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1、公差配合与测量技术,主编刘华 匡伟春,第5章 测量技术基础,5.1 测量的基本概念与量值传递 5.2 计量器具与测量方法的分类 5.3 常用计量器具的工作原理 5.4 测量误差与数据处理 5.5 常用计量器具,5.1 测量的基本概念与量值传递,5.1.1 测量的基本概念 零件的几何量需要通过测量或检验，才能判断其合格与否。 1)被测对象在几何量测量中，被测对象是指长度、角度、表面粗糙度、几何公差等。 2)计量单位用以度量同类量值的标准量。 3)测量方法指测量原理、测量器具和测量条件的总和。 4)测量精度指测量结果与真值一致的程度。 5.1.2 长度基准和量值传递 国际上统一使用的米制长度基准以
2、米作为长度基准。我国法定计量单位与国际单位制一致，长度单位是米（m）。机械制造中常用的单位是毫米(mm)；测量技术中常用的单位是微米(m)。,5.1 测量的基本概念与量值传递,图5-1 我国长度量值传递系统,5.1 测量的基本概念与量值传递,5.1.3 角度基准与量值传递 角度是重要的几何量之一，一个圆周定义为360，角度不需要像长度一样建立自然基准。但在计量部门，为了方便，仍采用多面棱体（棱形块）作为角度量值的基准（见图52）。机械制造中的角度标准一般是角度量块、测角仪或分度头等。,图5-2 多面棱体,5.1 测量的基本概念与量值传递,图5-3 角度量值传递系统,5.1 测量的基本概念与量值
3、传递,5.1.4 量块的基本知识 量块是精密测量中经常使用的标准器，通常分为长度量块和角度量块两类。量块的主要用途是用来检定和校准量具与量仪的基准量具，或用来调整测量器具的零位。在某些情况下，量块可用于精密测量，也可用于机床的调整。 1.长度量块 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，它分为中心长度L和任意点长度Li。 3)量块的长度变动量：指量块任意点长度的最大差值，即Lv=Limax-Limin。 4)量块的长度偏差：指量块的长度实测值与标称长度之差。,5.1 测量的基本概念与量值传递,图5-4 量块及其术语 1量块 2
4、平晶,2.角度量块,5.2 计量器具与测量方法的分类,5.2.1 计量器具的分类 计量器具按结构特点可分为：量具、量规、计量仪器和计量装置等四类。 1.量具 2.量规 3.计量仪器 (1)机械量仪 机械量仪是指用机械方法实现原始信号转换的量仪，一般都具有机械测微机构。 (2)光学量仪 光学量仪是指用光学方法实现原始信号转换的量仪，一般都具有光学放大(测微)机构。 (3)电动量仪 电动量仪是指能将原始信号转换为电量信号的量仪，一般都具有放大、滤波等电路。,5.2 计量器具与测量方法的分类,(4)气动量仪 气动量仪是以压缩空气为介质，通过气动系统流量或压力的变化来实现原始信号转换的量仪。 4.计量
5、装置 5.2.2 计量器具的基本技术性能指标 计量器具的基本技术性能指标是合理选择和使用计量器具的重要依据。下面以机械式比较仪（见图55）为例介绍一些常用的计量技术性能指标。 1.标尺间距,图5-5 机械式比较仪,5.2 计量器具与测量方法的分类,2.分度值 3.分辨力 4.示值范围 5.测量范围 6.示值误差 7.测量重复性 8.灵敏度 9.灵敏阈(灵敏限) 10.回程误差 11.修正值 12.不确定度 5.2.3 测量方法的分类,5.2 计量器具与测量方法的分类,在实际工作中，测量方法通常是指获得测量结果的具体方式，它可以按下面几种情况进行分类。 1.按实测量是否是被测量分类 (1)直接测
