1、第3章 测量技术基础第第 3 3 章章 测量技术基础测量技术基础3.1 概述概述3.2 基准与量值基准与量值传递传递3.3 计量器具和计量器具和测量方法测量方法3.4 测量误差和测量误差和数据处理数据处理习题习题与思考题与思考题第3章 测量技术基础本章导读本章导读了解测量的基本概念及其四要素；了解尺寸传递的概念；学习尺寸传递中的重要介质量块的基本知识；掌握计量器具的分类及常用的度量指标；掌握测量方法的分类及特点；掌握测量误差的概念。第3章 测量技术基础3.1 概概 述述第3章 测量技术基础式(31)表明，在被测量值一定的情况下，比值的大小完全取决于所采用的计量单位，且成反比关系。同时，计量单位
2、的选择取决于被测量值所要求的精确程度，因此，经比较而确定的被测量值为 L=qE。由此可知，任何一个测量过程，必须有被测的对象和所采用的计量单位，还有测量的方法和测量的精确度。因此，测量过程包括测量对象、计量单位、测量方法及测量精确度四个因素。测量方法是指测量时所采用的方法、计量器具和测量条件的综合。测量精确度是指测量结果与标准值的一致程度。测量结果与标准值之间总是存在着差异，因此，任何测量过程不可避免地会出现测量误差。测量误差小，测量精确度就高；相反，测量误差大，测量精确度就低。第3章 测量技术基础测量过程可分为等精度测量和不等精度测量。前者是指在所用的测量方法、计量器具、测量条件和测量人员都
3、不变的条件下对某一量进行多次重复测量。如果在多次重复的测量过程中上述条件都不恒定，则称为不等精度测量。用这两种不同测量过程测量同一被测几何量，产生的测量误差和数据处理方法都不同。第3章 测量技术基础3.2 基准与量值传递基准与量值传递为了保证工业生产中长度测量的精度，首先要建立国际统一、稳定可靠的长度基准。长度基准米的定义为平面电磁波在真空中(1/299792458)s 时间内所经过的距离。目前，在实际工作中使用线纹尺和量块作为两种长度量值传递实体基准，并用光波波长传递到基准线纹尺和 1 等量块，然后，再由它们逐次传递到工件，以保证量值准确一致(见图 31)。第3章 测量技术基础图 3 1 长
4、度基准的量值传递系统第3章 测量技术基础量块是没有刻度的平面平行端面量具，用特殊合金钢制成，其线膨胀系数小，不易变形，且耐磨性好。量块的形状有长方体和圆柱体两种，常用的是长方体(见图 32)。量块上有两个平行的测量面和四个非测量面，测量面极为光滑平整。量块长度是指量块测量面上任意一点到与下测量面相研合辅助体(如平晶)表面间的垂直距离，量块的中心长度是指量块测量面上中心点的量块长度，如图 32 所示。量块上标出的尺寸为名义上的中心长度，称名义尺寸。第3章 测量技术基础按 GB/T6093 2001 的规定，量块按制造精度分为 6 级，即 00、0、1、2、3 和 K 级，00 级精度最高，3 级
5、精度最低，K 级是校准级。分级的主要依据是量块长度极限偏差、量块长度变动量允许值、测量面的平面度、量块的研合性及测量面的表面粗糙度等指标。量块按检定精度分为五等，即 1 等、2 等、3 等、4 等、5 等，其中，1 等量块精度最高，5 等精度最低。分等的主要依据是量块中心长度测量不确定度和量块长度变动量的允许值。第3章 测量技术基础图 3 2 量块第3章 测量技术基础量块的测量面极为光滑平整，具有可研合的特性。利用这一特性，可以在一定的尺寸范围内，将不同尺寸的量块组合成所需要的各种尺寸。量块是成套生产的，根据 GB/T6093 2001 规定，我国成套生产的量块共有 17 套。其每套数目分别为
