新第三章：测量技术基础课件.pptx

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1、第三章第三章 测量技术基础测量技术基础第一节第一节 测量的基本概念测量的基本概念第二节第二节 长度基准和量值的传递长度基准和量值的传递第三节第三节 计量器具与测量方法计量器具与测量方法第四节第四节 测量误差及数据处理测量误差及数据处理 第一节第一节 测量的基本概念测量的基本概念一 测量的定义 二 测量的四要素一一 测量的定义测量的定义 测测量量就就是是为为确确定定被被测测对对象象量量值值而而进进行行的实验过程。的实验过程。L=qEL=qE本本章章所所研研究究的的测测量量是是几几何何量量测测量量，包包括括长长度度、角角度度、表表面面粗粗糙糙度度、形形位位误误差等的测量差等的测量 。二二 测量的四

2、要素测量的四要素1.1.被测对象被测对象2.2.计量单位计量单位 我我国国从从19841984年年起起实实行行法法定定计计量量单单位位，确确定定以以米制米制作为我国的基本计量制度。作为我国的基本计量制度。长度量的基本单位是米长度量的基本单位是米(m)(m)1mm=101mm=10-3-3m m 1m=10 1m=10-3-3mmmm 1nm=10 1nm=10-3-3mm3.3.测量方法测量方法测量时所采用的测量原理、计量器具和测量时所采用的测量原理、计量器具和测量条件的总和测量条件的总和.4.4.测量精度测量精度 指测量结果与被测量真值一致的程度。指测量结果与被测量真值一致的程度。任何测量结

3、果都是以一近似值表示。任何测量结果都是以一近似值表示。不知道测量精度的测量结果是不完整的。不知道测量精度的测量结果是不完整的。对对测测量量的的基基本本要要求求是是：必必须须将将测测量量误误差差控控制制在在允允许许的的限限度度内内，保保证证所所需需的的测测量量效效率率，并并做做到到经济合理。经济合理。第二节第二节 长度基准和量值长度基准和量值的传递的传递一、长度基准及长度单位一、长度基准及长度单位二、长度量值传递系统二、长度量值传递系统三、量块三、量块 1.1.长度基准长度基准指定义、复现、保存长度单位并通过它指定义、复现、保存长度单位并通过它传递给其他计量器具的物体传递给其他计量器具的物体2.

4、2.长度单位长度单位米是光在真空中在米是光在真空中在1/2997924581/299792458秒秒的时间间隔的时间间隔内所经过的距离。内所经过的距离。采用激光波长作为长度基准采用激光波长作为长度基准一、长度基准基准及长度单位二、长度量值传递系统二、长度量值传递系统必必须须建建立立一一套套从从长长度度基基准准到到实实际际测测量量工工作作中中使使用用的的各各种种计计量量器器具具，直直至至被被测测零零件件的的量量值值传递系统传递系统两两种种基基准准实实物物体体：刻刻线线线线纹纹尺尺和和端端面面量量具（量块）具（量块）图3-1 量值传递系统三、量块量块又称块规量块又称块规，是一种高精度的平面平，是一

5、种高精度的平面平行端面量具行端面量具量块通常为矩形截面的长方体量块通常为矩形截面的长方体相研合而组合使用相研合而组合使用经过复杂特殊的热处理后，其表面硬度经过复杂特殊的热处理后，其表面硬度不低于不低于HRC63，且具有耐磨性好，不易，且具有耐磨性好，不易变形，性质稳定等特点变形，性质稳定等特点图图3 3-2 2 长长度度量量值值传传递递系系统统1.1.量块的定义量块的定义 （1 1）量块长度）量块长度 量块一个测量面上的任意点到与其量块一个测量面上的任意点到与其相对的另一测量面相研合的辅助体表面相对的另一测量面相研合的辅助体表面之间的垂直距离之间的垂直距离 （2 2）量块中心长度）量块中心长度

