精密测量课件

12测量的基本概念,本节主要内容,一、与测量有关的几个基本概念1、计量学及其研究的内容2、计量的具体表现方式二、测量过程1、测量的基本方程式2测量过程的四要素测量对象和被测量测量单位和标准量测量方法测量不确定度,一、与测量有关的几个基本概念,1.测量概述测量是人类认识和揭示自然界物质运动的规律、借以定性区别和定量描述周围物质世界，从而达到改造自然和改造世界的一种重要手段。随着人们知识的积累和认识能力的提高，人们把“确定的已知量”规定为某一量的单位量，通过它与与一个未知量进行比较，就可以确定这一未知量的大小，并将其用数值和单位的乘积表示出来。这就是人们从事的测量活动。可见，一个量的大小是用量值表示的，而量值的获得是通过测量来实现的。,2.测量的定义按JJF1001-1998通用计量术语及定义，测量是“以确定量值为目的的一组操作”。其涵义包括：1）对测量方式不加限制：对操作方式不做具体规定2）是一组操作：是指操作的全过程，即从确定被测量到获得具有不确定度的测量结果。3）明确指出操作的目的：在于确定被测量的量值。,3.计量的定义按JJF1001-1998通用计量术语及定义，计量是指“实现单位统一、量值准确可靠的活动”。其涵义包括：1）计量的目的：实现单位统一和保证量值准确可靠。2）计量的内容：为实现这一目的所进行的各项活动，具有广泛性。要注意计量与测量在概念和含义上的区别。,二、测量过程1测量的基本方程式测量就是将被测量与一个作为测量单位的标准量进行比较，以求其比值的过程。可用一个基本公式来表示，即L=Ku式中L被测长度（被测量）；u长度单位（标准量）；K比值。上式称为测量的基本方程式。这里所指的长度是广义的，这个“长度”包括长度值（线值）、角度，以及被测几何形体表面的形状、位置和粗糙度等各种形式的几何量。,由此可见，测量过程是一组将输入转化为输出的相互关联或相互作用的活动。包括：输入：确定被测量和对测量的要求。测量活动：对所要求的测量进行从测量原理、测量方法、到测量程序的策划，对具有溯源性的设备进行选择、对具有测量能力的人员进行确定、对测量环境进行控制、识别对测量有影响的量，实施测量操作。输出：按输入的要求给出测量结果，出据证书和报告。,2测量原理测量原理是指“测量的科学基础”，测量所依据的自然科学中的定律、定理和得到充分解释的自然效应等科学原理。例如，阿贝原则、光的干涉和衍射原理、热电效应、激光多普勒效应等。,3测量方法测量方法是根据给定测量原理实施测量时，概括说明的一组操作。是测量原理的实际应用。（1）直接测量法和间接测量法（2）基本测量法和定义测量法基本测量法也称绝对测量法。定义测量法是根据量的单位定义来确定该量的方法（3）比较测量法和替代测量法比较测量法用比较式仪器，可以获得较高的测量不确定度。,（4）微差测量法和符合测量法微差测量法属于相对比较测量方法。例如立式光学计。用观察某些标记或信号相符合的方法，来测得被测量值与已知标准量值之间微小差值的方法称为符合测量法。游标卡尺测量时就是利用这种方法。（5）补偿测量法和零值测量法安排一次测量中有正向误差，而另一次测量中含有负向误差，称补偿测量法。例如工具显微镜测量螺纹中径。零值测量法又称平衡测量法，例如电桥测量电阻就是这种方法,测量单位和标准量常用的长度单位和角度单位；体现形式：在测量过程中，测量单位必需以物质形式来体现。能体现测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。,按测量的特点和方式分完成测量任务所用的方法、量具或器具，及测量条件（含标准器、接触方式、定位方法、环境条件等）的总和。基本的测量方法（例如：测一个圆柱形工件）直接测量和间接测量（大油罐）绝对测量和相对测量（量块）接触测量和非接触测量（棉线,建筑物裂缝测量）单项测量和综合测量（曲轴）手动测量和自动测量工序测量（现场、机床自测）和终结测量主动测量（也叫在线测量）和被动测量。,4测量程序根据测量方法对某量实施测量时，所规定的具体、详细的操作步骤，通常记录在文件中，并且足够详细。有时被习惯成为测量方法，但同测量方法在概念上有区别的。5.测量资源的配置和影响量的控制测量资源包括人员、设备、规程规范及有关文件。要充分估计到影响量对测量结果的影响，并采取控制措施。如温度、湿度、气流、灰尘、振动等。