第二章-測量技術(shù)基礎(chǔ)

第二章測量技術(shù)基礎(chǔ)基本內(nèi)容：了解測量的基本概念、計量器具和測量方法的分類；掌握量塊的作用、測量誤差及數(shù)據(jù)處理重點難點：量塊的作用，測量誤差的分類及數(shù)據(jù)處理方法

本章涉及國家標(biāo)準(zhǔn)

GB6093-85《量塊》2.1測量的基本要素

“測量”是以確定量值為目的的全部操作。測量過程實際上就是一個比較過程，也就是將被測量與標(biāo)準(zhǔn)的單位量進(jìn)行比較，確定其比值的過程。若被測量為L，計量單位為u，確定的比值為q，則測量可表示為L=q?u

一個完整的測量過程應(yīng)包含被測量、計量單位、測量方法（含測量器具）和測量精度等四個要素。1、被測量被測量在機(jī)械精度的檢測中主要是有關(guān)幾何精度方面的參數(shù)量，其基本對象是長度和角度。但是，長度量和角度量在各種機(jī)械零件上的表現(xiàn)形式卻是多種多樣的，表達(dá)被測對象性能的特征參數(shù)也可能是相當(dāng)復(fù)雜的。因此，認(rèn)真分析被測對象的特性，研究被測對象的含義是十分重要的。例如，表面粗糙度的各種評定參數(shù)，齒輪的各種誤差項目，尺寸公差與形位公差之間的獨立與相關(guān)關(guān)系等等。2、計量單位計量單位（簡稱單位）是以定量表示同種量的量值而約定采用的特定量。我國規(guī)定采用以國際單位制（SI）為基礎(chǔ)的“法定計量單位制”。它是由一組選定的基本單位和由定義公式與比例因數(shù)確定的導(dǎo)出單位所組成的。如“米”、“千克”、“秒”、“安”等為基本單位。機(jī)械工程中常用的長度單位有“毫米”、“微米”和“納米”，常用的角度單位是非國際單位制的單位“度”、“分”、“秒”和國際單位制的輔助單位“弧度”、“球面度”。

在測量過程中，測量單位必須以物質(zhì)形式來體現(xiàn)，能體現(xiàn)計量單位和標(biāo)準(zhǔn)量的物質(zhì)形式有：光波波長、精密量塊、線紋尺、各種圓分度盤等。

3、測量方法測量方法是根據(jù)一定的測量原理，在實施測量過程中對測量原理的運用及其實際操作。廣義地說，測量方法可以理解為測量原理、測量器具（計量器具）和測量條件（環(huán)境和操作者）的總和。在實施測量過程中，應(yīng)該根據(jù)被測對象的特點（如材料硬度、外形尺寸、生產(chǎn)批量、制造精度、測量目的等）和被測參數(shù)的定義來擬定測量方案、選擇測量器具和規(guī)定測量條件，合理地獲得可靠的測量結(jié)果。4、測量精度測量結(jié)果與真值的一致程度。不考慮測量精度而得到的測量結(jié)果是沒有任何意義的。真值的定義為：當(dāng)某量能被完善地確定并能排除所有測量上的缺陷時，通過測量所得到的量值。由于測量會受到許多因素的影響，其過程總是不完善的，即任何測量都不可能沒有誤差。對于每一個測量值都應(yīng)給出相應(yīng)的測量誤差范圍，說明其可信度。2.2量值傳遞系統(tǒng)在國際單位制及我國法定計量單位中，長度的基本單位名稱是“米”，其單位符號為“m”。

