第三章--测量技术基础概要.ppt

第三章测量技术基础,主讲：刘芳武汉纺织大学机械学院,1,第三章测量技术基础,目的要求了解测量的基本概念及其“四要素”量值传递系统量块的基本知识计量器具的分类及常用的度量指标测量误差的特点及分类、测量误差的处理方法测量结果的数据处理难点测量误差及测量数据处理,2,第三章测量技术基础,3.1概述3.2计量器具与测量方法3.3测量误差及数据处理,3,3.1概述,检测的意义为了满足机械产品的功能要求，在正确合理地完成了可靠性、使用寿命、运动精度等方面的设计以后，还须进行加工和装配过程的制造工艺设计，即确定加工方法、加工设备、工艺参数、生产流程及检测手段。其中，特别重要的环节就是质量保证措施中的精度检测。,4,3.1概述,测量的概念“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E，确定的比值为q，则测量可表示为L=qEq=L/E,5,3.1概述,测量的四要素一个完整的测量过程应包含测量对象、计量单位、测量方法（含测量器具）和测量精度等四个要素。测量对象：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、角度、形状、相对位置、表面粗糙度以及螺纹、齿轮等零件的几何参数。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。我国规定采用以国际单位制（SI）为基础的“法定计量单位制”。测量方法：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。测量精度：测量结果与真值的一致程度。,6,3.1概述,长度单位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”（meter）1983年第17届国际计量大会上通过了作为长度基准的米的新定义，规定：“米”是在真空中在1/299792458s的时间间隔内行进路程的长度。我国采用碘吸收稳定的0.633m氦氖激光辐射作为波长标准来复现米定义。,7,3.1概述,量值传递系统在实际应用中，不便于用光波作为长度基准进行测量，为了保证量值的准确和统一，必须把复现的长度基准的量值逐级准确地传递到生产中所应用的各种计量器具和被测工件上去。量值传递通过两个平行的传递系统向下传递：端面量具（量块）系统刻线量具（刻纹尺）系统,8,9,3.1概述,量块量块是精密测量中常用的标准器。量块是没有刻度的、截面为矩形的平面平行端面。作为长度尺寸传递的实物基准，广泛应用于计量器具的校准和鉴定，精密画线和精密工件的测量等。量块分为长度量块和角度量块。,10,3.1概述,量块的材料、形状和尺寸量块是用铬锰钢等特殊合金钢材料制成的，具有线膨胀系数小、性质稳定、耐磨性好、硬度高、工作表面粗糙度值小以及研合性好等特点。量块通常制成正六面体，它有2个相互平行的测量面和4个非测量面。量块上标出的尺寸称为量块的标称长度ln。标称长度小于6mm的量块，其公称值刻印在上测量面上；标称长度大于6mm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。,11,3.1概述,量块的精度量块按制造精度分6级：即00，0、1、2、3和K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te和量块长度变动量的最大允许值tv来划分的。按检定精度将量块分为16等，精度依次降低。量块生产企业大都按级向市场销售量块。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。,12,表3-1各级量块的精度指标(GB/T6093-2001),13,3.1概述,量块的“级”和“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，但包含了检定时的较小的测量误差。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。,14,3.1概述,注意：按“等”使用比按“级”使用的测量精度高。量值按长度量值传递系统进行，即低一等量块检定用高一等量块作标准。,15,3.1概述,量块的应用量块有很好的研合性，所以将量块顺其测量面加压推合，就能研合在一起。在一定范围内根据需要将多个尺寸不同的量块研合成量块组，从而扩大了量块的应用。