,6测量结果测量结果是测量过程的输出，完整的测量结果应包括测量不确定度信息，必要时还应说明有关影响量的取值范围。将测量活动作为测量过程来看待，有助于理解测量中的各项要素及对测量活动的管理和监控。,塞尺,接触测量？非接触测量？,绝对还是相对测量？,单项还是综合测量？,直接还是间接测量？,太累啦！我恐高！,远程视觉检测系统,属于什么测量方法？,加工中心机内检测的应用实例,（现场、机床自测）,磨削过程中的主动测量,当没有现成的量具或器具或无现成的检定规程时，需要自行拟定测量方法，这就需要根据被测对象和被测量的特点（形体大小、精度要求等）确定标准量，拟定测量方案、工件的定位、读数和瞄准方式及测量条件（如温度和环境要求等）。,（4）测量不确定度：测量不确定度（记为u或U）是指测量结果变化的不肯定，是表征被测量的真值在某个量值范围的估计，是测量结果含有的一个参数，用以表示被测量值的分散性。u称为标准不确定度，而U则称为扩展不确定度，U=ku，k称为包含因子它的大小表征测量结果的可信程度。一个完整的测量结果应包含被测量值的估计值与分散性参数两部分。如对被测量的测量结果为：yU，其中y是被测量的估计，它具有的测量不确定度为U。测量应在满足测量不确定度要求的前提下进行才有意义。,例.试分析游标卡尺检定的测量过程四要素,13测量原则,本节主要内容,一、几何量测量的基本原则和特性1、有哪些基本原则：四条2、四项基本原则的具体内容：二、测量方法的正确选择1、测量方法选择的原则（1）基本原则（2）精度选择原则（3）经济原则2、测量器具的选择：综合考虑三因素3、其他的选择：1）标准件；2）测量基面；3）定位基面4、测量环境的选择：主要是温度误差的计算三、测量方法选择实例,一、几何量测量的基本原则和特性为了保证正确可靠的测量，人们在测量实践中总结出了四条基本原则，即阿贝原则、封闭原则、最小变形原则最短测量链原则这些基本原则在拟定测量方法时应根据具体情况侧重选择，尽量遵守。,1阿贝原则（图）长度测量中，测量过程就是被测工件的尺寸与作为标准量的线纹尺、量块等的尺寸进行比较的过程。比较时，二线的相互位置有（1）两种布线方式：并联布线：指被测线与测量线相互平行，相距一定距离S。串联布线：指被测线应与测量线重合，或者应在其延长线上-共线,标准尺,待检尺,（2）阿贝原则（即串联原则）1890年德国人ErnstAbbe提出：“将被测物与标准尺沿测量轴线成直线排列”。这就是阿贝原则。阿贝原则是几何量测量的最基本原则，如条件许可，应尽可能遵循阿贝原则。,钢卷尺检定台：是将滚动光栅与自动瞄准系统相结合，构成大尺寸长度测量的线纹自动测量系统。具有测量高效、操作简单和搬运调整方便等特点。主要用于钢卷尺、钢直尺、测深卷尺、量油尺、套管尺等线纹尺的测量。仪器测量不确定度：0.03+0.03L(mm)；L单位是米,钢卷尺检定台,A并联布线：如图1-7所示。,图1-7并联测量,被测线与测量线相距时导轨弯曲引起的测量误差为：=StgS可见，测量误差与S、成正比，与倾角成一次关系，习惯上称一次误差。应为一阶误差,例.设S=100mm,=0.0001rad,则得:=10m,这说明当不遵守阿贝原则测量时，由于工作台移动时直线度误差所引起的测量误差为一次大误差。,（3）布线误差分析,阿贝比长仪主要用于检定线纹尺,上式说明测量误差与L成正比，因为与倾角成二次方关系，所以习惯上称二次误差。例.设L=1000mm,=0.0001rad,则得:=0.005m，误差减小了4个量级。可见，当遵守阿贝原则测量时，即使测量时导轨的直线度有误差，所引起的测量误差为二次微小误差,是可以忽略的。,B串联布线,测量误差为：=L(1-cos)=2L(sin/2)当很小时:L/2,图1-6串联布线,例.判断下列量仪是否符合阿贝原则。,（4）采用阿贝原则的意义及存在的问题阿贝原则的意义因导轨有误差而引起测量的一次大误差A.在量仪设计中，遵守阿贝原则可相应降低仪器导轨的精度，而测量精度却比较高。B.在测量中，遵守阿贝原则可提高测量精度。采用阿贝原则存在的问题采用阿贝原则使仪器长度尺寸将大于被测量2倍，安装和装配都不方便。不符合阿贝原则时的措施A.爱彭斯坦原理：典型应用是测长机B.布莱恩建议：使导轨直线度误差充分小，且对阿贝误差进行补偿。典型应用是坐标测量机。