1、系统误差的消除2、随机误差的处理3、粗大误差的处理 对同一量进行相同条件下的重复多次的测量，取得一系列的包含有误差的数据，按统计方法处理，获知各类误差的存在和分布，分别给以恰当的处理，最终得到较为可靠的测量值，并给出可信程度的结论。 测量数据处理 1、系统误差的消除测量过程中的系统误差可分为定值系统误差和变值系统误差，具有不同的特性。定值系统误差是对每一测量值的影响均为相同常量，对误差分布范围的大小没有影响，但使算术平均值产生偏移，通过对测量数据的观察分析，或用更高精度的测量鉴别，可较容易地把这一误差分量分离出来并

23、作修正；变值系统误差的大小和方向则随测试时刻或测量值的不同大小等因素按确定的函数规律而变化。如果确切掌握了其规律性，则可以在测量结果中加以修正。消除和减少系统误差的方法常见有：补偿修正法、抵消法、对称法、半周期法等。测量数据处理 2、随机误差的处理 在测量过程数据中，排除系统误差和粗大误差后余下的便是随机误差。随机误差的处理是从它的统计规律出发，按其为正态分布，（见标准GB/T 4889-2008 数据的统计处理和解释 正态分布均值和方差的估计与检验）求测得值的算术平均值以及用于描述误差分布的标准偏差。随机误差是不可消除的一个误差分量，进行分析处理的目的是为了得知测得值的精确程度。通过对求得的标