精密測試技術(shù) 花國梁 課件 第1章-精密測量技術(shù)概論

第一章精密測量技術(shù)概論§1-1

精密測量的意義與發(fā)展§1-2測量的基本概念§1-3擬定測量方法時應(yīng)考慮的幾個問題§1-4測量方法的選用實例§1-5測量不確定度教學(xué)目標(biāo)：

本章闡述精密測量的意義和測量技術(shù)的發(fā)展，測量的基本概念、擬定測量方案時應(yīng)考慮的一些主要因素；包括阿貝原則和封閉原則，給出測量方案擬定的應(yīng)用舉例。通過學(xué)習(xí)本章內(nèi)容，使大家對精密測量技術(shù)有一個概貌的了解，為學(xué)習(xí)后面章節(jié)的內(nèi)容奠定基礎(chǔ)?！?-1

精密測量的意義與發(fā)展門捷列夫(俄羅斯著名化學(xué)家

1834-1907)

科學(xué)始于測量,沒有測量，便沒有精密的科學(xué)。門捷列夫§1-1

精密測量的意義與發(fā)展當(dāng)你能夠測量你所關(guān)注的事物，而且能夠用數(shù)量來描述它的時候，你就對其有所認(rèn)識；當(dāng)你不能測量它，也不能將其量化的時候，你對他的了解就是貧乏和不深入的。開爾文為了紀(jì)念他在科學(xué)上的功績，國際計量大會把熱力學(xué)溫標(biāo)（即絕對溫標(biāo)）稱為開爾文（開氏）溫標(biāo)，是現(xiàn)在國際單位制中七個基本單位之一。開爾文(英國著名物理學(xué)家

1824-1907）§1-1

精密測量的意義與發(fā)展錢學(xué)森信息技術(shù)包括測量技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)，測量技術(shù)是信息技術(shù)的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。錢學(xué)森(1911-2009）§1-1

精密測量的意義與發(fā)展

測量技術(shù)是工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，高科技的工業(yè)一刻也離不開測量技術(shù)。千分尺的出現(xiàn)，使加工精度達(dá)到了0.01mm§1-1

精密測量的意義與發(fā)展測微比較儀的出現(xiàn)，使加工精度達(dá)到了1§1-1

精密測量的意義與發(fā)展有了激光干涉儀，使測量精度達(dá)到0.01機(jī)械工業(yè)的發(fā)展與精密測量息息相關(guān)。美國光動公司激光干涉儀

在很多領(lǐng)域，精密測量已經(jīng)成為不可缺少的重要的組成部分，如半導(dǎo)體芯片的線寬：我國目前集成電路工藝技術(shù)水平在0.35－0.25微米，而國際上目前的生產(chǎn)技術(shù)已達(dá)到0.13-0.09微米，到2022年，硅集成電路技術(shù)的線寬可能達(dá)到10個納米，

集成電路的線條寬度已達(dá)到0.1微米以下，如果缺陷的直徑大小為1個微米或者是0.5個微米，一個電路片上有一個缺陷就會導(dǎo)致整個片子失效，這對集成電路的尺寸測量將非常重要。

§1-1

精密測量的意義與發(fā)展精密測量技術(shù)的主要發(fā)展方向：

1、新技術(shù)和新的測量原理的應(yīng)用

2、高精度，如芯片測量精度1-10納米

3、高速度

4、測量方式多樣化

5、小型化、集成化

6、標(biāo)準(zhǔn)化§1-1

精密測量的意義與發(fā)展JJG1001-91通用計量名詞及定義，計量學(xué)是有關(guān)測量知識領(lǐng)域的一門學(xué)科。既屬于自然科學(xué)，又屬于社會科學(xué)（雙重屬性）。量學(xué)研究的內(nèi)容包括：

（l）計量單位及其基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)的建立、復(fù)制、保存和使用；