,2封闭原则原则：在测量中如能满足封闭条件，则圆周分度间隔误差的总和必然为零。它由圆周分度的自然封闭特性得到。应用-自测：不需高一级的标准量就可实现本身的高精度测量。,例.分析用下面两种方法测量方形角尺垂直度误差的测量原理、特点。,(1)用直角尺比较,(2)用自准直仪自测,光轴与水平线的夹角,在实际工作中可以对封闭原则进行灵活扩展。如直线度测量并不满足封闭性要求，但可实现局部封闭性，仍然可以收到很好效果。,3最小变形原则（1）最小变形原则：为使测量结果准确可靠，在测量过程中应使各种原因引起的变形为最小。（2）变形原因：接触变形、自重变形、热变形、弹性变形。（3）减少变形的方法A接触变形：根据接触体的材料和形状正确选择测量力、接触形式和适当的测量方法。测力：可依被测件的标准公差、材料来规定其大小。接触形式：点接触、线接触、面接触。测量方法：如用相对测量法或两次读数法，以减小或抵消变形的影响。,B自重变形：大小与零件的支承方式和支承点位置有关。,支承点为：白塞尔点,l=0.2203L-杆的长度变化最小；一般线纹尺测量时采用白塞尔点支承,l=0.2232L杆的中间和两端变形（下降）量相等，杆的全长弯曲变形最小。测大尺寸的平面度、直线度时采用。,B自重变形：大小与零件的支承方式和支承点位置有关。,B自重变形：大小与零件的支承方式和支承点位置有关。艾利点,l=0.2113L-杆的两端面平行度变化最小。测大尺寸量块量时采用艾利点。,C热变形：等温、避免局部受热,思考题：观察实验室中仪器的支承方式。采用功能分离方法：将承载功能与测量功能相分离。当载荷较大时，使微动调整成为困难，这时可以采用功能分离方法，将测量部分与承载部分独立，可以有效地提高测量准确度。,4最短测量链原则为保证测量精度，测量链应最短，称为测量链最短原则。测量链的概念：测量链measuringchain测量仪器或测量系统的系列单元，由它们构成测量信号从输入到输出的环节例：由传声器、衰减器、滤波器、放大器和电压表组成的电声测量链。由测头、传感器、机械传动环节、光路组成的光、机、电测量链等。根据误差理论，仪器总误差取决于各组成环节的误差。试根据误差理论，解释最短测量链原则的科学性。越是高精度，就越应追求仪器结构和环节的简单化。,以上我们了解了几个基本的原则，还有一个辅助的原则也很重要。就是基准统一原则。所谓基准统一原则是指尽量使测量基准同设计基准、工艺基准相统一，以避免因基准变换而引出新的误差源。例如，圆柱齿轮加工时是以内孔定位，而有的测量方法用外圆作为定位基准，则带来较大的由基准变换而引起的误差，该法只能用于低精度场合。,二、测量方法和测量器具的选择（一）测量方法选择的原则1基本原则在满足精度的前提下，选择最经济的方法。2测量方法准确度的选择原则(1)合理分配加工误差和测量误差被测工件的公差允许值包括这两部分。误差分配时，如果测量误差占的比重大，则留给工件的加工误差就小，必然要增加加工成本；如果测量误差占的比重小，则留给工件的加工误差就大，必然要用高精度仪器和严格的测量条件，测量的经济性就要差。,(2)解决方法对于国标规定范围内的光滑工件尺寸的测量检验，应使测量不确定度小于或等于安全裕度A。对于没有标准规定的工件的测量，测量方法的允许误差一般取工件公差的1/31/10。3测量方法选择的经济原则：测量方便、成本低,（二）测量器具的选择测量器具的准确度在很大程度上决定测量方法的准确度。选择测量器具应综合考虑如下三因素，即1测量器具的不确定度允许值2工件的特性3批量,1测量器具的不确定度允许值：是被测对象对所使用的测量器具提出的精度要求。在国家标准中已明确规定用普通计量器具测量光滑工件的尺寸时，应按计量器具的不确定度允许值选择测量器具（可查表）。测量器具不确定度包括调整器的不确定度（如千分尺校对杆），约占安全裕度的0.9，由温度、工件形状误差及接触压陷等引起的不确定度约占0.45A。,图1-9安全裕度,安全裕度：是被测工件对测量方法提出的精度要求，即测量不确定度的允许值。,验收极限：是从规定的最大实体极限和最小实体极限分别向工件的公差带内移动一个安全裕度(A)来确定。,2工件的特性：是指工件的外形、大小、重量、材料、刚性和表面粗糙度等；3批量：批量大-专用计量器具-效率高，经济；单件或小批量-通用计量器具测量。