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精密测量技术课件-第1章4-5节.ppt

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1、14 测量的基本概念,本节主要内容,一、与测量有关的几个基本概念 1、计量学及其研究的内容 2、计量的具体表现方式: 二、测量过程 1、测量的基本方程式 2测量过程四要素:测量对象和被测量测量单位和标准量测量方法测量精度,一、与测量有关的几个基本概念 1计量学:研究测量,保证量值统一和准确的一门科学。 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,测量准确度; 观测者进行测量的能力以及计量法制和管理等; 也研究物理常数和标准物质,材料特性的准确测定。 计量学所表现的具体方式:测量、测试、检验、检定等,主要表现方式是测量 。 2 .测量、计量、测试、检验、检

2、定、比对这6个概念有何不同?,(1)测量:是指为确定被测对象的量值而进行实验的过程。 (2)计量:确定被测对象的量值、实现量值传递和朔源的活动 (3)测试:是指具有试验性质的测量。也可以理解为试验和测量的全过程。 (4)检验:是判断被测物理量是否合格(在规定范围内)的过程,通常不一定要求测出具体值。检验的主要对象是工件。 (5)检定:为评定计量器具的计量性能(准确度、稳定度、灵敏度等),并确定其是否合格所进行的全部工作。检定的主要对象是计量器具。 (6)比对:在规定条件下,对相同准确度等级的同类基准、标准或工作用计量器具之间的量值进行比较的过程。,二、测量过程 1测量的基本方程式 测量就是将被

3、测量与一个作为测量单位的标准量进行比较,以求其比值的过程。可用一个基本公式来表示,即L=Ku 式中 L被测长度(被测量); u长度单位(标准量);K比值。上式称为测量的基本方程式。 这里所指的长度是广义的,这个“长度”包括长度值(线值)、角度,以及被测几何形体表面的形状、位置和粗糙度等各种形式的几何量。,2测量过程四要素一个完整的测量过程包括四要素:测量对象和被测量、测量单位和标准量、测量方法、测量不确定度。 (1)测量对象和被测量 A.对象:测量所指向的具体物体。多种多样,如:工件、器具、标准器、各类产品等。不仅机械产品,还有电子、生物等 B.被测量:通常为几何量(参量:物理、化学、生物、几

4、何等)a.不同的被测对象有不同的被测量。(如图)b.同一被测对象其被测量可能是多种的。c.复杂零件还有复合的被测量,如滚刀的螺旋线误差。 .被测对象和被测量的特征是设计测量方法的主要依据。在被测量和标准量的比较过程中,对被测量的分析研究是非常重要的。,(2)测量单位和标准量 常用的长度单位和角度单位; 体现形式:在测量过程中,测量单位必需以物质形式来体现。能体现测量单位和标准量的物质形式有光波波长、精密量块、线纹尺、各种圆分度盘等。,(3)测量方法完成测量任务所用的方法、量具或器具,及测量条件(含标准器、接触方式、定位方法、环境条件等)的总和。 基本的测量方法(例如:测一个圆柱形工件)直接测量

5、和间接测量(大油罐)绝对测量和相对测量(量块)接触测量和非接触测量(棉线,建筑物裂缝测量)单项测量和综合测量(曲轴)手动测量和自动测量工序测量(现场、机床自测)和终结测量主动测量(也叫在线测量)和被动测量。,塞尺,接触测量?非接触测量?,绝对还是相对测量?,单项还是综合测量?,直接还是间接测量?,太累啦!我恐高!,远程视觉检测系统,属于什么测量方法?,现场检测系统 便携式数码建筑物表面裂缝检测仪研制,样机图,优化设计后成套效果图,国家局项目,申请专利5项,软件著作权一个,加工中心机内检测的应用实例,(现场、机床自测),磨削过程中的主动测量,当没有现成的量具或器具或无现成的检定规程时,需要自行拟

