第2章 测量技术概论,2.1 测量技术的基本知识,2.2 被测的量在测量过程中的变换 （测量方法与计量器具）,2.3 测量误差与测量结果的数据处理,* 2.4 测量技术的基本原则,测量：将被测量与表示计量单位的标准量进行比较，从而确定被测量的实验操作过程。,式中 Q 被测量，在长度测量中指被测长度；,u标准量，计量单位，在长度测量中是长度单位；,x比值。,测量所得的量Q 等于用计量单位表示的被测量的量值。,例如：u为mm，x50，则被测长度Q为50mm。,测量的基本方程式,量值：用一个数和一个合适的计量单位表示的量，如1m 5kg等。,2.1 测量技术的基本知识,计量工作: 单位统一、数值准确,计量学研究的内容:,*计量单位及其基准；标准的建立、保存和使用。 *测量方法和计量器具、测量不确定度、观测者进行测量的能力 以及计量法制和管理等。 *计量学也包括研究物理常数和物质标准，材料特性的准确测定。,计量: 以保证量值统一和传递为目的的专门测量。,计量学: 研究测量、保证量值统一和和准确的科学。,名词术语：计量、试验、检验、验证和认证等,测量过程的四要素,1、测量对象（被测量） （几何量：长度、角度、形位误差和表面粗糙度）,2、测量单位（标准量） （物质形式：光波波长、精密量块、线纹尺、各种圆分度盘）,3、测量方法 (测量的类型、器具、主客观条件：测量者与测量环境等）,4、测量精度（不确定度）,长度计量,十大计量（P24）,技术测量或精密测量：几何参数的测量,对技术计量的基本要求: 采用正确的测量方法和测量器具； 控制测量误差，分析误差产生的原因； 正确判断测量结果是否符合技术规范的要求。,2.1.1 计量单位和量值传递系统,长度单位、长度基准和量值传递系统,1. 长度单位 m/mm/um/nm,1791年，档案米尺,1880年，国际米原器,铂铱合金的高精度米尺第6号（ 30多根 ）,当时米的定义为：米的长度等于在冰点温度下，米原器两端刻线间的距离。,1960年，光波波长,米定义为：米的长度等于86Kr原子的2p10和5d5能级之间跃迁所对应的辐射在真空中的波长的165 0763.73倍。,长度单位的发展,1983年，新定义,激光技术,米是光在真空中在1/299 792 458 s 的时间间隔内所行进的路程长度。,1992年，给出八种稳频激光器的光波波长和频率推荐值， 用于复现米定义。,2.量值传递系统（实物计量标准器）： 光波波长：氦氖激光器 632.8nm 端面长度国家基准：基准量块（块规） 刻线长度国家基准：基准线纹尺,长度量值传递系统,国家基准,基准波长,省级基准,一等量块,市级基准,二等量块,工厂基准,三等量块,计量器具,被测工件,工作基准,主基准,由两个相互平行的测量面之间的距离来确定其工作长度的高精度量具，其长度为计量器具的长度标准。 作用: 量值传递；对计量仪器、量具等示值误差进行校正、鉴定；直接用于工件测量等。,基准量块,长度量块是单值端面量具，其形状大多为长方六面体，其中一对平行平面为量块的工作表面，两工作表面的间距即长度量块的工作尺寸。量块由特殊合金钢制成，耐磨且不易变形，工作表面之间或与平晶表面间具有可研合性。以便组成所需尺寸的量块组。,常用量具及其测量 ,长度量块尺寸方面的术语 (1) 标称长度。量块上标出的尺寸称为量块的标称长度l。 (2) 实际长度。量块长度的实际测得值称为量块的实际长度。分为中心长度L 和任意点长度Li。 (3) 量块的长度变动量。指量块任意点长度Li的最大差值，即Lv = Li maxLi min 。 (4)量块的长度偏差。指量块的长度实测值与标称长度之差。,长度量块的分级 量块按制造精度分为6 级，即00，0，K ， 1，2，3 级，其中00 级精度最高，3 级精度最低。 K 级为校准级，用来校准0，1，2 级量块。 量块的“级”主要是根据量块长度极限偏差和量块长度变动量的允许值（公差）来划分的。 