6、 91、83、46、38、10、8、6、5 等，见表 31。第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础组合量块时，为减少量块的组合误差，应尽力减少量块的数目，一般不超过四块。选用量块时，应从消去所需尺寸最小尾数开始，逐一选取。例如，从 83 块一套的量块中选取36.375mm 的量块组的过程如下：即：36.375=1.005+1.37+4+30。第3章 测量技术基础3.3 计量器具和测量方法计量器具和测量方法3.3.1 计量器具和测量方法的分类计量器具和测量方法的分类1.计量器具分类计量器具分类计量器具可以按计量学的观点进行分类，也可以按器具本身的结构、用途和特点进行分类。按
7、用途、特点，可分为标准量具、极限量规、检验夹具以及计量仪器等四类：(1)标准量具。标准量具只有某一个固定尺寸，通常是用来校对和调整其他计量器具或作为标准用来与被测工件进行比较，如量块、直角尺、各种曲线样板及标准量规等。第3章 测量技术基础(2)极限量规。极限量规是一种没有刻度的专用检验工具，用这种工具不能得出被检验工件的具体尺寸，但能确定被检验工件是否合格。(3)检验夹具。检验夹具也是一种专用的检验工具，当配合各种比较仪时，能用来检查更多和更复杂的参数。(4)计量仪器。计量仪器能将被测的量值转换成可直接观察的指示值或等效信息的计量器具。第3章 测量技术基础此处主要介绍计量仪器。根据构造上的特点
8、，计量仪器可分为以下几种：游标类量具(游标卡尺、游标高度尺及游标量角器等)，如图 33 所示；螺旋测微量具(外径千分尺、内径千分尺等)；机械类量具(百分表、干分表、杠杆比较仪、扭簧比较仪等)；光学机械类量具(光学计、测分仪、投影仪、干涉仪等)；气动类量具(压力式、流量计式等)；电动类量具(电接触式、电感式、电容式等)。第3章 测量技术基础图 33 游标类量具第3章 测量技术基础1)游标类量具(1)游标类量具的读数原理。游标读数(或称为游标细分)是利用主尺刻线间距与游标刻线间距之差实现的。在图34(a)中，主尺刻度间隔 a=1，游标刻度间隔 b=0.9，则主尺刻度间隔与游标刻度间隔之差为游标读数
9、值 i=a-b=0.1。读数时，首先根据游标零线所处位置读出主尺刻度的整数部分；其次判断游标的第几条刻线与主尺刻线对准，此游标刻线的序号乘上游标读数值，则可得到小数部分的读数，将整数部分和小数部分相加，即为测量结果。在图 34(b)中，游标零线处在主尺 11 与 12 之间，而游标的第 3 条刻线与主尺刻线对准，所以游标卡尺的读数值为 11.3。第3章 测量技术基础图 34 游标的读数原理第3章 测量技术基础(2)游标类量具的正确使用。游标类量具虽然具有结构简单、使用方便等特点，但读数机构不能对毫米刻线进行放大，读数精度不高，因此，只适用于生产现场中，对一些中、低等精度的长度尺寸进行测量。游标
10、卡尺适用于测量各种精度较低的尺寸；深度游标卡尺适用于测量槽和盲孔深度及台阶高度；高度游标卡尺除可测量零件高度外，还可用于零件的精密划线。第3章 测量技术基础使用游标类量具时应注意以下几点：使用前应将测量面擦拭干净，两测量爪间不能存在显著的间隙，并校对零位。移动游框时，力量要适度，测量力不易过大。注意防止温度对测量精度的影响，特别要防止测量器具与零件不等温产生的测量误差。读数前一定将锁紧机构锁紧。读数时，其视线要与标尺刻线方向一致，以免造成视差。游标卡尺的示值误差随游标读数值和测量范围而变。例如，游标读数值为 0.02、测量范围为 0300 的游标卡尺，其示值误差不大于 0.02。第3章 测量技
11、术基础2)螺旋测微类量具应用螺旋微动原理制成的量具叫螺旋测微类量具。常用的螺旋测微类量具有外径千分尺、内径千分尺、深度千分尺等，如图 35 所示。外径千分尺主要用于测量中等精度的圆柱、长度尺寸，内径千分尺主要用于测量中等精度的孔、槽尺寸，深度千分尺则适于测量盲孔深度、台阶高度等。第3章 测量技术基础图 35 螺旋测微类量具第3章 测量技术基础螺旋测微类量具的结构如图 35 所示。螺旋测微类量具的结构主要有以下特点：结构设计合理。以精度很高的测微螺杆的螺距作为测量的标准量，测微螺杆和调节螺母配合精密且间隙可调。固定套筒和微分筒作为示数装置，用刻度线进行读数。有保证测力恒定的棘轮棘爪机构。外径千分
