第3章测量技术基础

1、第第3 3章章 测量技术基础测量技术基础n3.1 3.1 概述概述n3.2 3.2 计量器具和测量方法计量器具和测量方法n3.3 3.3 测量误差及数据处理测量误差及数据处理3.1 概述概述 3.1.1 测量与检验 完工零件的几何精度是否满足设计时所规定的要求，需要经过测量或检验。 测量是指为确定被测量的量值而进行的操作过程。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。 检验是指判断被测量是否合格的操作过程。3.1 概述概述 一个完整的测量过程应包含被测对象、计量单位、测量方法和测量精度等四个要素。 我国规定采用以国际单位制（SI）为基础的“法定计量

2、单位制”。机械工程中常用的长度单位有“毫米”和“微米” ，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” 。 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。3.1 概述概述 测量方法指测量时所采用的测量原理、测量器具和测量条件（环境和操作者）的总和。 测量精度指测量结果与真值的一致程度。真值的定义是，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。任何测量都不可能没有误差，但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。3.1 概述概述 3.1.

3、2 长度基准与尺寸传递 1983年第17届国际计量大会规定，“米”是光在真空中在1/299792458s的时间内所经过的路程。定义、复现及保存长度单位并通过它传递给其他测量器具的物体就叫做长度基准。 在工程上，无法直接按照米的定义用光波来测量零件的几何参数，而是采用各种计量器具。为了保证量值的准确和统一，必须建立由光波基准到被测工件尺寸的量值传递系统。我国长度量值传递的主要标准器是量块和线纹尺。长度量值传递系统长度量值传递系统3.1 概述概述 3.1.3 量块 量块又称块规，它是端面量具，多用铬锰钢制成，具有尺寸稳定，不易变形和耐磨性好等特点。量块的用途广泛，除作为标准器具进行长度量值的传递外

4、，还可用来调整仪器、机床和其他设备，也可以用来直接测量零件。3.1 概述概述3.1 概述概述量块量块3.1 概述概述 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，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3.1 概述概述 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。 量块按检定精度分为六等，即1、2、3、4、5、6等，其中1等精度最高，6等

5、精度最低。量块按“等”使用时，以检定后的实际尺寸作为工作尺寸。 为了能用较少的块数组合成所需要的尺寸，量块按一定的尺寸系列成套生产。GB/T 60932001中规定的量块系列有91块、83块、46块、38块、10块等17套。3.1 概述概述 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，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 1.005 第一块量块尺寸 1.24 第二块量块尺寸 4.5 第三块量块尺寸 30.0 第四块量块尺寸 3.1 概述概述角度的量值传递

6、角度的量值传递3.2 计量器具与测量方法计量器具与测量方法 3.2.1 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： 单值量具：只能体现一个单一量值的量具，如量块、角度量块等。 多值量具：可体现一组同类量值的量具，如线纹尺、90角尺等。3.2 计量器具与测量方法计量器具与测量方法 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等。 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

7、、百分表等。3.2 计量器具与测量方法计量器具与测量方法 3.2.2 计量器具的技术性能指标 （1）刻度间距指刻度尺或刻度盘上相邻两刻线中心间的距离。为便于读数，一般将刻度间距取为12.5mm。 （2）分度值又称刻度值，指计量器具的标尺上每一刻度间距所代表的量值。分度值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。 （3）示值范围指计量器具所显示或指示的最低值到最高值的范围。3.2 计量器具与测量方法计量器具与测量方法机械式比较仪机械式比较仪3.2 计量器具与测量方法计量器具与测量方法 （4）测量范围指在允许误差限内计量器具所能测量的最小和最大被测量值的范围。 （5）灵敏度指

8、计量器具对被测量变化的反映能力。 （6）灵敏限或灵敏阈指引起计量器具示值可察觉变化的被测量的最小变化值。 （7）示值误差指测量仪器的示值与被测量的真值之差。示值误差是测量仪器本身各种误差的综合反映。3.2 计量器具与测量方法计量器具与测量方法 （8）修正值指为了消除或减少系统误差，用代数法加到未修正测量结果上的数值。修正值等于示值误差的负值。例如，若示值误差为-0.003mm，则修正值为+0.003mm。（9）回程误差指在相同条件下，对同一被测量进行测量，测量器具行程方向不同时，两示值之差的绝对值。 （10）测量不确定度指由于测量误差的影响而使测量结果不能肯定的程度。不确定度用误差界限表示。3

9、.2 计量器具与测量方法计量器具与测量方法 3.2.3 测量方法的分类 （1）按实测之量是否是被测之量，可分为直接测量和间接测量。 1）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。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。 2）间接测量：测出相关量，然后按相应的函数关系式，求得欲测之量的数值。例如用“弦高法”测量大尺寸圆柱体的直径。3.2 计量器具与测量方法计量器具与测量方法 （2）按计量器具的示值是否是被测量的全值，可分为绝对测量和相对测量。 1）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轴径值。 2）相对测量：从测

10、量器具的读数装置上得到的是被测量与标准量的相对偏差。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。3.2 计量器具与测量方法计量器具与测量方法 （3）按被测工件表面与计量器具的测头之间是否接触，可分为接触测量和非接触测量。 1）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。 2）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。如干涉显微镜、磁力测厚仪、气动量仪等。3.2 计量器具与测量方法