量块按“级”使用时，以量块的标称长度作为工作尺寸。该尺寸包含了量块的制造误差，不需要加修正值，使用较方便。但不如按“等”使用的测量精度高。,量块精度等级,长度量块的分等 量块按检定精度分为16 等，其中1 等精度最高，6 等精度最低。 量块按等使用时，是以量块检定书列出的实测中心长度作为工作尺寸，该尺寸排除了量块的制造误差，只包含检定时较小的测量误差。 按“等”使用量块，在测量上需要加入修正值， 比按“级”使用的测量精度高。,分等: 按其测量不确定度分,以实测值作为工作尺寸 (常用),分级: 按制造精度分,以标称长度作为工作尺寸 (少用),量块的使用（组合）,长度量块的尺寸组合一般采用消尾法，即选一块量块应消去一位尾数。 如尺寸 46.725 使用83 块套的量块组合为: 46.725 = 1.0051.224.540,长度量块的尺寸组合利用量块的研合性，可根据实际需要，用多个尺寸不同的量块研合组成所需要的长度标准量。为保证精度一般不超过4 块。量块是成套制成的，每套包括一定数量不同尺寸的量块。,标准器具及其使用,多面棱体,*角度基准：多面棱体、标准度盘、测角仪、分度头,圆周分度器件：,单一角度：例如，v形导轨的夹角、燕尾槽角度等；,圆锥零件的锥形角：例如，刀具的锥柄、机床主轴的锥孔等；,例如，分度盘、多齿盘、多面棱体以及各种齿轮、花键等。,*角度测量的类型,角度量值传递系统,2.1.2 测量器具与测量方法的基本计量学指标,1. 刻度间距：这是指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。考虑人眼观察的方便，一般应取刻度间距为12.5 mm。 2. 分度值：这指计量器具的标尺或分度盘上每一刻度间距所代表的量值。一般长度计量器具的分度值有0.1 mm、0.05 mm、0.02 mm、0.01 mm、0.005 mm、0.002 mm、0.001mm 等几种。一般来说，分度值越小，则计量器具的精度就越高。,* 分辨力：这是指计量器具所能显示的最末一位数所代表的量值。由于在一些量仪(如数字式量仪)中，其读数采用非标尺或非分度盘显示，因此就不能使用分度值这一概念，而将其称做分辨力。例如，国产JC19 型数显式万能工具显微镜的分辨力为0.5 m。,5. 示值误差：这是指计量器具上的示值与被测几何量的真值的代数差。一般来说，示值误差越小，则计量器具的精度就越高。,3. 灵敏度与放大比：这是指计量器具对被测几何量微小变化的响应变化能力。若被测几何量的变化为x，该几何量引起计量器具的响应变化能力为L，则 绝对灵敏度：S = L/x 相对灵敏度： S 0= S/x 当上式中分子和分母为同种量时，灵敏度也称为放大比或放大倍数。对于具有等分刻度的标尺或分度盘的量仪，放大倍数K 等于刻度间距a 与分度值i 之比K = a/i 一般来说，分度值越小，则计量器具的灵敏度就越高。,4. 灵敏限：引起量仪示值可察觉变化的被测量的最小变动量,6 校正值：这是指为了消除或减少系统误差，用代数法加到测量结果上的数值。其大小与示值误差的绝对值相等，而符号相反。 例如，示值误差为-0.004mm，则修正值为+0.004 mm。 7 回程误差：当被测量不变时，在相同条件下，测量器具沿正反行程在同一点上测量所得结果之差的绝对值。 8 示值变动性：在测量条件不变的条件下，对同一被测量进行多次重复测量时，测得值的最大变动量。 9 测量力：测头与工件表面的机械接触力。,12 不确定度：由于测量误差的存在而对被测量值的测量结果的不能肯定的程度。由未定系统误差和和随机误差按一定的方法综合的结果，用极限误差表示。 测得值最佳估计值；真值测得值、极限误差 测量重复性：这是指在相同的测量条件下，对同一被测几何量进行多次测量时，各测量结果之间的一致性。通常以测量重复性误差的极限值(正、负偏差)来表示。,10 示值范围：指测量器具标尺所能显示或指示的被测量的数值。例如机械式测微仪的示值范围为100m。