3第三章_测量技术基础2011.ppt

1、第三章 测量技术基础,Chapter 3 Measurement Technology Basic,3.1 测量的基本概念 basic conception of measurement 3.2 计量器具和测量方法 measuring instrument & method 3.3 测量误差及数据处理 measurement error and data processing,Content,2.1 测量的基本概念,2.1 测量的基本概念(basic conception of measuring)1.测量、检验与检定(measuring testing & checking)2.测量基准和尺

2、寸传递系统(measuring standard & dimension transfer)3.量块(gauge block),3.1 测量的基本概念,一.测量、检验与检定(measuring testing & checking),基本的测量公式：,1.测量(measuring) 定义：将被测量与作为单位或标准的量，在量值上进行比较，从而确定二者比值的实验过程。,一个完整的测量过程应包含:,测量对象：几何量的测量，如长度、角度、表面粗糙度、形状和位置误差等。 计量单位：长度单位为米(m)，角度单位是弧度(rad)。 测量方法：进行测量时所采用的测量原理、计量器具和测量条件的综合。 如：用游标

3、卡尺测量轴径的直接测量法； 用量块和立式光学计测量轴径的比较测量法。 测量精度：表示测量结果的可靠程度，即测量结果与真值相一致的程度。一般用测量误差的大小来反映测量精度的高低。偏离远，测量误差大，测量精度低；反之，测量精度高。,3.1 测量的基本概念,游标卡尺,立式光学计,二、角度基准与量值传递,在计量部门，为了方便，采用多面棱体作为角度量值的基准。,多面棱体,标准测角仪,角度量块,各种角度量具,检定：为评定计量器具的精度指标是否合乎该计量器具的检定规程的全部过程。,检验: 确定被测几何量是否在规定的极限范围内，从而判断其是否合格的实验过程，而不要求量值。,3.1 测量的基本概念,2.检验和检

4、定(testing & checking),3.1 测量的基本概念,二.测量基准和尺寸传递系统(measuring standard & dimension transfer),1.长度尺寸基准(length standard) 为保证量值的统一和准确性，必须规定一个基本的客观标准，即长度基准； 国际单位制中，基本的长度单位有米制(metric system)和英制(English system)两种； 我国法定长度的基本计量单位是“米”(meter)；机械工程图中常用的单位是“毫米”(micrometer)；,在1983年第十七界国际计量大会上通过的米的定义是：“1米是光在真空中于1/299

5、792458秒的时间间隔内所传播的距离”。 我国采用碘吸收稳定的0.633 氦氖激光辐射作为波长基准复现米。,二、角度基准与量值传递,在计量部门，为了方便，采用多面棱体作为角度量值的基准。,多面棱体,标准测角仪,角度量块,各种角度量具,2.长度量值传递系统(length standard transfer system) 由于光波波长作为长度基准，不便于生产直接应用，为保 证零件在国内、国际上具有互换性，即保证量值的统一，必须 通过工作基准把长度基准的量值准确地逐级传递到生产应用的 计量器具和零件上去。,量块：端面量具系统 线纹尺：刻线量具系统,3.1 测量的基本概念,量值传递： 是“将国家计

6、量基准所复现的计量值，通过检定（或其它方法）传递给下一等级的计量标准（器），并依次逐级传递到工作计量器具上，以保证被测对象的量值准确一致的方式”。,主基准（副基准）工作基准工作器具被测对象 主基准：在一定范围内具有最高计量特性的基准。可以分为：由国际上承认的国际基准和由国家批准的国家基准。 副基准：为了“复现”米，需要建立副基准。它是通过直接或间接与国家基准对比而确定其量值并经过国家批准的基准。 工作基准：经过与国家基准或副基准对比，用来检定较低准确度基准或检定工作器具用的计量器具。 例如，量块（端面量具系统）、标准线纹尺（刻线量具系统）等。 工作器具：测量零件所用的计量器具。 例如，各种千分

7、尺、比较仪、测长仪等。,3.1 测量的基本概念,图31 量块,3.1 测量的基本概念,三.量块(gauge block),1.定义(definition) 一种无刻度的标准端面量具 材料：特殊合金钢 形状：长方六面体结构 2.作用(function) 尺寸传递系统的中间标准量具 作为标准件调整仪器的零位 直接测量零件,图32 量块长度,3.1 测量的基本概念,3.量块的尺寸(size of gauge block) 量块长度(Li)：从量块一个测量面上任意一点（距边缘 0.5mm区域除外）到与另一个测量面相研合的平晶表面的垂直距离。 中心长度(L)：从量块一个测量面中心点到与这个量块另一个测量