“米”的定義于18世紀(jì)末始于法國，當(dāng)時規(guī)定“米等于經(jīng)過巴黎的地球子午線的四千萬分之一”。19世紀(jì)“米”逐漸成為國際通用的長度單位。1889年在法國巴黎召開了第一屆國際計量大會，從國際計量局訂制的30根米尺中，選出了作為統(tǒng)一國際長度單位量值的一根米尺，把它稱之為“國際米原器”。1983年第17屆國際計量大會又更新了米的定義，規(guī)定：“米”是在真空中在1/299792458s的時間間隔內(nèi)行進(jìn)路程的長度。1、量塊使用波長作為長度基準(zhǔn)，雖然可以達(dá)到足夠的精確度，但因?qū)?fù)現(xiàn)的條件有很高的要求，不便在生產(chǎn)中直接用于尺寸的測量。因此，需要將基準(zhǔn)的量值按照定義的規(guī)定，復(fù)現(xiàn)在實物計量標(biāo)準(zhǔn)器上。常見的實物計量標(biāo)準(zhǔn)器有量塊（塊規(guī)）和線紋尺。量塊用鉻錳鋼等特殊合金鋼或線膨脹系數(shù)小、性質(zhì)穩(wěn)定、耐磨以及不易變形的其它材料制成。其形狀有長方體和圓柱體兩種，常用的是長方體。2、量塊的構(gòu)成長方體的量塊有兩個平行的測量面，其余為非測量面。測量面極為光滑、平整，其表面粗糙度Ra值達(dá)0.012μm以上，兩測量面之間的距離即為量塊的工作長度（標(biāo)稱長度）。標(biāo)稱長度到5.5mm的量塊，其公稱值刻印在上測量面上；標(biāo)稱長度大于5.5mm的量塊，其公稱長度值刻印在上測量面左側(cè)較寬的一個非測量面上。3、量塊的用途作為長度尺寸標(biāo)準(zhǔn)的實物載體，將國家的長度基準(zhǔn)按照一定的規(guī)范逐級傳遞到機(jī)械產(chǎn)品制造環(huán)節(jié)，實現(xiàn)量值統(tǒng)一。作為標(biāo)準(zhǔn)長度標(biāo)定量儀，檢定量儀的示值誤差。相對測量時以量塊為標(biāo)準(zhǔn)，用測量器具比較量塊與被測尺寸的差值。也可直接用于精密測量、精密劃線和精密機(jī)床的調(diào)整。4、量塊的精度（級）

按國標(biāo)GB6093-85，量塊按制造精度分6級，即00、0、K

、1、2、3級，其中00級精度最高，3級最低，K級為校準(zhǔn)級，主要根據(jù)量塊長度極限偏差、測量面的平面度、粗糙度及量塊的研合性等指標(biāo)來劃分的。量塊生產(chǎn)企業(yè)大都按“級”向市場銷售量塊。用量塊長度極限偏差（中心長度與標(biāo)稱長度允許的最大誤差）控制一批相同規(guī)格量塊的長度變動范圍；用量塊長度變動量（量塊最大長度與最小長度之差）控制每一個量塊兩測量面間各對應(yīng)點的長度變動范圍。用戶則按量塊的標(biāo)稱尺寸使用量塊。因此，按“級”使用量塊必然受到量塊長度制造偏差的影響，將把制造誤差帶入測量結(jié)果。5、量塊的精度（等）制造高精度的量塊的工藝要求高、成本也高，而且即使制造成高精度量塊，在使用一段時間后，也會因磨損而引起尺寸減小，使其原有的精度級別降低。因此，經(jīng)過維修或使用一段時間后的量塊，要定期送專業(yè)部門按照標(biāo)準(zhǔn)對其各項精度指標(biāo)進(jìn)行檢定，確定符合哪一“等”，并在檢定證書中給出的標(biāo)稱尺寸的修正值。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了量塊按其檢定精度分為六等，即1、2、3、4、5、6等，其中1等精度最高，6等精度最低，“等”主要依據(jù)量塊中心長度測量的極限偏差和平面平行性允許偏差來劃分的。量塊的“級”與“等”量塊的“級”和“等”是從成批制造和單個檢定兩種不同的角度出發(fā)，對其精度進(jìn)行劃分的兩種形式。按“級”使用時，以標(biāo)記在量塊上的標(biāo)稱尺寸作為工作尺寸，該尺寸包含其制造誤差。按“等”使用時，必須以檢定后的實際尺寸作為工作尺寸，該尺寸不包含制造誤差，但包含了檢定時的測量誤差。就同一量塊而言，檢定時的測量誤差要比制造誤差小得多。所以，量塊按“等”使用時其精度比按“級”使用要高，且能在保持量塊原有使用精度的基礎(chǔ)上延長其使用壽命。6、量塊的組合為了減少量塊的組合誤差，應(yīng)盡量減少量塊的組合塊數(shù)，一般不超過4塊。量塊一般是成套生產(chǎn)的，國標(biāo)將量塊制定了17種套別，套別是按量塊數(shù)量的多少來劃分的。比如91塊一套，83塊一套，6塊一套，5塊一套等。以83塊一套為例，其具體尺寸為：0.5，1，1.005mm各一塊從1.01，1.02…1.49，間隔0.01mm，共49塊從1.5，1.6…1.9，間隔0.1mm，共5塊從2.0，2.5…9.5，間隔0.5mm，共16塊從10，20…100，間隔10mm，共10塊選用量塊時，應(yīng)從所需組合尺寸的最后一位數(shù)開始，每選一塊至少應(yīng)減去所需尺寸的一位尾數(shù)。例如，從83塊一套的量塊中選取尺寸為36.745mm的量塊組，選取方法為：36.745…………所需尺寸