,11 测量范围：指计量器具在允许的误差限度内所能测出的被测几何量量值的下限值到上限值的范围。一般测量范围上限值与下限值之差称为量程。例如立式光学比较仪的测量范围为 0180 mm，也说立式光学比较仪的量程为180 mm。,1 测量方法及其分类,一、按测量结果获得的方法不同分类 1.直接测量:由计量器具直接获得被测量的测量方法。 2.间接测量:测量与被测量之间有已知函数关系的其它量，再经计算得到被测量的测量方法。 二、按示值不同分类 1.绝对测量: 指计量器具显示或指示的示值为被测量的全值的测量方法。 2.相对测量: 指计量器具显示或指示的示值仅为被测量相对于某已知标准量的偏差值的测量方法(比较测量)。,2.1.3 测量方法和测量器具的分类 (P30-34),三、接触（机械）与非接触（光学）测量 四、单项与综合测量 五、主动（在线测量+控制）与被动测量 六、静态与动态测量（被测量表面与测头是否相对运动）,（1）基准量具,（4）通用计量器具,（2）极限量规（专用计量器具）,（3）检查夹具*,2 测量器具的分类,游标量具,微动螺旋量具（千分尺）,机械量仪,光学量仪,电动量仪,气动量仪,量仪 是能将被测几何量的量值转换成可直接观测的示值或等有效信息的一类计量器具。,计量装置 是指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。它能够测量同一工件上较多的几何量和形状比较复杂的工件，有助于实现检测自动化或半自动化。如齿轮综合精度检查仪、发动机缸体孔的几何精度综合测量仪等。,量具 是通用的有刻度的或无刻度的一系列单值和多值的量块和量具等，如长度量块、90角尺、角度量块、线纹尺、游标卡尺、千分尺等。,量规 是没有刻度且专用的计量器具。可用以检验零件要素实际尺寸和形位误差的综合结果。,2.2.1 机械变换 2.2.2 气动变换 2.2.3 光学变换 2.2.4 电学变换,2.2 被测的量在测量过程中的变换,测量装置：由测头、变换、放大、传递及指示等部分组成,变换：把位移信号转换为其他相应的物理量。,游标量具,应用游标读数原理制成的量具叫游标量具。它在机械制造业中应用十分广泛，可用于测量内外尺寸、高度、深度等。 游标读数原理 游标量具读数部分主要是由尺身与游标组成，其原理是利用尺身刻线间距与游标刻线间距差来进行小数读数，如图所示。,游标分度值为0.10mm,则被测工件尺寸为：2十0.302.30mm。,通用计量器具,:外径千分尺,微动螺旋（测微）量具,机械变换/螺旋变换,测微量具是机械制造中常用的精密量具，它是利用精密螺旋副进行测量，而以微分筒和固定套筒上的刻度进行读数的一种机械式量具。精密螺旋副的螺距为0.5mm， 由于测微螺杆的精度受到制造工艺的限制，其移动量通常为 25 mm。,读数机构由固定套筒和微分筒组成，如图所示。在固定套筒上刻有纵刻线，纵刻线上下方各刻有25个分度，每个分度的刻线间距为1mm，微分量具中测微螺杆的螺距一般都是0.5mm，微分筒圆周斜面上刻有50个分度，因此当微分筒旋转一周时，测微螺杆轴向位移0.5mm，微分筒旋转一个分度时，测微螺杆移动0.01mm，故常用千分尺的读数值为0.01mm。,读数：14.10mm,钟表式百分表、千分表(分度值为0.010.001mm ),此类量具的主要原理是将测量杆微小直线位移通过适当的放大机构放大后而转变为指针的角位移，最后由指针在刻度盘上指示出相应的示值。,机械变换/齿轮变换,目视光学仪器的放大率不能用横向放大率或角放大率来理解。因为在用眼睛通过仪器观察物体时，有意义的是像在眼睛视网膜上大小。目视光学仪器的放大率用视觉放大率表示，其定义为，用仪器观察物体时视网膜上的像高与用人眼直接观察物体时视网膜上的像高之比，用 表示 (7-12) 设人眼后节点到视网膜的距离为 ，上式又可写作 (7-13),视角放大率,光学变换/影像变换,式中， 为用仪器观察物体时，物体的像对人眼