8、面相研合的面的垂直距离。,量块标称长度,3.1 测量的基本概念,标称长度：量块上标出的数字。 尺寸5.5mm 长度标记刻在测量面上； 尺寸5.5mm 长度标记刻在非测量面上。,4.量块的“级”(classes) 和“等”(grads) 为满足不同的测量精度要求，量块精度分“级”和“等”两种（JJG146-2003量块检定规程） 划分方法： 1）“级”：按制造精度分为K、00、0、1、2、3五级。K级最 高，3级最低。 按“级”使用时，按标称尺寸，包含制造误差和磨损误差。 2）“等”：按检定精度从高到低分为1、2、3、4、5五等。 按“等”使用时，按检定后所给出的实际中心长度尺寸作为工作尺寸，包

9、含其测量误差。 由于检定时的测量误差小于制造误差，所以量块按“等”使用比按“级”使用更准确。,3.1 测量的基本概念,3.1 测量的基本概念,5.量块的选用(selection for gauge block) 量块按一定的尺寸系列成套生产（ 46块、83块、91块）；,3.1 测量的基本概念,5.量块的选用(selection for gauge block) 量块按一定的尺寸系列成套生产（ 46块、83块、91块）； 国标量块标准中规定了17种成套的量块系列； 最少的量块数组成所需的尺寸，获得更高的尺寸精度，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

10、所需尺寸的一位尾数。 量块的尺寸组合采用消尾法： 46.725=1.005+1.22+4.5+40,2.1 测量的基本概念,3.2 计量器具和测量方法（自学）1.计量器具2.测量方法分类及其特点,3.2 计量器具和测量方法,一、计量仪器的分类,量具类 量规类 计量仪器(量仪） 计量装置,一、计量仪器的分类,1、量具类 通用的有刻度的或无刻度的一系列单值和多值量块和量具。 单值量具：如长度量块、90角尺； 多值量具：如线纹尺、游标卡尺、千分尺；,游标卡尺,一、计量仪器的分类,2、量规类 没有刻度且专用的计量器具，可检验零件要素实际尺寸和形位误差的综合结果。 特点：得不到工件的具体实际尺寸和形位误

11、差值，只能判断工件是否合格。 例如：光滑极限量规检验孔轴。,塞规,卡规,3、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。按原始信号转换原理分为： （1）机械量仪 机械方法实现原始信号转换，有机械测微机构。如：机械式测微比较仪（测微仪和比较仪座组成）。,机械式比较仪,一、计量仪器的分类,（2）光学量仪 用光学方法实现原始信号的转换，有光学放大机构。 特点：精度高、性能稳定。 例如：光学比较仪、工具显微镜等。,（3）电动量仪 原始信号转换为电量信号，具有放大、滤波电路。 特点：精度高，测量信号经A/D转换后，易于与计算机接口，实现测量和数据处理的自动化。 如电感比较

12、仪、圆度仪等。,电感比较仪,一、计量仪器的分类,一、计量仪器的分类,（4）气动量仪 以压缩空气为介质，通过气动系统流量或压力变化实现原始信号转换。 特点：结构简单、测量精度和效率都高，但示值范围小。 如水柱式气动量仪、浮标式气动量仪。,4、计量装置 为确定被测几何量量值所必需的计量器具和辅助设备的总体。 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。,二、计量器具的基本技术性能指标,刻度间距 计量器具的标尺或分度盘上相邻两刻线中心之间的距离或圆弧长度。（12.5mm) 分度值 计量器具的标尺或分度盘上每一刻度间距所代表的量值。（0.1mm0.00

13、1mm)分度值越小，精度越高。 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。,示值范围 计量器具所能显示或指示的被测几何量起始值到终止值的范围。 测量范围 计量器具在允许误差限度内所能测出的被测几何量的下限值到上限值的范围。测量范围上限值与下限值之差称为量程。 灵敏度 计量器具对被测几何量微小变化的响应变化能力。,机械式比较仪,示值误差 计量器具的示值与被测几何量的真值的代数差。一般可用量块作为真值来检定计量器具的示值误差。 修正值 为消除或减小系统误差，用代数法加到测量结果上的数值。其大小与示值误差绝对值相等，符号相反。

14、 测量重复性 相同测量条件，对同一被测几何量多次测量，各测量结果间的一致性。 不确定度 由于测量误差的存在而对被测几何量量值不能确定的程度。,二、计量器具的基本技术性能指标,三、测量方法的分类,1、按实测几何量是否为被测几何量 （1）直接测量 被测几何量的量值直接由计量器具读出。 （2）间接测量 欲测量的几何量的量值由实测几何量的量值按一定的函数关系式运算得出。 2、 示值是否为被测几何量的量值 （1）绝对测量 计量器具的示值就是被测几何量的量值。 （2）相对测量 （比较测量） 示值为被测几何量相对于标准量的偏差，被测几何量的量值等于已知标准量与该偏差值的代数和。 3、 被测表面与计量器具的测

15、头是否接触 （1）接触测量 测头和被测表面的接触会引起弹性变形，产生测量误差； （2）非接触测量 注意：接触测量会产生弹性变形，故易变形的软质表面或薄壁工件多用非接触测量。,4、按工件上是否有多个被测几何量同时被测量 （1）单项测量 对工件上的各个被测量分别进行测量； （2）综合测量 对工件上几个相关几何量的综合效应同时测量得到综合指标，以判断综合结果是否合格。 例如：齿距仪测量齿轮的齿距累积误差，反映公法线长度变动和齿圈径向跳动误差的综合结果。 注意：综合测量的效率比单项测量的效率高。,三、测量方法的分类,其他分类形式： （1）动态测量和静态测量 依据测头和被测表面之间是否有相对运动状态。