－1.005…………第一塊量塊尺寸35.74

－1.24…………第二塊量塊尺寸34.5

－4.5…………第三塊量塊尺寸30.0…………第四塊量塊尺寸6、量塊的組合7、角度的量值傳遞在計量部門，經(jīng)常以分度盤或棱形塊作為角度量的基準(zhǔn)。機(jī)械制造中的角度標(biāo)準(zhǔn)一般有角度量塊、測角儀、分度頭。但目前生產(chǎn)中常用的是多面棱體進(jìn)行角度傳遞。多面棱體有4面、6面、8面、12面、24面、36面、72面等。如一個6面棱體，相鄰兩面法線間的夾角為60°，所以可用它為基準(zhǔn)測量n×60°的角度。使用過程中，可將不同面的多面棱體組合使用，例如將6面棱體和8面棱體組合起來可測105°的角。60°2.3測量器具的分類測量器具——是一種具有固定形態(tài)、用以復(fù)現(xiàn)或提供一個或多個已知量值的器具。按用途的不同量具可分為以下幾類：⑴單值量具只能體現(xiàn)一個單一量值的量具?？蓙硇驼{(diào)整其它測量器具或作為標(biāo)準(zhǔn)量與被測量直接進(jìn)行比較。如量塊、角度量塊等。⑵多值量具可體現(xiàn)一組同類量值的量具。同樣能校對和調(diào)整其它測量器具或作為標(biāo)準(zhǔn)量與被測量直接進(jìn)行比較。如線紋尺、90°角尺等。⑶專用量具專門用來檢驗?zāi)撤N特定參數(shù)的量具。常見的有：檢驗光滑圓柱孔或軸的光滑極限量規(guī)，判斷內(nèi)螺紋或外螺紋合格性的螺紋量規(guī)，判斷復(fù)雜形狀的表面輪廓合格性的檢驗樣板，用模擬裝配通過性來檢驗裝配精度的功能量規(guī)等等。⑷通用量具我國習(xí)慣上將結(jié)構(gòu)比較簡單的測量儀器稱為通用量具。如游標(biāo)卡尺、外徑千分尺、百分表等。2.3測量器具的分類2.5測量方法分類

1、按所測得的量（參數(shù)）是否為欲測之量分類⑴直接測量從測量器具的讀數(shù)裝置上得到欲測之量的數(shù)值或?qū)?biāo)準(zhǔn)值的偏差。例如用游標(biāo)卡尺、外徑千分尺測量外圓直徑，用比較儀測量長度尺寸等。⑵間接測量先測出與欲測之量有一定函數(shù)關(guān)系的相關(guān)量，然后按相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系式，求得欲測之量的測量結(jié)果。2、按測量結(jié)果的讀數(shù)值不同分類⑴絕對測量從測量器具上直接得到被測參數(shù)的整個量值的測量。例如用游標(biāo)卡尺測量零件軸徑值。⑵相對測量將被測量和與其量值只有微小差別的同一種已知量（一般為測量標(biāo)準(zhǔn)量）相比較，得到被測量與已知量的相對偏差。例如比較儀用量塊調(diào)零后，測量軸的直徑，比較儀的示值就是量塊與軸徑的量值之差。2.5測量方法分類

3、按被測件表面與測量器具測頭是否有機(jī)械接觸分類

⑴接觸測量測量器具的測頭與零件被測表面接觸后有機(jī)械作用力的測量。如用外徑千分尺、游標(biāo)卡尺測量零件等。為了保證接觸的可靠性，測量力是必要的，但它可能使測量器具及被測件發(fā)生變形而產(chǎn)生測量誤差，還可能造成對零件被測表面質(zhì)量的損壞。⑵非接觸測量測量器具的感應(yīng)元件與被測零件表面不直接接觸，因而不存在機(jī)械作用的測量力。屬于非接觸測量的儀器主要是利用光、氣、電、磁等作為感應(yīng)元件與被測件表面聯(lián)系。如干涉顯微鏡、磁力測厚儀、氣動量儀等。2.5測量方法分類

4、按測量在工藝過程中所起作用分類⑴主動測量在加工過程中進(jìn)行的測量。其測量結(jié)果直接用來控制零件的加工過程，決定是否繼續(xù)加工或判斷工藝過程是否正常、是否需要進(jìn)行調(diào)整，故能及時防止廢品的發(fā)生，所以又稱為積極測量。⑵被動測量加工完成后進(jìn)行的測量。其結(jié)果僅用于發(fā)現(xiàn)并剔除廢品，所以被動測量又稱消極測量。2.5測量方法分類