我国成套生产的量块共有17中套别，每套的块数分别为91、83、46、12、10、8、6、5块等。,16,表3-4成套量块尺寸表,17,3.1概述,量块的应用按实际需要，用多个尺寸不同的量块研合组成所需要的长度标准量。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。选用量块时，采用消尾法，即每选一块至少应减去所需尺寸的一位尾数。例：量块的尺寸组合采用消尾法：46.725=1.005+1.22+4.5+40,18,实例,从91/83块一套的量块中，组合如下尺寸：48.9829.87510.56,19,3.1概述,量块的作用作为尺寸传递的长度标准，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。计量仪器示值误差的检定标准，检定量仪的示值误差。比较测量时以量块为基准，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、精密机床和夹具调整时的尺寸基准。,20,3.1概述,角度单位和量值传递系统我国法定计量单位规定：平面角度单位为弧度（rad）及度（）、分（）、秒（）。在高精度的分度中，常以多面棱体作为角度基准来建立角度传递系统。角度量值传递系统示意图如右图,多面棱体结构示意图,21,3.1概述,角度量块三角形量块：一个工作角（1079）作为测量标准量；四边形量块：四个工作角（80100）作为标准量。,22,3.2计量器具和测量方法,计量器具的分类量具类量规类量仪类（计量仪器）计量装置,计量器具是量具、量规、量仪和其他用于测量目的测量装置的总称。,23,3.2计量器具和测量方法,量具类量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。量具分为：单值量具：长度量块、90角尺多值量具：线纹尺、游标卡尺、千分尺量具的特点是一般没有放大装置。,24,3.2计量器具和测量方法,计量器具按用途分类标准计量器具通用计量器具专用计量器具按结构和工作原理分类机械式光学式气动式电动式光电式,25,26,27,量规类量规是没有刻度的专用计量器具，用来检验工件实际尺寸和形位误差的综合结果。量规只能判断工件是否合格，而不能获得被除数测几何量的具体数值。如光滑极限量规、螺纹量规等。,3.2计量器具和测量方法,28,塞规,卡规,3.2计量器具和测量方法,29,精密刻度式角度规,30,量仪类（计量仪器）将被测几何量的量值转换成可直接观测的示值或等效信息的一类计量器具。特点是一般都有指示、放大系统。分类：（1）卡尺类量仪如数显卡尺、游标卡尺等。（2）微动螺旋副类量仪如数显等千分尺、普通千分尺等。（3）机械类量仪如百分表、千分表等。（4）光学类量仪如工具显微镜、测长仪等。（5）气动类量仪如压力式量仪。（6）电学类量仪如电感比较仪。（7）机电类综合类量仪如齿轮测量中心等。,3.2计量器具和测量方法,31,机械式比较仪,光学式比较仪,3.2计量器具和测量方法,32,电感比较仪,3.2计量器具和测量方法,33,3.2计量器具和测量方法,34,浮标式气动量仪是一种新型精密长度测量仪器。与气动测量头（或气动测量装置）配套使用，用比较测量方法可对多种机械零件的尺寸与形位公差进行精密测量。特别对某些机械量具、量仪难以解决的测量。如小孔、深孔、窄槽宽、孔直线度、内锥孔的测量。对垂直度、同轴度等形位公差的测量效率更高。可实现远距离、多参数连续测量。非接触测量减少了测量力对测量结果的影响，人为误差小、没有回程误差。操作简单，读数容易。对环境要求不高，可用于计量室、检查台，也可用于机台、生产线。,3.2计量器具和测量方法,35,计量装置指为确定被测量所必需的测量装置和辅助设备的总体。特点：测同一工件上较多的几何量和形状比较复杂的工件。如：齿形齿向测量仪、齿轮综合精度检查仪。,3.2计量器具和测量方法,36,3.2计量器具和测量方法,37,计量器具的基本度量指标分度值（刻度值）计量器具的的刻度尺或度盘上两相邻刻线所代表的量值之差。分度值是一种测量器具所能直接读出的最小单位量值，它反映了读数精度的高低，从一个侧面说明了该测量器具的测量精度高低。分度值通常取1、2、5的倍数，一般来说，分度值越小，计量器具的精度越高。例如一外径千分尺的微分筒上相邻两刻线所代表的量值之差为0.01mm，则该测量器具的分度值为0.01mm。