（2）量值傳遞、計量原理、計量方法、計量不確定度以及計量器具的計量特性；

（3）計量人員進(jìn)行計量的能力；

（4）計量法制和管理；

（5）有關(guān)計量的一切理論和實際問題。

一、計量學(xué)與測量的有關(guān)概念§1-2

測量的基本概念§1-2

測量的基本概念有關(guān)測量的幾個術(shù)語：

測量、測試、檢驗、檢定及比對這幾個名詞都是計量學(xué)所表現(xiàn)的具體方式。

測量：是以確定量值為目的的一組操作，也就是為確定被測對象的量值而進(jìn)行的實驗過程。

測試：是指具有試驗性質(zhì)的測量。也可理解為試驗和測量的全過程。

檢驗：是判斷被測物理量是否合格，通常不一定要求測出具體值。因此檢驗也可理解為不要求知道具體值的測量。檢驗的主要對象是工件（通常用量規(guī)）?！?-2

測量的基本概念

檢定：為評定計量器具是否符合法定要求所進(jìn)行的全部工作，它包括檢查、加標(biāo)記和出具檢定證書。檢定的主要對象是計量器具。

比對：在規(guī)定的條件下，對相同不確定度等級的同類基推、標(biāo)準(zhǔn)或工作用計量器具之間的量值進(jìn)行比較的過程。§1-2

測量的基本概念二、測量過程及測量四要素測量是以確定量值為目的的全部實驗操作。測量過程實際上就是一個比較過程，也就是將被測量L與標(biāo)準(zhǔn)的單位量u進(jìn)行比較，確定其比值K的過程,即可表示為：

此式測量的基本方程式。它說明被測值L等于所采用的長度單位u與測量比值K的乘積。如游標(biāo)卡尺測軸

一個完整的測量過程應(yīng)包含被測對象、計量單位、測量方法（含測量器具）和測量精度等四個要素。

1、被測對象

本課程研究的被測對象是幾何量，包括長度、角度、表面粗糙度、形狀和位置誤差以及螺紋、齒輪的各個幾何參數(shù)等。dLα§1-2

測量的基本概念角度：基本單位

弧度（rad

）

常用單位

度（°）分（′）秒（″）

2、測量單位

我國法定計量單位對長度和角度單位做了規(guī)定：

長度：基本單位米（m）

常用單位毫米（mm）微米（μm）

納米（nm）§1-2

測量的基本概念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(yùn)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。

§1-2

測量的基本概念

根據(jù)獲得測量結(jié)果的方式，從不同角度進(jìn)行分類。

（1）、按實測量x是否為被測之量y分類直接測量

從測量器具上獲得的讀數(shù)即為被測量大小。即

y=x。如用游標(biāo)卡尺、千分尺測量軸徑。

間接測量

先測出實測量，然后按相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系換算被測量即

y=f

(x1,x2······)用弓高弦長法間接測量圓弧樣板的半徑R

bh§1-2

測量的基本概念

(2)按儀器讀數(shù)是否為被測量的完整值分類

絕對測量：儀器讀數(shù)即為被測量的完整值。如游標(biāo)卡測量

相對測量儀器讀數(shù)為被測量相對于標(biāo)準(zhǔn)量的偏差

例如機(jī)械比較儀、光學(xué)比較儀

(3)按測量時工件與測頭是否接觸分類

接觸測量：計量器具的測頭與被測表面接觸

非接觸測量：測頭不與被測表面接觸

§1-2

測量的基本概念

(4)按工件上被測參數(shù)多少分類

單項測量：對工件上的各被測量進(jìn)行獨立測量

綜合測量:

檢測零件幾個參數(shù)的綜合效應(yīng)

(5)、按測量在工藝過程中所起作用分類

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。§1-2

測量的基本概念4、測量精度(不確定度)

測量精度表示測量結(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。因此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

測量的基本概念5、計量器具的分類

計量器具是測量儀器和測量工具的通稱，通常按結(jié)構(gòu)特點及原理分為：量具、量規(guī)、計量儀器和計量裝置。

(1)