12、尺的示值范围和测量范围见表 32。第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础(1)螺旋测微类量具的读数原理。螺旋测微类量具主要应用螺旋副传动，将微分筒的转动变为测微螺杆的移动。一般测微螺杆的螺距为 0.5，微分筒与测微螺杆连成一体，上刻有 50 条等分刻线。当微分筒旋转一圈时，测微螺杆轴向移动 0.5；而当微分筒转过一格时，测微螺杆轴向移动 0.5/50=0.01。千分尺的读数方法首先应从固定套筒上读数(固定套筒上刻线的刻度间隔为 0.5)，读出 0.5 的整数倍，然后在微分筒上读出其余小数。如图 36 所示，最后一位数字是估读得出的。第3章 测量技术基础图 36 千分尺的度数第3章 测量技术基
13、础(2)螺旋测微类量具的正确使用。螺旋测微类量具具有较高放大倍数的读数机构，具有测力恒定装置且制造精度较高等优点，所以测量精度要比相应的游标类量具高，在生产现场应用非常广泛。外径千分尺由于受测微螺杆加工长度的限制，示值范围一般只有 25mm，因此，其测量范围分为 025、2550、5075、75100 等，用于不同尺寸的测量。内径千分尺因需把其放入被测孔内进行测量，故一般只用于大孔径的测量。第3章 测量技术基础螺旋测微类量具使用时要注意以下几点：使用前必须校对零位。手应握在隔热垫处，测量器具与被测件必须等温，以减少温度对测量精度的影响。当测量面与被测表面将要接触时，必须使用测力装置。读数前一定
14、要将锁紧机构锁紧。测量读数时要特别注意固定套筒上的 0.5 刻度。第3章 测量技术基础3)机械类量具(1)百分表和千分表。百分表和千分表用于测量各种零件的线值尺寸、几何形状及位置误差，也可用于找正工件位置，还可与其他仪器配套使用。常用百分表的传动系统是由齿轮、齿条等组成的，如图 37 所示。测量时，带有齿条的测量杆上升会带动小齿轮 Z 1 转动，与 Z 1 同轴的大齿轮 Z 2 也跟着转动，而 Z 2 要带动小齿轮 Z 3 及其轴上的大指针偏转。游丝的作用是迫使所有齿轮作单向啮合，以消除由于齿侧间隙而引起的测量误差。弹簧是用来控制测量力的。第3章 测量技术基础图 37 百分表的结构及工作原理第
15、3章 测量技术基础隙而引起的测量误差。弹簧是用来控制测量力的。杠杆百分表的结构及工作原理如图 38 所示。测头的左右移动引起测杆 1 和与之相连的扇形齿轮 2 绕支点 o 摆动，从而带动齿轮 3 和与之相连的端面齿轮 5 的转动，使与其啮合的小齿轮 4 和指针 7 一起转动，从而读出表盘 6 上的示值数，8 为复位弹簧。第3章 测量技术基础图 38 杠杆百分表的结构及工作原理第3章 测量技术基础百分表的表盘上刻有 100 等分，分度值为 0.01。当测量杆移动 1 时，大指针转动一圈，小指针转过一格。百分表的测量范围一般为 03、05 及 010，大行程百分表的行程可达 50。精度等级分为 0
16、、1、2 级。02 级的百分表在整个测量范围的示值误差为 0.010.03，任意 1mm 内的示值误差为 0.0060.018。常用千分表的分度值为 0.001，测量范围为 01。千分表在整个测量范围内的示值误差小于等于 0.005，它适用于高精度测量。第3章 测量技术基础由于机械类量具具有体积小、重量轻、结构简单、造价低廉等特点，且又无须附加电源、光源、气源等，还可连续不断地感应尺寸的变化，也比较坚固耐用，因此应用十分广泛。除可单独使用外，还能安装在其他仪器或检测装置中作测微表头使用。因其示值范围较小，故常用于相对测量以及某些尺寸变化较小的场合。第3章 测量技术基础使用机械类量具时应注意以下