6、定测量方法,这就需要根据被测对象和被测量的特点(形体大小、精度要求等)确定标准量,拟定测量方案、工件的定位、读数和瞄准方式及测量条件(如温度和环境要求等)。,(4)测量不确定度:测量不确定度(记为U)是指测量结果变化的不肯定,是表征被测量的真值在某个量值范围的估计,是测量结果含有的一个参数,用以表示被测量值的分散性。 它的大小表征测量结果的可信程度。 一个完整的测量结果应包含被测量值的估计值与分散性参数两部分。如对被测量的测量结果为:yU(k=2) ,其中y是被测量的估计,它具有的测量不确定度为U。 测量应在满足测量不确定度要求的前提下进行才有意义。,例.试分析游标卡尺检定的测量过程四要素,例

7、3、用游标卡尺测量一密封橡皮圈的直径,测量人员给出测量结果为20mm,试分析评价该测试人员的测量活动 密封橡皮圈的直径要求200.03,15 测量方法的选择,本节主要内容,一、几何量测量的基本原则和特性 1、有哪些基本原则:四条 2、四项基本原则的具体内容: 二、测量方法的正确选择 1、测量方法选择的原则 (1)基本原则(2)精度选择原则(3)经济原则 2、测量器具的选择:综合考虑三因素 3、其他的选择:1)标准件;2)测量基面;3)定位基面 4、测量环境的选择:主要是温度误差的计算 三、测量方法选择实例,一、几何量测量的基本原则和特性为了保证正确可靠的测量,人们在测量实践中总结出了四条基本原

8、则,即阿贝原则、封闭原则、最小变形原则最短测量链原则这些基本原则在拟定测量方法时应根据具体情况侧重选择,尽量遵守。,1阿贝原则(图) 长度测量中,测量过程就是被测工件的尺寸与作为标准量的线纹尺、量块等的尺寸进行比较的过程。比较时,二线的相互位置有 (1)两种布线方式: 并联布线:指被测线与测量线相互平行,相距一定距离S。串联布线:指被测线应与测量线重合,或者应在其延长线上-共线,标准尺,待检尺,(2)阿贝原则(即串联原则) 1890年德国人Ernst Abbe 提出:“将被测物与标准尺沿测量轴线成直线排列”。这就是阿贝原则。阿贝原则是几何量测量的最基本原则,如条件许可,应尽可能遵循阿贝原则。,

9、钢卷尺检定台:是将滚动光栅与自动瞄准系统相结合,构成大尺寸长度测量的线纹自动测量系统。具有测量高效、操作简单和搬运调整方便等特点。主要用于钢卷尺、钢直尺、测深卷尺、量油尺、套管尺等线纹尺的测量。仪器测量不确定度: 0.03+0.03L (mm) ;L单位是米,钢卷尺检定台,A并联布线:如图1-7所示。,图 1-7 并联测量,被测线与测量线相距时引起的测量误差为: =Stg S 可见,测量误差与S、成正比, 与倾角成一次关系,习惯上称一次误差。,例.设 S=100mm, =0.0001rad,则得: =10um,这说明当不遵守阿贝原则测量时,由于工作台移动时直线度误差所引起的测量误差为一次大误差

10、。,(3)布线误差分析,1级钢卷尺误差=?; 1等金属线纹米尺的误差=?,比长仪 主要用于检定线纹尺,上式说明测量误差与L 成正比,因为与倾角成二次方关系,所以习惯上称二次误差。例.设 L=1000mm, =0.0001rad ,则得: =0.005um可见,当遵守阿贝原则测量时,即使测量时导轨的直线度有误差,所引起的测量误差为二次微小误差,也是完全可以忽略不计的。,B串联布线 :,测量误差为: =L(1-cos)=2L(sin/2)当很小时 : L/2,图1-6 串联布线,例.判断下列量仪是否符合阿贝原则。,(4)采用阿贝原则的意义 阿贝原则的意义就在于它避免了因导轨有误差而引起测量的一次大

