第二章-測量技術基礎

第二章測量技術基礎基本內容：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、測量誤差及數據處理重點難點：量塊的作用，測量誤差的分類及數據處理方法

本章涉及國家標準

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準的單位量進行比較，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、被測量被測量在機械精度的檢測中主要是有關幾何精度方面的參數量，其基本對象是長度和角度。但是，長度量和角度量在各種機械零件上的表現形式卻是多種多樣的，表達被測對象性能的特征參數也可能是相當復雜的。因此，認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，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關系等等。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確定的導出單位所組成的。如“米”、“千克”、“秒”、“安”等為基本單位。機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形式來體現，能體現計量單位和標準量的物質形式有：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，應該根據被測對象的特點（如材料硬度、外形尺寸、生產批量、制造精度、測量目的等）和被測參數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果。4、測量精度測量結果與真值的一致程度。不考慮測量精度而得到的測量結果是沒有任何意義的。真值的定義為：當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給出相應的測量誤差范圍，說明其可信度。2.2量值傳遞系統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世紀末始于法國，當時規(guī)定“米等于經過巴黎的地球子午線的四千萬分之一”。19世紀“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的時間間隔內行進路程的長度。1、量塊使用波長作為長度基準，雖然可以達到足夠的精確度，但因對復現的條件有很高的要求，不便在生產中直接用于尺寸的測量。因此，需要將基準的量值按照定義的規(guī)定，復現在實物計量標準器上。常見的實物計量標準器有量塊（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小、性質穩(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0.012μm以上，兩測量面之間的距離即為量塊的工作長度（標稱長度）。標稱長度到5.5mm的量塊，其公稱值刻印在上測量面上；標稱長度大于5.5mm的量塊，其公稱長度值刻印在上測量面左側較寬的一個非測量面上。3、量塊的用途作為長度尺寸標準的實物載體，將國家的長度基準按照一定的規(guī)范逐級傳遞到機械產品制造環(huán)節(jié)，實現量值統一。作為標準長度標定量儀，檢定量儀的示值誤差。相對測量時以量塊為標準，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、精密劃線和精密機床的調整。4、量塊的精度（級）

按國標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級為校準級，主要根據量塊長度極限偏差、測量面的平面度、粗糙度及量塊的研合性等指標來劃分的。量塊生產企業(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點的長度變動范圍。用戶則按量塊的標稱尺寸使用量塊。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)部門按照標準對其各項精度指標進行檢定，確定符合哪一“等”，并在檢定證書中給出的標稱尺寸的修正值。標準規(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)，對其精度進行劃分的兩種形式。按“級”使用時，以標記在量塊上的標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，應盡量減少量塊的組合塊數，一般不超過4塊。量塊一般是成套生產的，國標將量塊制定了17種套別，套別是按量塊數量的多少來劃分的。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，應從所需組合尺寸的最后一位數開始，每選一塊至少應減去所需尺寸的一位尾數。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，經常以分度盤或棱形塊作為角度量的基準。機械制造中的角度標準一般有角度量塊、測角儀、分度頭。但目前生產中常用的是多面棱體進行角度傳遞。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)、用以復現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單值量具只能體現一個單一量值的量具?？蓙硇驼{整其它測量器具或作為標準量與被測量直接進行比較。如量塊、角度量塊等。⑵多值量具可體現一組同類量值的量具。同樣能校對和調整其它測量器具或作為標準量與被測量直接進行比較。如線紋尺、90°角尺等。⑶專用量具專門用來檢驗某種特定參數的量具。常見的有：檢驗光滑圓柱孔或軸的光滑極限量規(guī)，判斷內螺紋或外螺紋合格性的螺紋量規(guī)，判斷復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通用量具我國習慣上將結構比較簡單的測量儀器稱為通用量具。如游標卡尺、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）是否為欲測之量分類⑴直接測量從測量器具的讀數裝置上得到欲測之量的數值或對標準值的偏差。例如用游標卡尺、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關系的相關量，然后按相應的函數關系式，求得欲測之量的測量結果。2、按測量結果的讀數值不同分類⑴絕對測量從測量器具上直接得到被測參數的整個量值的測量。例如用游標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（一般為測量標準量）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械作用力的測量。如用外徑千分尺、游標卡尺測量零件等。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)生變形而產生測量誤差，還可能造成對零件被測表面質量的損壞。⑵非接觸測量測量器具的感應元件與被測零件表面不直接接觸，因而不存在機械作用的測量力。屬于非接觸測量的儀器主要是利用光、氣、電、磁等作為感應元件與被測件表面聯系。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行的測量。其測量結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、是否需要進行調整，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行的測量。其結果僅用于發(fā)現并剔除廢品，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的多少分類⑴單項測量單獨地、彼此沒有聯系地測量零件的單項參數。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、調整機床等目的。

⑵綜合測量檢測零件幾個相關參數的綜合效應或綜合參數，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檢驗，其測量效率高，能有效保證互換性，在大批量生產中應用廣泛。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狀態(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)，它能反映生產過程中被測參數的變化過程。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，同樣仔細地測量同一個量。在一般情況下，為了簡化測量結果的處理，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據處理比較麻煩，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測量誤差及數據處理

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誤差：在同一種條件下對同一量值進行多次測量時，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。隨機誤差：在同一條件下，對同一被測值進行多次重復測量時，絕對值和符號以不可預定方式變化的誤差。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值重復一致的程度；

正確度：表示測量結果中系統誤差大小的程度；精確度：指測量結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測量誤差及數據處理

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

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

2.6測量誤差及數據處理

（2）算術平均值及標準偏差多次測量的算術平均值為標準偏差的計算公式為：

算術平均值的標準偏差為

若以多次測量的算術平均值表示測量結果，則

2.6測量誤差及數據處理

（3）殘余誤差殘余誤差是測量值xi與算術平均值之差，以vi表示：

2.6測量誤差及數據處理

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