11、计量器具与测量方法 （4）按零件上是否同时测量多个被测量，分为单项测量和综合测量。 （5）按被测零件在测量中所处的状态，可分为静态测量和动态测量。 1）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。 2）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，或在生产过程中监测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。 （6）按测量结果对工艺过程所起的作用，可分为被动测量和主动测量。 1）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

12、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。 2）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。3.2 计量器具与测量方法计量器具与测量方法3.3 测量误差及数据处理测量误差及数据处理 3.3.1 测量误差的基本概念 测量误差是指测得值与被测量的真值之差。在实际测量中，常用不存在系统误差情况下的算术平均值来代替真值，用以估算测量误差的范围。 测量误差可用绝对误差和相对误差来表示。 3.3 测量误差及数据处理测量误差及数据处理 （1）绝对误差是指被测量的测得值x与其真值x0之差，即 绝对误差只能反映同一尺寸的测量精度。 （2）相对误

13、差是指绝对误差的绝对值与被测量的真值之比，即评定不同尺寸的测量精度时要使用相对误差。0 xx0 x3.3 测量误差及数据处理测量误差及数据处理 3.3.2 测量误差的来源 在测量过程中产生误差的原因很多，主要的误差来源如下。 (1)计量器具误差 计量器具误差是指计量器具本身所具有的误差。计量器具误差的来源十分复杂，它与计量器具的结构设计、制造和安装调试不良等许多因素有关。 (2)测量方法误差 测量方法误差是指采用近似测量方法或测量方法不当而引起的测量误差。 3.3 测量误差及数据处理测量误差及数据处理 (3)环境误差 环境误差是指测量时的环境条件不符合标准条件而引起的测量误差。测量环境的温度、

14、湿度、气压、振动和灰尘等都会引起测量误差。 (4)人为误差 人为引起的测量误差常指测量者的估计判断误差、眼睛分辨能力的误差、斜视误差等。3.3 测量误差及数据处理测量误差及数据处理 3.3.3测量误差的类型及处理原则 根据测量误差的性质和特点不同，测量误差可分为系统误差、随机误差和粗大误差三大类。 1.系统误差及其消除方法 系统误差是指在一定的测量条件下，对同一被测几何量进行多次重复测量时，误差的绝对值和符号保持不变或按一定规律变化的测量误差。前者称为定值(或已定)系统误差，后者称为变值(或未定)系统误差。 理论上讲，系统误差是可以消除的。 2. 随机误差的特性及其评定 随机误差是指在一定的测

15、量条件下，对同一被测量连续多次测量时，绝对值和符号以不可预定方式变化的误差。对于随机误差，虽然每一单次测量所产生的误差的绝对值和符号不能预料，但若以足够多的次数重复测量，随机误差的总体将服从一定的统计规律。大量的观测实践表明，测量时的随机误差通常服从正态分布规律。3.3 测量误差及数据处理测量误差及数据处理3.3 测量误差及数据处理测量误差及数据处理正态分布曲线3.3 测量误差及数据处理测量误差及数据处理 正态分布的随机误差具有四个基本特性。 （1）对称性。绝对值相等的正负误差出现的次数大致相等。 （2）单峰性。绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的次数多。 （3）有界性。在一定条件下，误差的绝

16、对值不会超出一定的界限。 （4）抵偿性。当测量次数无限增加时，随机误差的算术平均值趋于零。3.3 测量误差及数据处理测量误差及数据处理 正态分布的随机误差的重要参数和准则。 （1）测量值的算术平均值 。当测量次数足够多时，测量值的算术平均值接近等于被测量的真值。 （2）残余误差。任一测量值与算术平均值之差，即代表随机误差。 （3）标准偏差。越小，随机误差分布越集中。标准偏差代表一组测量值中任一测得值的精密度。越小，测量的精密度越高。x3.3 测量误差及数据处理测量误差及数据处理 （4）3准则。随机误差（或残余误差）落在3范围内的概率为99.73，超出3之外的概率仅为0.27 。可用3作为随机误

17、差的极限值。 （5）算术平均值的标准偏差x 。在系列测量中，是以测得值的算术平均值作为测量结果的，故需求出算术平均值的标准偏差x 。 3. 粗大误差及其剔除方法 粗大误差又称过失误差，它是指明显歪曲测量结果或大大超出规定条件下预期的误差。粗大误差是由某些不正常的原因造成的。例如，测量者的粗心大意所造成的读数错误或记录错误，被测零件或计量器具的突然振动等。由于粗大误差会明显歪曲对测量结果，因此要从测量数据中将粗大误差剔除。3.3 测量误差及数据处理测量误差及数据处理 判断是否存在粗大误差，可以用随机误差的分布范围为依据，凡超出规定范围的误差，就可视为粗大误差。例如，对于服从正态分布的等精度多次测量结果，可按3准则剔除粗大误差。3.3 测量误差及数据处理测量误差及数据处理 3.3.4 直接测量数据的处理 对于直接测量列的数据一般进行如下处理。 （1）若存在系统误差，应设法剔除。 （2）计算测量列的算术平均值、残余误差和标准偏差。 （3）判断粗大误差，若存在，则应将其剔除。然后重新进行第（2）步的计算。 （4）计算测量列算术平均值的标准偏差估计值。 （5）计算测量列极限误差。 （6）确定测量结果。3.3 测量误差及数据处理测量误差及数据处理 例：对某零件进行4次等精度测量，测量值为67.020、67.