17、几点：测头移动要轻缓，距离不要太大，更不能超量程使用。测量杆与被测表面的相对位置要正确，防止产生较大的测量误差。表体不得猛烈震动，被测表面不能太粗糙，以免齿轮等运动部件受损。第3章 测量技术基础(2)内径百分表。内径百分表是用相对测量法测量内孔的一种常用量仪。如图 39 所示，杠杆式内径百分表是由百分表和一套杠杆组成的。当活动量杆被工件压缩时，通过等臂杠杆、推杆使百分表指针偏转，指示出活动量杆的位移量。定位护桥起找正直径位置的作用。第3章 测量技术基础图 39 内径百分表第3章 测量技术基础测量前，内径百分表应根据被测孔的公称尺寸，在千分尺或标准环规上调好零位。测量时，必须将量具摆动，读取最小
18、值。内径百分表的分度值为 0.01，其测量范围一般为 610、1018、1835、3550、50100、100160、160250、250450 等。涨簧式内径百分表测量的最小孔径可达到 3左右。活动量杆的移动量很小，它的测量范围是靠更换固定量杆来扩大的。当内径百分表的测量范围为 1835 时，其示值误差不大于 0.015。第3章 测量技术基础2.测量方法测量方法测量方法的分类测量方法可以按各种不同的形式进行分类。如直接测量与间接测量，综合测量与单项测量，接触测量与非接触测量，被动测量与主动测量，静态测量与动态测量等。(1)直接测量。无需对被测量与其他实测量进行一定函数关系的辅助计算而直接得到
19、被测量值的测量。第3章 测量技术基础(2)间接测量。通过直接测量与被测参数有已知关系的其他量而得到该被测参数量值的测量。例如，在测量大的圆柱形零件的直径 D 时，可以先量出其圆周长 L，然后通过 D=L/公式计算零件的直径 D。间接测量的精确度取决于有关参数的测量精确度，并与所依据的计算公式有关。(3)绝对测量。由仪器刻度尺上读出被测参数的整个量值的测量方法称为绝对测量，例如用游标标尺、千分尺测量零件的直径。第3章 测量技术基础(4)相对测量。由仪器刻度尺指示的值只是被测量参数对标准参数的偏差的测量方法。由于标准值是已知的。因此，被测参数的整个量值等于仪器所指偏差与标准量的代数和。例如用量块调
20、整标准比较仪测量直径。(5)综合测量。同时测量工件上的几个有关参数，从而综合地判断工件是否合格。其目的在于限制被测工件在规定的极限轮廓内，以保证互换性的要求。例如，用极限量规检验工件、花键塞规检验花键孔等。第3章 测量技术基础(6)单项测量。单个地彼此没有联系地测量工件的单项参数。例如，测量圆柱体零件某一剖面的直径，或分别测量螺纹的螺距或半角等。分析加工过程中造成次品的原因时，多采用单项测量。(7)接触测量。仪器的测量头与工件的被测表面直接接触，并有机械作用的测力存在。接触测量对零件表面油污、切削液、灰尘等不敏感，但由于有测力存在，会引起零件表面、测量头以及计量仪器传动系统的弹性变形。(8)不
21、接触测量。仪器的测量头与工件的被测表面之间没有机械的测力存在(例如，光学投影测量，气动测量)。第3章 测量技术基础(9)被动测量。零件加工进行的测量。此时，测量结果仅限于发现并剔出废品。(10)主动测量。零件在加工过程中进行的测量。此时，测量结果直接用来控制零件的加工过程，决定是否继续加工或需调整机床或采取其他措施。因此，它能及时防止与消灭废品。由于主动测量具有一系列优点，因此，是技术测量的主要发展方向。主动测量的推广应用将使技术测量和加工工艺最紧密地结合起来，从根本上改变技术测量的被动局面。第3章 测量技术基础(11)静态测量。测量时，被测表面与测量头是相对静止的。例如，用千分尺测量零件直径