6、 对应于量块未研合测量面中心点的对应于量块未研合测量面中心点的量块长度量块长度（3 3）量块标称长度）量块标称长度 标记在量块上，用以标明其与主单位之间关系标记在量块上，用以标明其与主单位之间关系的量值，也称为量块长度的示值的量值，也称为量块长度的示值（4 4）任意点的量块长度相对于标称长度的偏差）任意点的量块长度相对于标称长度的偏差e,e,指代指代数差数差 （5 5）量块长度变动量）量块长度变动量V V最大长度最大长度lmaxlmax与最小长度与最小长度lminlmin之差之差（6 6）研合性研合性 量量块块的的一一个个测测量量面面与与另另一一量量块块测测量量面面或或与与另另一一经经精精加加

7、工工的的类类似似量量块块测测量量面面的的表表面面，通通过过分分子子力力的的作作用用而相互粘合的性能而相互粘合的性能图图3-3 3-3 量块及其测量面量块及其测量面图图3 34 4 有关量块长度的定义有关量块长度的定义 2.2.量块的精度量块的精度 1 1）按按其其制制造造精精度度分分为为五五级级，即即0 0，1 1，2 2，3 3和和K K级，级，K K级级为校准级。为校准级。量块长度极限偏差量块长度极限偏差t te e 量块长度变动量的允许值量块长度变动量的允许值t tv v 表3-1 各级量块的精度指标（摘自GB/T 60932001）2 2）量量块块按按其其检检定定精精度度分分为为五五等

8、等(老老标标准准为为6 6等），即等），即1 1，2 2，3 3，4 4，5 5等。等。量量块块测测量量的的不不确确定定度度和和量量块块长长度度变变动动量允许值量允许值 表3-2 各等量块的精度指标 （摘自 JJG 1462003）标称长度（mm）1等2等3等4等5等测量的不确定度允许值变动量允许值测量的不确定度允许值变动量允许值测量的不确定度允许值变动量允许值测量的不确定度允许值变动量允许值测量的不确定度允许值变动量允许值mln100.0220.050.060.100.110.160.220.300.60.510ln250.0250.050.070.100.120.160.250.300.6

9、0.525ln500.0300.060.080.100.150.180.300.300.80.5550ln750.0350.060.090.120.180.180.350.350.90.575ln1000.0400.070.100.120.200.200.400.351.00.6100ln1500.050.080.120.140.250.200.500.401.20.65150ln2000.060.090.150.160.300.250.600.401.50.7200ln2500.070.100.180.160.350.250.700.451.80.753.3.量块的使用量块的使用1 1）按）

10、按“级级”使用：使用：包含了量块的实际制造误差包含了量块的实际制造误差。2 2）按按“等等”使使用用：不不包包含含制制造造误误差差，但但包包含含 了量块检定时相对较小的测量误差。了量块检定时相对较小的测量误差。按按“等等”使使用用的的测测量量精精度度比比按按“级级”使使用用的的高。高。4.4.量块的组合量块的组合(由于具有研合性由于具有研合性)成套量块有成套量块有9191块、块、8383块、块、4646块、块、3838块等块等1717种套别种套别 求求用最少的块数来组成所需的尺寸用最少的块数来组成所需的尺寸 “去尾数去尾数”原则原则 表表3-3 3-3 成套量块的组合尺寸（摘自成套量块的组合尺

11、寸（摘自 GB/T 6093GB/T 609320012001）例例3-1试试从从83一一套套的的量量块块中中组组成成所所需需要要的的尺尺寸寸：58.865mm。58865所需量块尺寸所需量块尺寸1005第一块量块尺寸第一块量块尺寸5786136第二块量块尺寸第二块量块尺寸56565第三块量块尺寸第三块量块尺寸50第四块量块尺尺寸第四块量块尺尺寸即：即：58.865=(1.005+1.36+6.5+50)mm第三节第三节计量器具与测量方法计量器具与测量方法一、计量器具的分类一、计量器具的分类 二、计量器具的技术性能指标二、计量器具的技术性能指标 三、测量方法的分类三、测量方法的分类一、计量器具