,3.2计量器具和测量方法,38,计量器具的基本度量指标分度间距（刻度间距）计量器具的刻度标尺或度盘上两相邻刻线中心间的距离。为便于读数，一般做成刻线间距为0.752.5mm的等距离刻线。示值范围由计量器具所显示或指示的最低值到最高值的范围。如机械式比较仪的示值范围为-0.1+0.1mm（或0.1mm）,3.2计量器具和测量方法,39,计量器具的基本度量指标测量范围在允许误差限内，计量器具所能测量的被测量值的下限值至上限值的范围。例如，外径千分尺的测量范围有025mm、2550mm等。机械式比较仪的测量范围为0180mm，灵敏度计量器具对被测几何量微小变化的响应变化能力。S=L/X（读数的变化/被测量的变化）当分子和分母为同类量时，灵敏度称为放大比（倍数）,3.2计量器具和测量方法,40,计量器具的基本度量指标测量力在接触式测量过程中，测量器具测头与被测量面间的接触压力。示值误差测量仪器的示值与被测量的真值之代数差。示值误差是测量仪器本身各种误差的综合反映。因此，仪器示值范围内的不同工作点，示值误差是不相同的。一般可用适当精度的量块或其它计量标准器，来检定测量器具的示值误差。,3.2计量器具和测量方法,41,计量器具的基本度量指标示值变动指在测量条件下不变的情况下，对同一被测量进行多次（一般510次）重复观察读数，其示值变化的最大差异。回程误差在相同条件下，被测量值不变，测量器具行程方向不同时，两示值之差的绝对值。它是由测量器具中测量系统的间隙、变形和磨擦等原因引起的。,3.2计量器具和测量方法,42,计量器具的基本度量指标不确定度由于计量器具的误差而对被测量的真值不能肯定的程度。包括示值误差、回程误差等是一个综合指标。修正值指为消除系统误差，用代数法加到未修正的测量结果上的值。与示值误差绝对值相等而符号相反,3.2计量器具和测量方法,43,3.2计量器具和测量方法,计量器具的基本度量指标分辨力计量器具所能显示的最末一位所代表的量值。如数字式量仪，其读数采用非标尺或非分度盘显示，不能采用分度值的概念。,44,3.2计量器具和测量方法,测量方法分类按实测量是否为被测量分类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。间接测量先测出与被测量有一定函数关系的相关量，然后按相应的函数关系式，求得被测量的测量结果。,45,3.2计量器具和测量方法,测量方法分类按示值是否是被测量的整个量值分类绝对测量被测量的全值从计量器具的读数装置直接读出。例如，用游标卡尺测量零件轴径值。相对测量相对测量是指计量器具的示值仅表示被测量对已知标准量的偏差，而被测量的量值为计量器具的示值与标准量的代数和的测量方法。一般来说，相对测量的测量精度比绝对测量的测量精度高。,46,3.2计量器具和测量方法,测量方法分类按同时被测参数的多少分类单项测量单独地、彼此没有联系地测量零件的各个单项参数。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。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。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。,47,3.2计量器具和测量方法,测量方法分类按测量时计量器具的测头与被测表面之间是否有机械作用的测量力分类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。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。,48,3.2计量器具和测量方法,测量方法分类按被测量是否在加工过程中进行分类在线测量指在加工过程中对工件进行测量的方法。能即时防止废品产品，主要用于自动化生产线上。离线测量指在加工后对工件进行测量的测量方法，测量结果仅限于发现并剔除废品。在线测量使检测与加工过程紧密结合，防止废品产生，是检测技术的发展方向。,49,3.2计量器具和测量方法,测量方法分类按决定测量结果的全部因素和条件是否变化分类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。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。