22、。(12)动态测量。测量时，被测表面与测量头之间有相对运动，它能反映被测参数的变化过程。例如，用激光比长仪测量精密线纹尺、用激光丝杆动态检查仪测量丝杆等。动态测量也是技术测量的发展方向之一，它能较大地提高测量效率和保证测量精度。第3章 测量技术基础3.3.2 计量器具与测量方法的常用术语计量器具与测量方法的常用术语(1)标尺间距：指沿着标尺长度的线段测量得出的任何两个相邻标尺标记之间的距离。标尺间距以长度单位表示，它与被测量的单位或标在标尺上的单位无关。(2)标尺分度值：指两个相邻标尺标记所对应的标尺值之差。标尺分度值又称为标尺间隔，一般可简称分度值，它以标在标尺上的单位表示，与被测量的单位无
23、关。国内有的把分度值称为格值。第3章 测量技术基础(3)标尺范围：指在给定的标尺上，两端标尺标记之间标尺值的范围。标在标尺上的单位表示，它与被测量的单位无关。(4)量程：指标尺范围上限值与下限值之差。(5)测量范围：指在允许误差限内计量器具所能测出的被测量值的范围。测量范围的最高、最低值称为测量范围的“上限值”、“下限值”。(6)灵敏度：指计量仪器的响应变化除以相应的激励变化。当激励和响应为同一类量的情况下，灵敏度也可称为“放大比”或“放大倍数”。第3章 测量技术基础(7)稳定度：指在规定工作条件下，计量仪器保持其计量特性恒定不变的程度。(8)鉴别力阈：指使计量仪器的响应产生一个可觉察变化的最
24、小激励变化值。鉴别力阈也可称为灵敏阈或灵敏限。鉴别力阈可能与噪声、摩擦、阻尼、惯性、量子化有关。(9)分辨力：指计量器具指示装置可以有效辨别所指示的紧密相邻量值的能力的定量表示。一般认为模拟式指示装置其分辨力为标尺间隔的一半，数字式指示装置其分辨力为最后一位数的一个字。第3章 测量技术基础(10)可靠性：指计量器具在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。(11)测量力：指在接触测量过程中，测头与被测物体表面之间接触的压力。(12)量具的标称值：指在量具上标注的量值。(13)计量器具的示值：指由计量器具所指示的量值。(14)量值的示值误差：指量具的标称值和真值(或约定值)之间的差值。第3章
25、测量技术基础(15)计量仪器的示值误差：指计量仪器的示值与被测量的真值(或约定真值)之间的差值。(16)仪器不确定度：指在规定条件下，由于测量误差的存在，被测量值不能肯定的程度。一般用误差限来表征被测量所处的量值范围。仪器不确定度亦是仪器的重要精度指标。仪器的示值误差与仪器不确定度都是表征在规定条件下测量结果不能肯定的程度。(17)允许误差：技术规范、规程等对给定计量器具所允许的误差极限值。第3章 测量技术基础3.4 测量误差和数据处理测量误差和数据处理3.4.1 测量误差的基本概念测量误差的基本概念由于计量器具与测量条件的限制或其他因素的影响，任何测量过程总是不可避免地存在测量误差，因此，每
26、一个测得值，往往只是在一定程度上近似于真值，这种近似程度在数值上则表现为测量误差。测量误差是指测量结果和被测量的真值之差，即=l L(32)第3章 测量技术基础式中:为测量误差；L 为被测量的真值；l 为测量结果。式(32)表达的测量误差也称为绝对误差，可用来评定大小相同的被测几何量的测量精确度。由于 l 可大于或小于 L，因此，可能是正值，也可能是负值。这说明，测量误差绝对值的大小决定了测量的精确度。误差的绝对值越大，精确度越低，反之则越高。因此，要提高测量的精确度，只有从各个方面寻找有效措施来减少测量误差。第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础例如:有两个被测量的实际测得值 x 1=10
