第二章-测量技术基础

第二章测量技术基础基本内容：了解测量的基本概念、计量器具和测量方法的分类；掌握量块的作用、测量误差及数据处理重点难点：量块的作用，测量误差的分类及数据处理方法

本章涉及国家标准

GB6093-85《量块》2.1测量的基本要素

“测量”是以确定量值为目的的全部操作。测量过程实际上就是一个比较过程，也就是将被测量与标准的单位量进行比较，确定其比值的过程。若被测量为L，计量单位为u，确定的比值为q，则测量可表示为L=q•u

一个完整的测量过程应包含被测量、计量单位、测量方法（含测量器具）和测量精度等四个要素。1、被测量被测量在机械精度的检测中主要是有关几何精度方面的参数量，其基本对象是长度和角度。但是，长度量和角度量在各种机械零件上的表现形式却是多种多样的，表达被测对象性能的特征参数也可能是相当复杂的。因此，认真分析被测对象的特性，研究被测对象的含义是十分重要的。例如，表面粗糙度的各种评定参数，齿轮的各种误差项目，尺寸公差与形位公差之间的独立与相关关系等等。2、计量单位计量单位（简称单位）是以定量表示同种量的量值而约定采用的特定量。我国规定采用以国际单位制（SI）为基础的“法定计量单位制”。它是由一组选定的基本单位和由定义公式与比例因数确定的导出单位所组成的。如“米”、“千克”、“秒”、“安”等为基本单位。机械工程中常用的长度单位有“毫米”、“微米”和“纳米”，常用的角度单位是非国际单位制的单位“度”、“分”、“秒”和国际单位制的辅助单位“弧度”、“球面度”。

在测量过程中，测量单位必须以物质形式来体现，能体现计量单位和标准量的物质形式有：光波波长、精密量块、线纹尺、各种圆分度盘等。

3、测量方法测量方法是根据一定的测量原理，在实施测量过程中对测量原理的运用及其实际操作。广义地说，测量方法可以理解为测量原理、测量器具（计量器具）和测量条件（环境和操作者）的总和。在实施测量过程中，应该根据被测对象的特点（如材料硬度、外形尺寸、生产批量、制造精度、测量目的等）和被测参数的定义来拟定测量方案、选择测量器具和规定测量条件，合理地获得可靠的测量结果。4、测量精度测量结果与真值的一致程度。不考虑测量精度而得到的测量结果是没有任何意义的。真值的定义为：当某量能被完善地确定并能排除所有测量上的缺陷时，通过测量所得到的量值。由于测量会受到许多因素的影响，其过程总是不完善的，即任何测量都不可能没有误差。对于每一个测量值都应给出相应的测量误差范围，说明其可信度。2.2量值传递系统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”，其单位符号为“m”。

“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”。1983年第17届国际计量大会又更新了米的定义，规定：“米”是在真空中在1/299792458s的时间间隔内行进路程的长度。1、量块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器上。常见的实物计量标准器有量块（块规）和线纹尺。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。2、量块的构成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0.012μm以上，两测量面之间的距离即为量块的工作长度（标称长度）。标称长度到5.5mm的量块，其公称值刻印在上测量面上；标称长度大于5.5mm的量块，其公称长度值刻印在上测量面左侧较宽的一个非测量面上。3、量块的用途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。作为标准长度标定量仪，检定量仪的示值误差。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。也可直接用于精密测量、精密划线和精密机床的调整。4、量块的精度（级）

按国标GB6093-85，量块按制造精度分6级，即00、0、K

、1、2、3级，其中00级精度最高，3级最低，K级为校准级，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。量块生产企业大都按“级”向市场销售量块。用量块长度极限偏差（中心长度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。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。5、量块的精度（等）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”，并在检定证书中给出的标称尺寸的修正值。标准规定了量块按其检定精度分为六等，即1、2、3、4、5、6等，其中1等精度最高，6等精度最低，“等”主要依据量块中心长度测量的极限偏差和平面平行性允许偏差来划分的。量块的“级”与“等”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，且能在保持量块原有使用精度的基础上延长其使用寿命。6、量块的组合为了减少量块的组合误差，应尽量减少量块的组合块数，一般不超过4块。量块一般是成套生产的，国标将量块制定了17种套别，套别是按量块数量的多少来划分的。比如91块一套，83块一套，6块一套，5块一套等。以83块一套为例，其具体尺寸为：0.5，1，1.005mm各一块从1.01，1.02…1.49，间隔0.01mm，共49块从1.5，1.6…1.9，间隔0.1mm，共5块从2.0，2.5…9.5，间隔0.5mm，共16块从10，20…100，间隔10mm，共10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。例如，从83块一套的量块中选取尺寸为36.745mm的量块组，选取方法为：36.745…………所需尺寸