5、按零件上同時被測參數(shù)的多少分類⑴單項測量單獨地、彼此沒有聯(lián)系地測量零件的單項參數(shù)。如分別測量齒輪的齒厚、齒形、齒距等。這種方法一般用于量規(guī)的檢定、工序間的測量，或為了工藝分析、調(diào)整機(jī)床等目的。

⑵綜合測量檢測零件幾個相關(guān)參數(shù)的綜合效應(yīng)或綜合參數(shù)，從而綜合判斷零件的合格性。例如齒輪運動誤差的綜合測量、用螺紋量規(guī)檢驗螺紋的作用中徑等。綜合測量一般用于終結(jié)檢驗，其測量效率高，能有效保證互換性，在大批量生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。2.5測量方法分類

6、按被測工件在測量時所處狀態(tài)分類⑴靜態(tài)測量測量時被測件表面與測量器具測頭處于靜止?fàn)顟B(tài)。例如用外徑千分尺測量軸徑、用齒距儀測量齒輪齒距等。⑵動態(tài)測量測量時被測零件表面與測量器具測頭處于相對運動狀態(tài)，或測量過程是模擬零件在工作或加工時的運動狀態(tài)，它能反映生產(chǎn)過程中被測參數(shù)的變化過程。例如用激光比長儀測量精密線紋尺，用電動輪廓儀測量表面粗糙度等。2.5測量方法分類

7、按測量中測量因素是否變化分類⑴等精度測量在測量過程中，決定測量精度的全部因素或條件不變。例如，由同一個人，用同一臺儀器，在同樣的環(huán)境中，以同樣方法，同樣仔細(xì)地測量同一個量。在一般情況下，為了簡化測量結(jié)果的處理，大都采用等精度測量。實際上，絕對的等精度測量是做不到的。⑵不等精度測量在測量過程中，決定測量精度的全部因素或條件可能完全改變或部分改變。由于不等精度測量的數(shù)據(jù)處理比較麻煩，因此一般用于重要的科研實驗中的高精度測量。2.5測量方法分類

2.6測量誤差及數(shù)據(jù)處理

1、測量誤差：是指測量值ι與真值L之差。δ=ι-L2、測量誤差的分類系統(tǒng)誤差：在同一種條件下對同一量值進(jìn)行多次測量時，誤差的絕對值和符號保持恒定，或是在測量條件改變的情況下，誤差按某一確定的規(guī)律變化。隨機(jī)誤差：在同一條件下，對同一被測值進(jìn)行多次重復(fù)測量時，絕對值和符號以不可預(yù)定方式變化的誤差。粗大誤差：指由于測量不確定等原因引起的大大超出規(guī)定條件下預(yù)計誤差限的誤差。3、精度相對誤差而言，精度有精密度、正確度、精確度之分。精密度：指同一條件下多次測量所得到的數(shù)值重復(fù)一致的程度；

正確度：表示測量結(jié)果中系統(tǒng)誤差大小的程度；精確度：指測量結(jié)果與真值的一致程度，是測量的精密度和正確度的綜合反映。

2.6測量誤差及數(shù)據(jù)處理

4、隨機(jī)誤差數(shù)據(jù)處理（1）隨機(jī)誤差的分布特征：①絕對值越小的隨機(jī)誤差出現(xiàn)的概率越大，反之絕對值越大的隨機(jī)誤差出現(xiàn)的概率越小（穩(wěn)定性、集中性）②絕對值相等的正、負(fù)隨機(jī)誤差出現(xiàn)的概率相等（對稱性）③在一定的測量條件下，隨機(jī)誤差的分布范圍不會超過一定的限度（有界性）④隨機(jī)誤差的算術(shù)平均值隨測量次數(shù)增加趨于零（抵償性）反映隨機(jī)誤差特性的理論方程式：2.6測量誤差及數(shù)據(jù)處理

隨機(jī)誤差出現(xiàn)在區(qū)間（-，+）內(nèi)的概率為當(dāng)t=3時，。此時測量值不超出的概率為99.73%。通常把相應(yīng)于概率99.73%的作為測量極限誤差（最大可能誤差），即

2.6測量誤差及數(shù)據(jù)處理

（2）算術(shù)平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差多次測量的算術(shù)平均值為標(biāo)準(zhǔn)偏差的計算公式為：

算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差為

若以多次測量的算術(shù)平均值表示測量結(jié)果，則

2.6測量誤差及數(shù)據(jù)處理

（3）殘余誤差殘余誤差是測量值xi與算術(shù)平均值之差，以vi表示：

2.6測量誤差及數(shù)據(jù)處理

例1：在某儀器上對某零件尺寸進(jìn)行0次等精度測量，得到測量值如下：20.008，20.004，20.008，20.009，2