11、误差。 A.在量仪设计中,遵守阿贝原则可相应降低仪器导轨的精度,而测量精度却比较高。 B.在测量中,遵守阿贝原则可提高测量精度。 当使用不符合阿贝原则的测量仪器时,应尽量减小测量一次大误差,以提高仪器的使用精度。,2封闭原则 原则: 在测量中如能满足封闭条件,则圆周分度间隔误差的总和必然为零。 它由圆周分度的自然封闭特性得到。 应用-自测: 不需高一级的标准量就可实现本身的高精度测量。,例.分析用下面两种方法测量方形角尺垂直度误差的测量原理、特点。,(1)用直角尺比较,(2)用自准直仪自测,光轴与水平线的夹角,3最小变形原则 (1)最小变形原则:为使测量结果准确可靠, 在测量过程中应使各种原因

12、引起的变形为最小。 (2)变形原因:接触变形、自重变形、热变形。 (3)减少变形的方法 A接触变形:根据接触体的材料和形状正确选择测量力、接触形式和适当的测量方法。 测力:可依被测件的标准公差、材料来规定其大小。 接触形式:点接触、线接触、面接触。 测量方法:如用相对测量法或两次读数法,以减小或抵消变形的影响。,B自重变形:大小与零件的支承方式和支承点位置有关。,支承点为: 白塞尔点,l=0.2203L-杆的长度变化最小;一般线纹尺测量时采用白塞尔点支承,l= 0.2232L杆的中间和两端变形(下降)量相等,杆的全长弯曲变形最小。测大尺寸的平面度、直线度时采用。,B自重变形:大小与零件的支承方

13、式和支承点位置有关。,B自重变形:大小与零件的支承方式和支承点位置有关。 艾利点,l=0.2113L-杆的两端面平行度变化最小。测大尺寸量块量时采用艾利点。,C热变形:等温、避免局部受热,4最短测量链原则 为了保证一定的测量精度,测量链应最短,这便是测量链最短原则。如:在立式光学计中测量块的变动量.,问题:测量下图工件,、能不能测?需了解:,工件特性(尺寸、精度、批量等);,设备条件如何?,测量环境、效率、成本,、怎样测? 、测量结果如何? 、测量结果应用,二、测量方法的正确选择 (一)测量方法选择的原则 1基本原则:在满足精度的前提下,选择最经济的方法。 2测量方法精度的选择原则 (1) 问

14、题:如何分配加工误差和测量误差两部分。被测工件的公差允许值包括这两部分。误差分配时,如果测量误差占的比重大,则留给工件的加工误差就小,必然要增加加工成本;如果测量误差占的比重小,则留给工件的加工误差就大,必然要用高精度仪器和严格的测量条件,测量的经济性就要差。,(2) 解决: 对于国标规定范围内的光滑工件尺寸的测量检验,应使测量不确定度小于或等于安全裕度A。 对于没有标准规定的工件的测量,测量方法的允许误差一般取工件公差的1/31/10。 例如:,3测量方法选择的经济原则:测量方便和成本低,图 1-9 安全裕度,安全裕度:是被测工件对测量方法提出的精度要求,即测量不确定度的允许值。,验收极限:

15、是从规定的最大实体极限和最小实体极限分别向工件的公差带内移动一个安全裕度(A)来确定。,(二)测量器具的选择测量器具的准确度在很大程度上决定测量方法的准确度。选择测量器具应综合考虑如下三因素,即 1测量器具的不确定度允许值 2工件的特性 3批量大小,1测量器具的不确定度允许值: 是被测对象对所使用的测量器具提出的精度要求。 在国家标准中已明确规定用普通计量器具测量光滑工件的尺寸时,应按计量器具的不确定度允许值选择测量器具(可查表)。 测量器具不确定度包括调整器的不确定度(如千分尺校对杆),约占安全裕度A的0.9,由温度、工件形状误差及接触压陷等引起的不确定度约占0.45A。,2工件的特性:是指