－1.005…………第一块量块尺寸35.74

－1.24…………第二块量块尺寸34.5

－4.5…………第三块量块尺寸30.0…………第四块量块尺寸6、量块的组合7、角度的量值传递在计量部门，经常以分度盘或棱形块作为角度量的基准。机械制造中的角度标准一般有角度量块、测角仪、分度头。但目前生产中常用的是多面棱体进行角度传递。多面棱体有4面、6面、8面、12面、24面、36面、72面等。如一个6面棱体，相邻两面法线间的夹角为60°，所以可用它为基准测量n×60°的角度。使用过程中，可将不同面的多面棱体组合使用，例如将6面棱体和8面棱体组合起来可测105°的角。60°2.3测量器具的分类测量器具——是一种具有固定形态、用以复现或提供一个或多个已知量值的器具。按用途的不同量具可分为以下几类：⑴单值量具只能体现一个单一量值的量具。可来校对和调整其它测量器具或作为标准量与被测量直接进行比较。如量块、角度量块等。⑵多值量具可体现一组同类量值的量具。同样能校对和调整其它测量器具或作为标准量与被测量直接进行比较。如线纹尺、90°角尺等。⑶专用量具专门用来检验某种特定参数的量具。常见的有：检验光滑圆柱孔或轴的光滑极限量规，判断内螺纹或外螺纹合格性的螺纹量规，判断复杂形状的表面轮廓合格性的检验样板，用模拟装配通过性来检验装配精度的功能量规等等。⑷通用量具我国习惯上将结构比较简单的测量仪器称为通用量具。如游标卡尺、外径千分尺、百分表等。2.3测量器具的分类2.5测量方法分类

1、按所测得的量（参数）是否为欲测之量分类⑴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。⑵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。2、按测量结果的读数值不同分类⑴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。⑵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。2.5测量方法分类

3、按被测件表面与测量器具测头是否有机械接触分类

⑴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。⑵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。2.5测量方法分类

4、按测量在工艺过程中所起作用分类⑴主动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。⑵被动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。2.5测量方法分类

5、按零件上同时被测参数的多少分类⑴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。

⑵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，在大批量生产中应用广泛。2.5测量方法分类

6、按被测工件在测量时所处状态分类⑴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。⑵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。2.5测量方法分类

7、按测量中测量因素是否变化分类⑴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。⑵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。2.5测量方法分类

2.6测量误差及数据处理

1、测量误差：是指测量值ι与真值L之差。δ=ι-L2、测量误差的分类系统误差：在同一种条件下对同一量值进行多次测量时，误差的绝对值和符号保持恒定，或是在测量条件改变的情况下，误差按某一确定的规律变化。随机误差：在同一条件下，对同一被测值进行多次重复测量时，绝对值和符号以不可预定方式变化的误差。粗大误差：指由于测量不确定等原因引起的大大超出规定条件下预计误差限的误差。3、精度相对误差而言，精度有精密度、正确度、精确度之分。精密度：指同一条件下多次测量所得到的数值重复一致的程度；

正确度：表示测量结果中系统误差大小的程度；精确度：指测量结果与真值的一致程度，是测量的精密度和正确度的综合反映。

2.6测量误差及数据处理

4、随机误差数据处理（1）随机误差的分布特征：①绝对值越小的随机误差出现的概率越大，反之绝对值越大的随机误差出现的概率越小（稳定性、集中性）②绝对值相等的正、负随机误差出现的概率相等（对称性）③在一定的测量条件下，随机误差的分布范围不会超过一定的限度（有界性）④随机误差的算术平均值随测量次数增加趋于零（抵偿性）反映随机误差特性的理论方程式：2.6测量误差及数据处理

随机误差出现在区间（-，+）内的概率为当t=3时，。此时测量值不超出的概率为99.73%。通常把相应于概率99.73%的作为测量极限误差（最大可能误差），即

2.6测量误差及数据处理

（2）算术平均值及标准偏差多次测量的算术平均值为标准偏差的计算公式为：

算术平均值的标准偏差为

若以多次测量的算术平均值表示测量结果，则

2.6测量误差及数据处理

（3）残余误差残余误差是测量值xi与算术平均值之差，以vi表示：

2.6测量误差及数据处理

例1：在某仪器上对某零件尺寸进行0次等精度测量，得到测量值如下：20.008，20.004，20.008，20.009，2