,（三）其他1标准件的选择2测量基面的选择3定位基面的选择4.测量环境的控制,1标准件的选择：标准件的形状和大小应尽量与被测件一致；其精度要比被测件高2级左右；材料的性能稳定，与工件近似或一致，耐磨性好。,陶瓷量块,大八块,2测量基面的选择：测量时用作被测量值的起始所依据的面、线、点统称为测量基面；选择测量基准时应遵守基准统一原则：即测量基面应和设计、工艺、装配基准相一致。辅助基面的选择：精度较高、稳定性好；与各被测量之间关系密切。,3定位基面的选择常见两种情况：一是测量基面直接作为定位基面（如：量块长度的测量）另一种是测量基面不能作定位基面（如：光滑量规直径的测量）在选择定位方法时，一般只需约束影响被测量轴线与标准量轴线相对位置的自由度即可。定位基面处于正确位置，并在整个测量过程中保持不变。最典型的四种定位方法：面定位：平面定位外圆柱面定位（如V形体、三爪装夹定位）内圆柱面定位（如心轴定位），线定位：典型应用为用顶尖与中心孔配合定位。,4.测量环境的控制测量环境始终影响着测量，测量准确度要求越高，对测量环境的要求也越高。影响测量的主要环境因素有：温度、湿度、气流、振动和灰尘、电磁干扰等;其中温度对测量的影响最大。,(1)温度标准温度：我国规定以20为标准温度。我们现在所指的测量长度，一般都是在标准温度下的长度。温度误差：由于测量条件的温度对标准温度有偏差，这样就引起测量误差，也可叫做温度误差。温度误差的计算：,式中：L被测长度；2、t2分别为计量器具线膨胀系数和温度1、t1分别为被测工件线膨胀系数和温度;,待检尺t=20.5,标准尺t=20,待检尺t=20,标准尺t=21,例1:用相对法测量量块，已知标准量块和被检量块的温度分别为21.8C和20.8C，量块的温度线膨胀系数为，测得被检量块相对标准量块的偏差为0.33um，由检定证书知标准量块的长度为100.00025mm，求被检量块在20C时的长度L是多少？,例2:在测长机上用绝对法测量一尺寸为L=8000.02mm的工件。设测长机的机身材料为铸铁()。工件材料为钢（），上午测量时的温度：工件为22C，测长机为21C；下午测量时，工件为23C，测长机为20.5C。求上、下午测量值的差别。,温度误差产生的原因：被测工件与计量器具的温度各不相同；被测工件与计量器具的线膨胀系数不同。消除温度误差的途径：正确选择量具和仪器标准刻线尺的线膨胀系数，应尽可能使1=2=，则上式可写成：LC2=L（t2-t1）定温的方法：既尽可能使t1=t2。所谓定温，是指被测工件和量具或仪器置于同一温度条件下，经过一定时间，使二者温度与周围温度一致。,消除温度误差的途径：测量条件的温度恒定计量室不仅应根据要求控制对标准温度的偏差，还要求其温度恒定，允许它有变化，但只允许缓慢的变化，不许突变。通常是通过计量室中的恒温装置来实现的。温度不恒定，定温也无法实现。对温度的控制还应注意局部辐射热的影响。,(2)湿度如以光的波长作标准进行直接测量，湿度将直接影响测量精度。如果采用比较测量时，湿度对测量无直接影响。但是湿度超过60%时，仪器容易生锈，光学镜头会发霉等。(3)振动不仅直接影响测量的精度（如破坏光学成象、破坏已调整好的工件和仪器相对位置等），而且还对仪器精度、寿命都有影响。(4)灰尘导致仪器磨损，对光学仪器成象的清晰度也有影响；工件上的灰尘，将对测量产生直接的影响。(5)腐蚀性气体,三、测量方法选用实例例题：工件如下图所示。可选仪器,1、依据测量过程四要素设计测量方案测量对象和被测量；测量单位和标准量；测量方法；测量不确定度2、考虑测量方法的基本选择原则测量方法的不确定度=？测量仪器的不确定度=？（仪器的极限误差或测量不确定度=0.9倍测量方法的不确定度）3、其他测量条件的选择：测头：依据最小变形原则选择测头的形状，测力大小定位方式：温度：测量步骤：同一位置测三次，测六个位置,三、测量方法选用实例例题2、设有一厚度为1mm的圆弧样板，如图所示。,设计要求样板弓高11mm，R=12mm，试拟订R的测量方法。,1、初步选定测量方法基本测量方法：非接触、间接测量；测量仪器：万能工具显微镜；,测量数据：h=10.002mm,s=23.660mm,2、测量结果与测量误差的分析和计算(1)确定间接测量的函数关系(2)写出R与h、s等参数的误差关系式(3)分析测量结果的测量误差(4)写