16、工件的外形、大小、重量、材料、刚性和表面粗糙度等;3批量: 批量大-专用计量器具-效率高,经济; 单件或小批量-通用计量器具测量。,(三)其他 1标准件的选择 2测量基面的选择 3定位基面的选择 4. 测量环境的选择,1标准件的选择: 标准件的形状和大小应尽量与被测件一致; 其精度要比被测件高2级左右; 材料的性能稳定,耐磨性好,与工件近似或一致。,陶瓷量块,大八块,2测量基面的选择: 测量时用作被测量值的起始所依据的面、线、点统称为测量基面; 选择测量基面时应遵守基面统一原则:即测量基面应和设计基面、工艺基面、装配基面相一致。 辅助基面的选择:精度较高、稳定性好;与各被测量之间关系密切。,3

17、定位基面的选择 常见两种情况: 一是测量基面直接作为定位基面(如:量块长度的测量) 另一种是测量基面不能作定位基面(如:光滑量规直径的测量) 在选择定位方法时,一般只需约束影响被测量轴线与标准量轴线相对位置的自由度即可。定位基面处于正确位置,并在整个测量过程中保持不变。(如高度尺测工件高度,线纹尺检定) 最典型的四种定位方法: 面定位:平面定位 外圆柱面定位(如V形体定位) 内圆柱面定位(如心轴定位), 线定位:主要为顶尖定位。,说明各被测工件的定位方法,4. 测量环境的选择 测量环境始终影响着测量,测量准确度要求越高,对测量环境的要求也越高。 影响测量的主要环境因素有: 温度、湿度、腐蚀性气

18、体、振动和灰尘等; 其中温度对测量的影响最大。,(1) 温度 标准温度:我国规定以20为标准温度。我们现在所指的测量长度,一般都是在标准温度下的长度。 温度误差:由于测量条件的温度对标准温度有偏差,这样就引起测量误差,也可叫做温度误差。 温度误差的计算:,式中: L 被测长度 ; 2、t2分别为计量器具线膨胀系数和温度1 、t1分别为被测工件线膨胀系数和温度;,待检尺 t=20.5,标准尺 t=20,待检尺 t=20,标准尺 t=21,例1:用相对法测量量块,已知标准量块和被检量块的温度分别为21.8C和20.8C,量块的温度线膨胀系数为 ,测得被检量块相对标准量块的偏差为0.33um,由检定

19、证书知标准量块的长度为100.00025mm,求被检量块在20C时的长度L是多少?(20.5应20.8),例2:在测长机上用绝对法测量一尺寸为L=8000.02mm的工件。设测长机的机身材料为铸铁( )。工件材料为钢( ),上午测量时的温度:工件为22C,测长机为21 C;下午测量时,工件为23C,测长机为20.5 C。求上、下午测量值的差别。(温度误差计算公式符号错),温度误差产生的原因: 被测工件与计量器具的温度各不相同; 被测工件与计量器具的线膨胀系数不同。消除温度误差的途径: 正确选择量具和仪器标准刻线尺的线膨胀系数,应尽可能使1 = 2=,则上式可写成:LC2 = L(t2-t1)

20、定温的方法:既尽可能使t1=t2。所谓定温,是指被测工件和量具或仪器置于同一温度条件下,经过一定时间,使二者温度与周围温度一致。,消除温度误差的途径: 测量条件的温度恒定 计量室不仅应根据要求控制对标准温度的偏差,还要求其温度恒定,允许它有变化,但只允许缓慢的变化,不许突变。 通常是通过计量室中的恒温装置来实现的。温度不恒定,定温也无法实现。 对温度的控制还应注意局部辐射热的影响。,(2) 湿度 如以光的波长作标准进行直接测量,湿度将直接影响测量精度。 如果采用比较测量时,湿度对测量无直接影响。但是湿度超过60% 时,仪器容易生锈,光学镜头会发霉等。 (3) 振动不仅直接影响测量的精度(如破坏