27、0，x 2=10，1=2=0.01，则两次测量的相对误差为由此可知，两个大小不同的被测量，虽然绝对误差相同，但其相对误差是不同的，由于 f 1 f 2，因此前者的测量精度高于后者。第3章 测量技术基础3.4.2 测量误差的来源测量误差的来源产生测量误差的原因很多，主要有以下几种:1.计量器具误差计量器具误差计量器具误差是指与计量器具本身的设计、制造和使用过程有关的各项误差。这些误差的总和表现在计量器具的示值误差和重复精度上。设计计量器具时，因结构不符合理论要求会产生误差。例如，用均匀刻度的刻度尺近似地代替理论上要求非均匀刻度的刻度尺所产生的误差。第3章 测量技术基础制造和装配计量器具时也会产生
28、误差。例如，刻度尺的刻线不准确、分度盘安装偏心、计量器具调整不善所产生的误差。使用计量器具的过程中也会产生误差。例如，计量器具中零件的变形、滑动表面的磨损、接触测量的机械测量力所产生的误差。第3章 测量技术基础 2.标准器误差标准器误差标准器误差是指作为标准量的标准器本身存在的误差。例如，量块的制造误差、线纹尺的刻线误差等。标准器误差直接影响测得值。为了保证测量精确度，标准器应具有足够高的精度。第3章 测量技术基础 3.方法误差方法误差方法误差是指测量方法不完善(包括计算公式不精确、测量方法不当、工件安装不合理)所产生的误差。例如，对同一个被测几何量分别用直接测量法和间接测量法测量会产生不同的
29、方法误差。再如，先测出圆的直径 d，然后按 s=d 计算圆周长 s，由于 取近似值，所以，计算结果中会带有方法误差。第3章 测量技术基础4.环境误差环境误差环境误差是指测量时的环境条件不符合标准条件所引起的误差。例如，温度、湿度、气压、照明等不符合标准以及计量器具上有灰尘、振动等引起的误差。因此，高精度测量应在恒温、恒湿、无尘的条件下进行。第3章 测量技术基础5.人为误差人为误差人为误差是指测量人员的主观因素(如技术熟练程度、分辨能力、思想情绪等)引起的误差，例如，计量器具调整不正确、量值估读错误等引起的误差。总之，产生测量误差的因素很多，测量时应找出这些因素，并采取相应的措施，才能保证测量的
30、精度。第3章 测量技术基础3.4.3 测量误差的分类和特性测量误差的分类和特性根据误差出现的规律，可以将误差分成系统误差、随机误差和粗大误差三种基本类型。1.系统误差系统误差系统误差是指在同一条件下多次测量同一几何量时，误差的大小和符号均不变，或按一定规律变化的测量误差。前者称为定值系统误差，例如，量块检定后的实际偏差。后者称为变值系统误差，例如，分度盘偏心所引起的按正弦规律周期变化的测量误差。第3章 测量技术基础从理论上讲:系统误差具有规律性，较容易发现和消除。但实际上，有些系统误差变化规律很复杂，因而不易发现和消除。1)系统误差的种类和特性系统误差的种类和特性(1)定值系统误差：误差的绝对
31、值和符号均保持不变。如比较仪中的量块，若按标称尺寸使用其包含的制造误差就会复映在每次测得值中，对各次测得值影响相同；再如千分尺的零位不正确引起的测量误差。第3章 测量技术基础(2)变值系统误差：误差的绝对值和符号按一定规律变化，如图 310 所示。如百分表的刻度盘与指针回转轴偏心所引起按正弦规律作周期变化的示值误差。变值系统误差又分线性变化和周期变化系统误差。第3章 测量技术基础图 310 残余误差的变化规律第3章 测量技术基础2)系统误差的处理系统误差可用计算或实验对比的方法确定，用修正值从结果中予以消除。3)系统误差的确定(1)实验对比法:通过改变测量条件来发现误差，用来发现定值系统误差。