6、量 直接测量是指被测几何量的量值直接由计量仪器读出。 (2)间接测量 间接测量是指先测出与被测量有一定函数关系的相关量，然后按相应的函数关系式求得被测量的测量结果。 2.按示值是否是被测量的量值分类 (1)绝对测量 绝对测量是指从测量器具上直接得到被测参数的整个量值的测量。,5.2 计量器具与测量方法的分类,(2)相对测量 相对测量是指计量器具的示值仅表示被测量对已知标准量的偏差，而被测量的量值为计量器具的示值与标准量的代数和的测量方法。 3.按测量时计量器具的测头与被测表面之间是否接触分类 (1)接触测量 接触测量是指在测量过程中，测量器具的测头与零件被测表面接触后有机械作用力的测量。 (2
7、)非接触测量 非接触测量是指在测量过程中，测量器具的感应元件与被测零件表面不直接接触，因而不存在机械作用的测量力。 4.按同时被测参数的多少分类 (1)单项测量 单项测量是指单独地、彼此没有联系地测量零件的单项参数。,5.2 计量器具与测量方法的分类,(2)综合测量 综合测量是指通过检测零件几个相关参数的综合效应或综合参数，从而综合判断零件的合格性。,5.3 常用计量器具的工作原理,5.3.1 游标类量具 游标类量具是利用游标读数原理制成的一种常用量具，它具有结构简单、使用方便、测量范围大等特点。,图5-6 带表游标卡尺,5.3 常用计量器具的工作原理,图5-7 电子数显卡尺 1内测量爪 2紧
8、固螺钉 3液晶显示器 4数据输出端口 5深度尺 6尺身 7、11防尘板 8置零按钮 9米制/英制转换按钮 10外测量爪 12台阶测量面,5.3.2 螺旋测微类量具,5.3 常用计量器具的工作原理,螺旋测微类量具，是利用螺旋副运动原理进行测量和读数的一种测微量具。按用途可分为：外径千分尺、内径千分尺、深度千分尺。其中，外径千分尺用得最广泛，主要用于测量轴类零件，内径千分尺用于测量内尺寸。,图5-8 外径千分尺 1尺架 2固定测砧 3测微螺杆 4螺纹轴套 5固定套筒 6微分筒 7调节螺母 8接头 9垫圈 10测力装置 11锁紧手把 12绝缘板 13锁紧钮,5.3 常用计量器具的工作原理,图5-9
9、外径千分尺读数举例 a)8.35mm b)14.68mm c)12.765mm,5.3.3 机械量仪 机械量仪是利用机械结构将直线位移经传动、放大后，通过读数装置表示出来的一种测量器具。机械量仪应用十分广泛，主要用于长度的相对测量以及形状和相互位置误差的测量等。,5.3 常用计量器具的工作原理,1.百分表,图5-10 百分表 1小齿轮 2、7大齿轮 3中间齿轮 4弹簧 5测量杆 6指针 8游丝,5.3 常用计量器具的工作原理,2.内径百分表,图5-11 内径百分表 1可换测量头 2测量套 3测量杆 4传动杆 5、10弹簧 6百分表 7杠杆 8活动测量头 9定位装置,3.杠杆百分表,5.3 常用
10、计量器具的工作原理,图5-12 杠杆百分表 1小齿轮 2大齿轮 3指针 4扇形齿轮 5齿轮 6测量杆,5.3 常用计量器具的工作原理,4.杠杆齿轮比较仪,图5-13 杠杆齿轮比较仪 a)外形 b)传动示意图,5.3 常用计量器具的工作原理,5.扭簧比较仪,图5-14 扭簧比较仪 a)外形 b)传动原理示意图 1指针 2灵敏弹簧片 3弹性杠杆 4测量杆,5.4 测量误差与数据处理,5.4.1 测量误差的概念 对于任何测量过程来说，由于计量器具本身的误差以及测量方法和条件的限制，任何测量过程都不可避免地存在误差，测量所得的值不可能是被测量的真值，测得值与被测量的真值之间的差异在数值上表现为测量误差
11、。测量误差可以表示为绝对误差和相对误差。 1.绝对误差 2.相对误差 5.4.2 测量误差的来源,5.4 测量误差与数据处理,由于测量误差的存在，测得值只能近似地反映被测几何量的真值。为减小测量误差，就需分析产生测量误差的原因，以便提高测量精度。在实际测量中，产生测量误差的原因很多，归纳起来主要有以下几个方面： 1.计量器具误差 2.标准件误差 3.测量方法误差 4.测量环境误差 5.人员误差 5.4.3 测量误差的分类 根据测量误差的性质、出现的规律和特点，测量误差可分为三类，即系统误差、随机误差和粗大误差。,5.4 测量误差与数据处理,1.系统误差 2.随机误差 3.粗大误差 5.4.4