量具

量具是指以固定形式復(fù)現(xiàn)量值的計量器具。包括單值量具（量塊、直角尺）

多值量具（鋼板尺、多面棱體）

量具一般沒有可動的結(jié)構(gòu)，不具有放大功能。但我國習(xí)慣上將千分尺、游標(biāo)卡尺等簡單的測量儀器也稱為“通用量具”?！?-2

測量的基本概念

(2)

量規(guī)

量規(guī)是指沒有刻度的專用計量器具。特點：只能判定被檢驗工件是否合格，不能得到工件的具體數(shù)值。

如光滑極限量規(guī)、螺紋量規(guī)位置量規(guī)等檢驗。卡規(guī)

塞規(guī)螺紋量規(guī)§1-2

測量的基本概念⑴機(jī)械式量儀用機(jī)械方法實現(xiàn)原始信號轉(zhuǎn)換的量儀

(3)

計量儀器

計量儀器是指能將被測幾何量的量值轉(zhuǎn)換成可直接觀測的示值或等效信息的計量器具。計量儀器按原始信號轉(zhuǎn)換的原理可分為以下幾種。⑵光學(xué)式量儀

⑶電動式量儀

⑷氣動式量儀

用光學(xué)方法實現(xiàn)原始信號轉(zhuǎn)換的量儀

將原始信號轉(zhuǎn)換為電量形式的量儀

用壓縮空氣實現(xiàn)原始信號轉(zhuǎn)換的量儀§1-2

測量的基本概念

(4)計量裝置

計量裝置是指為確定被測幾何量量值所必需的計量器具和輔助設(shè)備的總體。§1-2

測量的基本概念

6、計量器具的技術(shù)指標(biāo).

(1)標(biāo)尺刻度間距(a)

計量器具標(biāo)尺或分度盤上相鄰兩刻線中心之間的距離或弧長。為適于人眼觀察，一般為1-2.5mm

1－2.5

(2)

標(biāo)尺分度值(i)

分度值指計量器具標(biāo)尺或分度盤上每一刻度間距所代表的量值。放大倍數(shù)：k=a/i§1-2

測量的基本概念

(3)標(biāo)尺示值范圍(B)

計量器具所能顯示的被測幾何量起始值到終止值的范圍。

(4)測量范圍(L)

計量器具在允許的誤差限內(nèi)所能測出的被測幾何量下限值到上限值的范圍。

§1-2

測量的基本概念

(5)靈敏度(S)

指計量器具對被測量微小變化的響應(yīng)能力。若被測量的變化為△x，引起計量器具的響應(yīng)變化為△L，則靈敏度S為：

S=△L/△x

當(dāng)式中分子和分母為同種量時，靈敏度即放大倍數(shù)。

k=a/i§1-2

測量的基本概念

(6)

示值誤差與修正值

示值誤差：指計量器具上的示值與被測的真值的代數(shù)差。是測量結(jié)果中的系統(tǒng)誤差之一。

修正值：是指為了消除或減少系統(tǒng)誤差，用代數(shù)法加到未修正測量結(jié)果上的數(shù)值。

例如：千分尺測量20mm量塊，讀數(shù)為19.98mm

示值誤差＝19.98－20＝－0.02

在測量結(jié)果19.98上應(yīng)加上＋0.02才能消除該誤差

結(jié)論：修正值＝－示值誤差§1-2

測量的基本概念

(7)

測量重復(fù)性

在相同的測量條件下，對同一被測量進(jìn)行多次測量時，各測量結(jié)果之間的一致性。反映了測得值中隨機(jī)誤差的大小。

§1-2

測量的基本概念§1—3擬訂測量方法時應(yīng)考慮的問題

測量方法是測量過程四要素之一，但在實際上它是測量過程的核心部分。對于完善的測量方法，應(yīng)該是：1、被測對象的特性和精度要求采用相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)量；2、通過一套合理的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)來實現(xiàn)兩者的比較；