21、光学成象、破坏已调整好的工件和仪器相对位置等),而且还对仪器精度、寿命都有影响。 (4) 灰尘导致仪器磨损,对光学仪器成象的清晰度也有影响;工件上的灰尘,将对测量产生直接的影响。 (5) 腐蚀性气体,三、测量方法选用实例 例题:工件如下图所示。可选仪器,1、依据测量过程四要素设计测量方案 测量对象和被测量;测量单位和标准量;测量方法;测量不确定度 2、考虑测量方法的基本选择原则测量方法的不确定度=?测量仪器的不确定度=? (仪器的极限误差或测量不确定度=0.9倍测量方法的不确定度) 3、其他测量条件的选择:测头:依据最小变形原则选择测头的形状,测力大小定位方式、温度、测量步骤 4、测量结果:测

22、得值(同一位置测三次,测六 个位置,为什么?尺寸的概念)及其评价和应用,三、测量方法选用实例 例题2、设有一厚度为1mm的圆弧样板,如图所示。,设计要求样板弓高11mm,R=12 mm,试拟订R的测量方法。,1、初步选定测量方法 基本测量方法:非接触、间接测量; 测量仪器:万能工具显微镜;,测量数据:h=10.002mm,s=23.660mm,2、测量结果与测量误差的分析和计算 (1) 确定间接测量的函数关系 (2) 写出R与h、s等参数的误差关系式 (3) 分析测量结果的测量误差 (4) 写出测量结果的表达式 (5) 评定: 精度是否满足要求;工件是否合格。,上次课内容:7个尺寸的概念,泰勒

23、原则,公差与配合 测量过程四要素,问题: 1、一般来说:实际轴的作用尺寸大于它的最大实体尺寸;实际孔的作用尺寸小于它的最大实体尺寸。对吗? 2、试举出三个以上基本的测量方法。 3、阿贝原则是几何量测量的基本原则之一 。 4、万工显符合阿贝原则。 5、采用阿贝原则的意义是什么? 作业:见邮件 自学: -,掌握: 新的米定义,长度基准、标准的概念、分类及量传系统,标准尺,待检尺,艾恩斯特阿贝-Ernst Abbe (1840/01/231905/01/14),生于爱森纳赫,逝于耶拿,德国物理学家。父亲是纺纱工人,家境贫困,阿贝靠别人资助才得以上中学和大学,于1861年在耶拿大学获得博士学位。186

24、3年在耶拿大学担任数学、物理学和天文学讲师,1876年任教授。1866年与C.蔡司合作研制光学仪器。这一合作有力地促进了德国光学工业的发展。阿贝后来还做了蔡司工厂的负责人。 以显微镜为中心,阿贝在光学仪器的光具组理论上,做出了两项重要贡献:一是几何光学的“正弦条件”,确定了可见光波段上显微镜分辨本领的极限,为迄今光学设计的基本依据之一;二是波动光学的显微镜二次衍射成像理论阿贝成像原理,把物面视为复合的衍射光栅,在相干光照明下,由物面二次衍射成像。A.B.波特1906年从实验证明了这理论。这理论在近年以激光为实验条件的光学变换理论中成为基础理论之一。 在光学元件和仪器方面,他在1867年制成测焦计,1869年制成阿贝折射计及快速测定玻璃色散的分光仪。1870年后,又制成数值孔径计、高度计和比长仪等,1879年与O.肖托合作,研制成可用于整个可见光区的复消色差镜头。 阿贝对天文学有很大兴趣,在他从事光学仪器的研究和设计中也改进了不少天文观察仪器,如棱镜望远镜和立体测远计等。,钻孔侧壁检测仪,孔壁垂直,

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