32、如在千分尺比较仪上对一被测量使用量块(按“级”)进行多次测量后，可使用级别更高的量块再次测量，通过对比判断是否存在定值系统误差。第3章 测量技术基础(2)残差观察法:根据测量值的残余误差，列表或作图进行观察，用来发现变值系统误差。若残差大体正负相同，又没有显著变化，则不存在变值系统误差；若各残差有规律地递增或递减，则存在线性变化系统误差。若残差有规律地逐渐由负变正或由正变负，则存在周期变化系统误差。第3章 测量技术基础4)系统误差的处理(1)修正法:通过校准确定系统误差，则修正值大小与误差的绝对值相等，符号相反。将修正值加上测量值，得到不含系统误差的测得值。如游标卡尺经校准发现其误差为+0.2
33、mm，则其测得值应为测量值减修正值。(2)抵偿法:通过取两次测量的平均值，以抵消因安装不正确所引起的系统误差。如测量零件上螺纹的螺距时，可采取分别测量左、右牙面螺距，再取其算术平均值。第3章 测量技术基础(3)分离法：常用在形状误差测量中。如用圆柱角尺检验直角尺的垂直度误差时，为消除圆柱角尺本身的垂直度误差的影响，用圆柱角尺直径上的两侧素线为基准，对直角尺进行检验，并取两次读数的平均值作为测量结果。第3章 测量技术基础2.随机误差随机误差指在相同条件下，多次测量同一量值时绝对值和符号以不可预定的方式变化的误差。所谓随机，是指它在单次测量中，误差出现是无规律可循的。但若进行多次重复测量时，误差服
34、从统计规律，因此，常用概率论和统计原理对它进行处理。随机误差主要是由诸如环境变化、仪器中油膜的变化以及对线、读数不一致等随机因素引起的误差。第3章 测量技术基础1)随机误差的分布及其特性进行以下实验：对一个工件的某一部位用同一方法进行 150 次重复测量，测得 150 个不同的读数(这一系列的测得值，常称为测量列)，然后，将测得的尺寸进行分组，从 7.1317.141mm，每隔 0.001mm 为一组，共分 11 组，其每组的尺寸范围如表 33 中第 1 列所示。每组出现的次数 ni 列于该表第 3 列。若零件总的测量次数用 N 表示，则可算出各组的相对出现次数 n i/N，列于该表第 4 列
35、。影响。第3章 测量技术基础将这些数据画成图表，横坐标表示测得值 x i，纵坐标表示相对出现的次数 n i/N，则得频率直方图见图 311(a)。连接每个小方图的上部中点，得一折线，称实际分布曲线。由作图步骤可知，从图形的高矮将受分组间隔 x 的第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础当间隔 x 大时，图形变高；而 x小时，图形变矮。为了使图形不受 x的影响，可用纵坐标 n i /(N x)代替纵坐标 n i /N，此时，图形高矮不再受 x取值的影响，即为概率中所知的概率密度。如果将上述试验的测量次数 N 无限增大，而间隔 x取得很小，且用误差 来代替尺寸 x，则得图 311(b)所示的光滑曲
36、线，即随机误差的正态分布曲线。可见，此种随机误差有如下四个特点:第3章 测量技术基础(1)绝对值相等的正误差和负误差出现的次数大致相等，即对称性；(2)绝对值小的误差比绝对值大的误差的出现次数多，即单峰性；(3)在一定条件下，误差的绝对值不会超过一定的限度，即有界性；(4)对同一量在同一条件下重复测量，其随机误差的算术平均值，随测量次数的增加而趋近于零，即抵偿性。第3章 测量技术基础图 311 频率直方图和正态分布曲线第3章 测量技术基础2)随机误差的评定根据概率论的原理，正态分布曲线可用其分布密度进行描述，即式中:y 随机误差的概率分布密度；x 随机变量；x 0 数学期望(作为真值)；随机误
37、差；标准偏差；e 自然对数的底(e=2.71828)。第3章 测量技术基础在同一条件下，对同一个量进行多次(n)重复测量，由于测量误差的影响，将得到一系列不同的测得值，设测量列为 x 1、x 2、，x n，则算术平均值为根据误差理论，正态分布曲线中心位置的平均值 x 代表被测量的真值 x 0。残余误差指测量列中一个测得值与算术平均值的代数差，即:i=x i-x。第3章 测量技术基础由于随机误差是未知量，实际测量时常用残余误差代表随机误差。标准偏差 是各随机误差平方和的算术平均值的平方根，表征随机误差集中与分散的程度。用于单次测量(一组)，即第3章 测量技术基础在 =0 时，正态分布的概率密度最