3、滿足測量精度的要求。因此，測量方法是整個測量過程的綜合體現(xiàn)。§1—3擬訂測量方法時應(yīng)考慮的問題一、兩個重要的測量原則

在幾何量測量中，有兩個重要的測量原則．即長度測量中的阿貝原則和圓周分度測量中的封閉原則。

1、阿貝測長原則

在長度測量中，將被測量與標(biāo)準(zhǔn)量沿同一直線排列，即采用串聯(lián)排列形式。

阿貝原則是1890年德國人艾思斯特·阿貝提出的指導(dǎo)性的原則，可以減小測量時，測量裝置（工作臺）移動方向不正確產(chǎn)生的誤差。§1—3擬訂測量方法時應(yīng)考慮的問題(1)并聯(lián)排列方案§1—3擬訂測量方法時應(yīng)考慮的問題(2)串聯(lián)排列方案萬工顯分析阿貝比長義§1—3擬訂測量方法時應(yīng)考慮的問題根據(jù)封閉特性，對于圓周封閉類零件在沒有更高精度的因分度基準(zhǔn)器件的情況下，采用“自檢”也能達(dá)到高精度測量的目的。2、圓周封閉原則同一圓周上所有分度夾角之和等于360°，或同一圓周上所有夾角誤差之和等于零。§1—3擬訂測量方法時應(yīng)考慮的問題二、被測對象和被測量的特性被測對象是多種多樣的，所以有種類繁多的測量方法。因此在擬定測量方法時，必須對被測對象的持性進(jìn)行認(rèn)真研究和分析。被測對象的特性包括其大小、形狀、重量、材料、批量及精度要求等。例如：對于一般中小尺寸工件，可放在儀器上測量，特大尺寸應(yīng)考慮將量儀放在工件上進(jìn)行測量。過軟材料應(yīng)采用非接觸式測量。大批量生產(chǎn)可考慮設(shè)計專用測量裝置。§1—3擬訂測量方法時應(yīng)考慮的問題對于圓柱形工件的半徑或直徑、理論上是單值尺寸，但由于它必然有形狀誤差和表面粗糙度的影響，因而在圓周上各處的實際尺寸是變動的。采用誤差分離法可發(fā)現(xiàn)不同誤差成份。§1—3擬訂測量方法時應(yīng)考慮的問題三、測量力的影響測量力是指測量時工件表面承受的測量壓力；產(chǎn)生壓縮變形，這種變形量看起來不大，但在精密測量小，尤其對小尺寸零件就必須予以修正。

1、表面的接觸變形(1)球?qū)A柱、球?qū)η?3)球?qū)ζ矫?3)平面對圓柱§1—3擬訂測量方法時應(yīng)考慮的問題例：在立式光學(xué)計上測量

的鋼球，若選用硬質(zhì)合金平面測量頭，工作臺為鋼制平面測量力p＝2N，求變形量。2、縱向變形及彎曲變形

長桿或大量塊垂直放置時，自身重力會位其長度變短。L=1000mm，時

水平安放時，支承點不同，重力的影響也不同?！?—3擬訂測量方法時應(yīng)考慮的問題四、測量環(huán)境

測量環(huán)境是指在測量時的外界條件，如溫度、濕度、氣壓、振動、氣流、灰塵、腐蝕氣體等。溫度影響計算公式：§1—3擬訂測量方法時應(yīng)考慮的問題隨機(jī)誤差按下式計算：（1）被測量與標(biāo)準(zhǔn)量線漲系數(shù)相差越大，誤差越大；（2）被測量與標(biāo)準(zhǔn)量溫度相差越大，誤差越大；措施（1）采用等溫處理。盡量使

（2）（3）采用恒溫測量，使（2）減少熱源?！?—3擬訂測量方法時應(yīng)考慮的問題其它因素：

室內(nèi)的相對濕度應(yīng)控制在50％一60％范圍以內(nèi)；應(yīng)避免外界振動產(chǎn)生的影響，應(yīng)有防振措施；注意防塵和防腐蝕氣體等。有關(guān)擬訂測量方法時應(yīng)考慮的其它問題１、定位盡量做到測量基準(zhǔn)與設(shè)計、工藝基面相統(tǒng)一２、測量方法的極限誤差應(yīng)占被測工件公差§1—3擬訂測量方法時應(yīng)考慮的問題sh§1－4