12、的分类一、计量器具的分类1.量具（1）单值量具（2）多值量具（3）标准量具（4）量规 2.计量仪器（1）机械式量仪（2）光学式量仪（3）电动式量仪（4）气动式量仪（5）光机电综合类量仪 3.计量装置 二、计量器具的技术性能指标二、计量器具的技术性能指标1.1.刻度间距刻度间距c c2.2.分度值分度值i i3.3.示值范围示值范围b b4.4.测量范围测量范围B B5.5.灵敏度灵敏度K K K=c/iK=c/i6.6.示值误差示值误差7.7.示值变动示值变动8.8.不确定度不确定度9.9.修正值修正值 图图3-5机械式比较仪的技术性能指标机械式比较仪的技术性能指标三、测量方法的分类三、测量方

13、法的分类1.按示值方式不同分类（1）绝对测量（2）相对测量（比较测量）2.按测量结果获得方法不同分类（1）直接测量（2）间接测量如用弓高弦长法间接测量圆弧半径R。为了得到R的量值，只要测得弓高h和弦长b的量值，然后按公式计算即可：R=b2/(8h)+h/2图图3 36 6 弓高弦长法测量圆弧半径弓高弦长法测量圆弧半径3.按计量器具的测量元件与被测零件表面之间是否有机械接触分类（1）接触测量（2）非接触测量4.按测量条件在整个测量过程中是否发生变化分类（1）等精度测量（2）不等精度测量5.按零件上同时被测参数的多少及参数的特性分类（1）单项测量（2）综合测量6 6.按在工艺过程中的作用分类（1）

14、主动测量（2）被动测量7.按测量时计量器具的测量元件与被测零件之间是否有相对运动分类（1）静态测量（2）动态测量 第四节第四节测量误差及数据处理测量误差及数据处理一、测量误差及其表示方法一、测量误差及其表示方法二、测量误差的来源及其减小的措施二、测量误差的来源及其减小的措施三、测量误差的分类及处理三、测量误差的分类及处理四、测量精度的分类四、测量精度的分类五、测量误差合成及数据的处理五、测量误差合成及数据的处理一、测量误差及其表示方法一、测量误差及其表示方法1 1、测量误差的含义、测量误差的含义 测测量量误误差差是是指指测测得得值值与与被被测测量量真真值值之间的差异在数值上的表现形式。之间的差

15、异在数值上的表现形式。2、测量误差的表示方法、测量误差的表示方法（1）绝对误差）绝对误差（2）相对误差）相对误差通通常常把把测测量量绝绝对对误误差差的的变变化化范范围围叫叫做做测测量极限误差量极限误差，用用表示表示x0或或二、测量误差的来源及其减小措施二、测量误差的来源及其减小措施 1.1.计量器具误差计量器具误差（1 1）基准件误差）基准件误差 （2 2）原理误差）原理误差 阿贝原则阿贝原则是指在设计计量器具或测量零件时，是指在设计计量器具或测量零件时，应将被测长度与基准长度安置在同一直线上的应将被测长度与基准长度安置在同一直线上的原则。原则。（3 3）测量力引起的误差）测量力引起的误差 （

16、4 4）读数误差）读数误差（5 5）计量器具的制造与安装误差）计量器具的制造与安装误差 2.2.测量方法误差测量方法误差3.3.环境误差环境误差4.4.人员误差人员误差 三、测量误差的分类及处理三、测量误差的分类及处理 （一（一）随机误差）随机误差1.1.随机误差的定义随机误差的定义在在相相同同条条件件下下，多多次次测测量量同同一一量量值值时时，其其误误差差的的大大小小和和符符号号以以不不可可预预见见的的方方式式变变化化的的误误差差 2.2.随机误差的分布及其特性随机误差的分布及其特性例例3-2 3-2 对同一被测量进行等精度的对同一被测量进行等精度的150150次次测量，将测量，将15015

17、0个测得值按个测得值按等间隔分成等间隔分成1111组组，各组的尺寸范围及相应的中值，各组的尺寸范围及相应的中值 出现出现的次数的次数 和频率和频率 列于表列于表3-43-4。显然。显然总测量次数总测量次数根据表根据表3-43-4的数据，以横坐标代表各组的的数据，以横坐标代表各组的中值，纵坐标代表频率，可作出如图中值，纵坐标代表频率，可作出如图3-7a3-7a所示所示频率直方图频率直方图。连接各矩形顶边中心，。连接各矩形顶边中心，得到折线所示的得到折线所示的随机误差实际分布曲线随机误差实际分布曲线。当当 时时，则则得得到到图图3-7b3-7b所所示示的的光光滑滑曲线曲线随机误差的正态分布曲线。随