12、测量精度 测量精度是指被测几何量的测得值与其真值的接近程度。它和测量误差是从两个不同角度说明同一概念的术语。测量误差越大，则测量精度就越低；测量误差越小，则测量精度就越高。为了反映系统误差和随机误差对测量结果的不同影响，测量精度可分为以下几种： 1)正确度：正确度反映测量结果受系统误差的影响程度。 2)精密度：精密度反映测量结果受随机误差的影响程度。,5.4 测量误差与数据处理,3)准确度：准确度反映测量结果同时受系统误差和随机误差的综合影响程度。 5.4.5 各类测量误差的处理 通过对某一被测几何量进行连续多次的重复测量，得到一系列的测量数据（测得值）测量列，可以对该测量列进行数据处理，以消
13、除或减小测量误差的影响，提高测量精度。 1.测量列中随机误差的处理,图5-15 正态分布曲线,5.4 测量误差与数据处理,(1)计算测量列中各个测得值的算术平均值 (2) 计算残余误差 残余误差i即测得值与算术平均值之差，一个测量列就对应着一个残余误差列 1)残余误差的代数和等于零，即i=0。 2)残余误差的平方和为最小，即2i为最小。 (3)计算标准偏差(即单次测得值的标准偏差)在实用中，常用贝塞尔公式计算标准偏差，贝塞尔公式如下 (4)计算测量列算术平均值的标准偏差 若在一定测量条件下，对同一被测量进行多组测量(每组皆测量n次)，则对应每组n次测量都有一个算术平均值，各组的算术平均值都不相
14、同，不过它们的分散程度要比单次测量值的分散程度小得多。 (5)计算测量列算术平均值的测量极限误差,5.4 测量误差与数据处理,图5-16 及的分布曲线 a)与的关系 b)/与n的关系,5.4 测量误差与数据处理,(6)写出多次测量所得结果的表达式xe 2.测量列中系统误差的处理 (1)实验对比法 实验对比法就是通过改变产生系统误差的测量条件，进行不同测量条件下的测量来发现系统误差。 (2)残差观察法 残差观察法是指根据测量列的各个残差大小和符号的变化规律，直接由残差数据或残差曲线图形来判断有无系统误差。,图5-17 变值系统误差的发现,(1)从产生误差根源上消除系统误差 这要求测量人员对测量过
15、程,5.4 测量误差与数据处理,中可能产生系统误差的各个环节进行分析，并在测量前就将系统误差从产生根源上加以消除。 (2)用修正法消除系统误差 这种方法是预先将计量器具的系统误差检定或计算出来，作出误差表或误差曲线，然后取与误差数值相同而符号相反的值作为修正值，将测得值加上相应的修正值，即可使测量结果不包含系统误差。 (3)用抵消法消除定值系统误差 这种方法要求在对称位置上分别测量一次，以使这两次测量中测得的数据出现的系统误差大小相等、符号相反，取这两次测量中数据的平均值作为测得值，即可消除定值系统误差。,5.4 测量误差与数据处理,(4)用半周期法消除周期性系统误差 对周期性系统误差，可以每
16、相隔半个周期进行一次测量，以相邻两次测量的数据的平均值作为一个测得值，即可有效消除周期性系统误差。 3.测量列中粗大误差的处理 5.4.6 等精度测量下直接测量列的数据处理 等精度测量是指在测量条件（包括量仪、测量人员、测量方法及环境条件等）不变的情况下，对某一被测量进行的连续多次测量。虽然在此条件下得到的各个测得值不同，但影响各个测得值精度的因素和条件相同，故测量精度视为相等。相反，在测量过程中全部或部分因素和条件发生改变，则称为不等精度测量。在一般情况下，为了简化对测量数据的处理，大多采用等精度测量。,5.4 测量误差与数据处理,1)计算测量列的算术平均值和残差，以判断测量列中是否存在系统误差。 2)计算测量列单次测量值的标准偏差，判断是否存在粗大误差。 3)计算测量列的算术平均值的标准偏差和测量极限误差。 4)给出测量结果表达式xe=x3x，并说明置信概率。,5.4 测量误差与数据处理,表5-1 数据处理计算表,5.4 测