16、动态测量效率高，能测出工件上几何参数连续变化的情况。 （2）主动测量 在加工工件的同时对被测几何量进行测量。,三、测量方法的分类,3.3 测量误差与数据处理(measurement error & data processing)1.测量误差的概念(conception of measurement error)2.测量误差产生的原因(sources of measurement error)3.测量误差的分类(classification of measurement error)4.测量误差的合成(synthesizing of measurement errors),3.3 测量误差与数

17、据处理,测量误差(measuring error):测得值与被测量的真值之差。 绝对误差(absolute error):测量结果与被测量的真值之差。 = x- Q 相对误差(relative error):测量的绝对误差的绝对值与被测量真值之比，用于评定不同被测量的测量精度。,3.3 测量误差与数据处理,一.测量误差的概念(conception of measurement error),3.3 测量误差与数据处理,例：仪器读数在100mm处的示值误差为0.005mm，当用它测量工件，读数正好为100mm时，问工件的实际尺寸是多少？相对误差是多少？ 解： = x- Q 0.005= 100

18、Q 工件的实际尺寸Q = 100.005 0.005/100.005100% 0.005% 工件的相对误差为0.005%,3.3 测量误差与数据处理,二.测量误差产生的原因(sources of measurement errors),测量器具误差 (errors from measuring instrument) 标准件误差 (errors from measuring datum) 测量方法误差 (errors from measuring methods),随机误差(random errors) 系统误差(systematic errors) 粗大误差(parasitic errors

19、),3.3 测量误差与数据处理,三.测量误差的分类,3.3 测量误差与数据处理,1.随机误差(random errors) 定义：在一定的测量条件下，多次测量同一量值时，测量误差的绝对值和符号以不可预知的方式变化的误差。 产生的原因：有许多未知规律和难以控制的微小因素所造成，无法从测量结果中消除。 分布规律：分布曲线多呈正态分布(normal distribution),3.3 测量误差与数据处理,分布特征： 单峰性：绝对值小的误差比 绝对值大的误差出现概率大； 对称性：绝对值相等的正、负误差出现的概率相等； 有界性：在一定的测量条件下，随机误差的绝对值不会超出一定的界限； 抵偿性：随着测量次

20、数的增加，随机误差的算术平均值趋于0。,概率密度,标准偏差,越小，分布曲线越陡峭 测量精度越高,随机误差,3.3 测量误差与数据处理,随机误差的评定 正态分布曲线的数学表达式：,随机误差的评定 当=0时，正态分布的概率密度最大，即： 此时，则Ymax，正态分布曲线越陡，分布越集中； 反之，则Ymax，正态分布曲线越分散。,3.3 测量误差与数据处理,越小，分布曲线越陡峭 测量精度越高,随机误差的评定 由概率论可知，全部随机误差的概率之和为“1” 随机误差出现在区间（，）内的概率为 若令 ，则 ，,拉普拉斯函数,3.3 测量误差与数据处理,3.3 测量误差与数据处理,随机误差的评定 在已知t时，

21、可从拉普拉斯函数表中查得f()值,3.3 测量误差与数据处理,随机误差的评定 单次测量的标准偏差(standard deviation) 由于存在随机误差，在相同条件下，测量列中的每个实测值都不相同，围绕算术平均值有一定的分散，说明了单次测量值的不可靠性，故需用单次测量的标准偏差来评定其精确度。 单次测量结果与被测量真值（或算术平均值）之差不会超过3的概率为99.73%，因此，通常把相应于置信概率99.73%的3作为测量极限误差。 在等精度测量中，单次测量的标准偏差为：,随机误差的评定 算术平均值的标准偏差 在多次测量中是以算术平均值作为测量结果的，因此也必须确定算术平均值的不可靠性。 若对同

22、一量值作m组重复测量，每组分别做n次等精度测量，则每组测量的算术平均值xi一般也不相同，围绕真值x有一定的分散，但范围比单次测量的范围小，说明算术平均值也是个随机变量，其标准偏差的估计值为: 由式知n次等精度测量中的算术平均值的标准偏差比单次测量的标准偏差小 倍。增加测量次数，可以提高测量精度。一般取n=10。,3.3 测量误差与数据处理,3.3 测量误差与数据处理,例：,2.系统误差(systematic errors) 定义：在一定的测量条件下，多次测量同一量值时，测量误差的大小和符号固定不变或按一定规律变化的误差。 分类： 已定系统误差 未定系统误差 消除和减小系统误差的方法： 从产生系统误差的根源消除； 用加修正值的方法消除； 用两次读数法消除； 利用被测量之间的内在联系消除。,定