18、机误差的正态分布曲线。表表3-4 3-4 数据表数据表四个分布特性四个分布特性（1 1）单峰性）单峰性 （2 2）对称性）对称性（3 3）有界性）有界性（4 4）抵偿性）抵偿性3.随机误差的评定指标（1）测量列的算术平均值（2 2）测量列中单次测量的标准偏差）测量列中单次测量的标准偏差 ,而而 即即 越小，越小，越大越大（3）残余误差）残余误差（4 4）测量列算术平均值的标准偏差）测量列算术平均值的标准偏差 一般取一般取（5 5）测量极限误差）测量极限误差 若随机误差落在整个分布范围若随机误差落在整个分布范围 内，则其概率内，则其概率 为：为：若随机误差落在区间若随机误差落在区间内，则其概率内

19、，则其概率为为为计算方便，对上式进行变量置换，令为计算方便，对上式进行变量置换，令则上式化为：则上式化为：令令，则，则 函函数数称称为为拉拉普普拉拉斯斯函函数数，也也称称正正态态概概率率积积分分，称称为为置置信信系系数数。确确定定了了值值，即即可可求求出出。实际使用时，可直接查正态分布积分表。实际使用时，可直接查正态分布积分表。当当时时，在在范范围围内内的的概概率率为为99.73%。单次测量的极限误差：单次测量的极限误差：算术平均值的极限误差：算术平均值的极限误差：表表3-5 3-5 典型值对应的概率典型值对应的概率（二）系统误差（二）系统误差1.系统误差的定义和分类系统误差是指在相同条件下，

20、多次重复测量同一量值时，误差的大小和符号保持不变或按一定规律变化的误差。前者称为定值系统误差，后者称为变值系统误差 理论上讲，系统误差的大小和符号是确定的、可知的，因而也是可以消除的.分为已定系统误差和未定系统误差已定系统误差设法消除或修正,未定系统误差按随机误差处理，因为只能估计出误差的极限范围。2、测量列中系统误差的处理（1）定值系统误差的发现（2）变值系统误差的发现残余误差观察法主要适用于发现大小和符号按一定规律变化的变值系统误差。（3 3）系统误差的消除）系统误差的消除1 1）根除法）根除法 2 2）修正法）修正法 3 3）抵消法）抵消法 4 4）对称测量法）对称测量法 5 5）半周期

21、法）半周期法 （三）粗大误差（三）粗大误差 定义：指超出在一定测量条件下预计定义：指超出在一定测量条件下预计的测量误差，即对测量结果产生明显歪曲的测量误差，即对测量结果产生明显歪曲的测量误差的测量误差 （1 1）拉依达准则拉依达准则（2 2）格拉布斯准则格拉布斯准则 一次只能剔除其中一次只能剔除其中 最大的那个数据最大的那个数据 表表3-6 G3-6 G值值四、测量精度的分类四、测量精度的分类1.1.精密度精密度 2.2.正确度正确度 3.3.准确度（精确度）准确度（精确度）五、测量误差合成及数据的处理五、测量误差合成及数据的处理（一）直接测量数据的处理（一）直接测量数据的处理 1 1、单次测

22、量数据的处理、单次测量数据的处理例3-3 用外径千分尺测量黄铜材料轴的直径。测得的实际直径 mm；车间温度为 ，等温后被测轴与外径千分尺的温差不超过1；外径千分尺零点不准确，有+0.005mm的示值误差；外径千分尺的极限误差 试估算测量误差，并写测量结果（已知 ，）。解 （1）确定各类误差1）单次测量一般都比较谨慎，故可认为没有粗大误差。2）已定系统误差：千分尺的误差，温度引起的误差根据公式（温度引起的误差根据公式（3-43-4）有）有3 3）随机误差：千分尺的极限误差，）随机误差：千分尺的极限误差，由车间温度变化和被测轴与千分尺的温度差所由车间温度变化和被测轴与千分尺的温度差所引起的未定系统