不等精度测量在测量过程中，决定测量结果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。,50,3.2计量器具和测量方法,测量方法分类按被测工件在测量时所处状态分类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，在磨削过程中测量零件的直径等。,51,3.3测量误差及数据处理,测量误差的概念在测量过程中，由于计量器具本身的误差以及测量方法和测量条件的限制，任何一次测量的测得值都不可能是被测几何量的真值，两者存在这差异。这种差异在数值上则表现为测量误差。测量误差可用绝对误差和相对误差来表示。,52,3.3测量误差及数据处理,绝对误差是指被测量的测得值（仪表的指示值）x与其真值Q之差，即绝对误差可能是正值，也可为负值，则有相对误差指绝对误差的绝对值与被测量真值Q之比，即相对误差比绝对误差能更好地说明测量的精确程度。,53,3.3测量误差及数据处理,测量误差的来源计量器具误差计量器具误差是指计量器具本身在设计、制造和使用过程中造成的各项误差。这些误差的综合反映可用计量器具的示值精度或不确定度来表示。阿贝（Abbe）原则：指测量长度时，应使被测零件的尺寸线和量仪中作为标准的刻度尺重合或顺次排成一条直线。例如，百分表与千分尺符合，游标卡尺不符合。相对测量时使用的标准器（量块、线纹）,54,3.3测量误差及数据处理,测量误差的来源测量方法误差是指由于测量方法不完善所引起的误差。接触测量中测量力引起的计量器具和零件表面变形误差间接测量中计算公式的不精确测量过程中工件安装定位不合格测量基准不统一测量方法选择不当等。,55,3.3测量误差及数据处理,测量误差的来源测量环境误差指测量时的环境条件不符合标准条件所引起的误差。测量的环境条件包括温度、湿度、气压、振动及灰尘等。其中，温度对测量结果的影响最大。人员误差指由于测量人员的主观因素所引起的误差。例如，测量人员技术不熟练、视觉偏差、估读判断错误等引起的误差。,56,3.3测量误差及数据处理,测量误差的种类和特性根据测量误差的性质、出现的规律和特点，可分为：系统误差随机误差粗大误差,57,3.3测量误差及数据处理,系统误差在相同条件下多次测量同一量值时，误差的大小和符号保持不变或按一定规律变化的误差。计量器具本身性能不完善、测量方法不完善、测量者对仪器使用不当、环境条件的变化等原因都可能产生系统误差。系统误差对测量结果影响较大，要尽量减少或消除系统误差，提高测量精度。变值系统误差分类线性变化的系统误差周期变化的系统误差复杂变化的系统误差,58,3.3测量误差及数据处理,粗大误差超出一定测量条件预计下的测量误差，对测量结果产生明显歪曲，为异常值。产生原因：主观原因如人员疏忽的读数误差；客观原因如外界突然震动。判别准则包括：3准则（拉依达(PaTa)准则）,t检验准则格拉布斯(Grubbs)准则粗大误差应该剔除,59,3.3测量误差及数据处理,随机误差在相同条件下，多次测量同一量值时，其误差的大小和符号以不可预见的方式变化的误差。对同一被除数测量进行连续多次重复测量而得到一系列测得值时，它们的随机误差的总体存在着一定的规律性。实验表明，随机误差通常服从正式分布规律。,60,正确度：所有系统误差的综合,精密度：随机误差的大小,精确度：接近真值的程度，包含随机误差和系统误差,61,3.3测量误差及数据处理,随机误差的正态分布规律随机误差服从正式分布规律。因此，可以利用概率和数理统计的一些方法来掌握随机误差的分布特性，估算误差范围，对测量结果进行处理。正态分布曲线（GaussDistribution）,其中，是标准偏差，是随机误差，y是概率密度函数,理论上，正态分布的中心位置的均值代表被测量的真值Q，标准偏差代表测得值的集中/分散程度。,62,3.3测量误差及数据处理,随机误差,标准偏差,正态分布的随机误差的四个基本特征：单峰性：绝对值越小的随机误差出现概率大，反之小，存在一个最大值；对称性：绝对值相等的正负随机误差出现概率相等；有界性：在一定测量条件下，随机误差绝对值不超过一定界限；抵偿性：测量次数增加，算术平均值趋于零。,63,3.3测量误差及数据处理,随机误差概率的计算计算随机误差概率，就是求正态分布曲线与横坐标之间在随机误差的制定区间的面积。求积分随机误差落在-,+之间的概率P(-,+)是置信区间和置信概率,64,3.3测量误差及数据处理,极限误差一般，将3作为单次测量的随机误差的极限误差：当z=/取值不同时，