23、误差，根据公式（引起的未定系统误差，根据公式（3-53-5）有：）有：（2 2）各类误差合成）各类误差合成总的已定系统误差：总的已定系统误差：总的极限误差：总的极限误差：（3 3）测量结果为）测量结果为：2 2、多次测量数据的处理、多次测量数据的处理多次测量结果应表示为：多次测量结果应表示为：例例3-43-4 在立式光学比较仪上，用工作尺寸L0=30mm的四等量块作基准，测量基本尺寸为30mm的光滑极限量规。测量时室温为 ，测量前有等温过程。若所用的立式光学比较仪有+0.3m的零位误差，所用量块中心长度的实际偏差为-0.2m，检定四等量块的测量不确定度为 m，重复10次测量的读数（即量规相对于

24、量块的偏差）见表3-7第2列所示，试计算测量结果。表表3-7 3-7 数据处理计算表数据处理计算表 序号 m m m2mm21+4.5+0.50.25+0.140.022+4.3+0.30.090.060.0043+4.4+0.40.16+0.040.0024+4.4+0.40.16+0.040.0025+4.2+0.20.040.160.0266+4.4+0.40.16+0.040.0027+4.3+0.30.090.060.0048+0.8-3.210.249+4.2+0.20.040.160.02610+4.5+0.50.25+0.140.02解：（1）计量测量列的算术平均值：（2）计算

25、残余误差：其计算结果列入表中第3列。（3）检查有无显著变值系统误差：根据残差观察法，这些残差没有明显的变化规律，因而可以认为测量列中不存在变值系统误差。（4）计算标准偏差：（5）根据格拉布斯准则判断有无粗大误差：取置信概率 ,查表3-6，得 ,故 ，由表中数据可知，所以 应予剔除。（6）重新计算算术平均值、残差和标准偏差：各残余误差值列入表3-7中第5行 （7 7）再次判断有无粗大误差：查表3-6得，由表中数据可知，故已无粗大误差。8）计算已定系统误差立式光学比较仪的零位误差量块中心长度的实际偏差 由于被测零件与量块材料的线膨胀系数接近，且测量时的温度与标准温度相差较小，测量前又经过等温处理，

26、所以温度所引起的误差可忽略不计。因此 （9 9）计算测量的极限误差四等量块的测量不确定度测量列算术平均值的极限误差所以（10）计算测量结果1）被测量规的尺寸为：2）最终测量结果可表示为：(二二)间接测量数据的处理间接测量数据的处理1、已定系统误差的处理、已定系统误差的处理为各测量值为各测量值的的误差传递系数误差传递系数2、随机误差的处理、随机误差的处理为各直接测量值的极限误差为各直接测量值的极限误差为函数（被测量）的测量极限误差为函数（被测量）的测量极限误差例例3-5如如图图3-9所所示示，用用弓弓高高弦弦长长法法测测量量圆圆弧弧半半径径R。测测得得弓弓高高，弦弦长长，它它们们的系统误差和测量

27、极限误差分别为的系统误差和测量极限误差分别为试求圆弧半径试求圆弧半径R的测量结果。的测量结果。解：解：（1）列出函数关系式）列出函数关系式（2）计算圆弧半径）计算圆弧半径R（3）计算误差传递系数）计算误差传递系数（4）计算圆弧半径）计算圆弧半径R的系统误差的系统误差（5 5）计算圆弧半径）计算圆弧半径R R的测量极限误差的测量极限误差（6 6）测量结果为：）测量结果为：例例3-6用用分分度度值值为为0.02mm的的游游标标卡卡尺尺测测量量图图3-13所所示示两轴的中心距两轴的中心距L，已知测量各量的极限误差分别为：，已知测量各量的极限误差分别为：试确定测量方案并比较它们的测量精度。试确定测量方案并比较它们的测量精度。2 2、三种方案的测量精度比较、三种方案的测量精度比较解：解：1、确定测量方案、确定测量方案方案方案1：方案方案2：方案方案3：方案方案1 1：方案方案3 3：方案方案3 3的测量精度最高，方案的测量精度最高，方案2 2次之，方案次之，方案1 1最低最低。方案方案2：