38、大。由上式，愈小，y max 值愈大。三种不同标准偏差的正态分布曲线，即 1 2 3，如图 312 所示。第3章 测量技术基础图 312 标准偏差对随机误差分布特性的影响第3章 测量技术基础结论：标准偏差 的大小，可说明测量结果的分散性(精密度)。理论上，随机误差的分布范围应在正、负无穷大之间，但在生产中是不切合实际的，因而实际估算随机误差的分布范围只能是在某一区间内。极限误差:我国规定将 3 作为单次测量的极限值。若用单次测量任意值表示测量结果，则可写为x 0=x i 3 若用多次测量的算术平均值表示测量结果，则可写为x 0=3 x第3章 测量技术基础3.粗大误差粗大误差明显超出规定条件下预
39、计的误差为粗大误差。1)粗大误差的特性粗大误差数值比较大，对测量结果产生明显的歪曲，应从测量结果中予以剔除。引起粗大误差的原因：读数误差、使用有缺陷的计量器具、计量器具使用不正确、环境干扰等。第3章 测量技术基础2)粗大误差的处理常用拉依达准则(3 )来判断，然后剔除粗大误差。从随机误差的特性中可知，测量误差越大，出现的概率越小，误差的绝对值超过 3 的概率仅为 0.27%(约 370 次测量出现一次)，故认为是不可能出现的。第3章 测量技术基础3.4.4 测量精度测量精度测量精度是指几何量的测得值与其真值的接近程度。它与测量误差是相对应的两个概念。测量误差越大，测量精度就越低；反之，测量误差
40、越小，测量精度就越高。为了反映系统误差与随机误差的区别及其对测量结果的影响，以打靶为例进行说明。如图 313 所示，圆心表示靶心，黑点表示弹孔。第3章 测量技术基础图 313(a)表现为弹孔密集但偏离靶心，说明随机误差小而系统误差大；图 313(b)表现为弹孔较为分散，但基本围绕靶心分布，说明随机误差大而系统误差小；图 313(c)表现为弹孔密集而且围绕靶心分布，说明随机误差和系统误差都很小；图 313(d)表现为弹孔既分散又偏离靶心，说明随机误差和系统误差都大。第3章 测量技术基础图 313 测量精度分布示意图第3章 测量技术基础 1.精密度精密度精密度是指在同一条件下对同一几何量进行多次测
41、量时，该几何量各次测量结果的一致程度。它表示测量结果受随机误差的影响程度。若随机误差小，则精密度高。2.正确度正确度正确度是指在同一条件下对同一几何量进行多次测量时，该几何量测量结果与其真值的符合程度。它表示测量结果受系统误差的影响程度。若系统误差小，则正确度高。第3章 测量技术基础 3.精确度精确度(或称准确度或称准确度)精确度表示对同一几何量进行连续多次测量时，所得到的测得值与其真值的一致程度。它表示测量结果受系统误差和随机误差的综合影响程度。若系统误差和随机误差都小，则精确度高。通常所说的测量精度指精确度。按照上述分类可知，图 313(a)精密度高而正确度低;图 313(b)精密度低而正
42、确度高;图 313(c)精密度和正确度都高，因而精确度也高;图 313(d)精密度和正确度都低，因而精确度也低。第3章 测量技术基础上面主要介绍了几何量测量的定义及其四要素的一般问题，并对几何量以外的三个要素进行了较为详细的讨论，特别是给出了误差分析的一般方法和测量数据处理的一般步骤。第3章 测量技术基础习题与思考题习题与思考题3.1 测量的实质是什么?一个测量过程包括哪些要素?我国长度测量的基本单位及其定义是什么?3.2 量块的作用是什么?其在结构上有何特点?量块的“等”和“级”有何区别?并说明按“等”和“级”使用时，各自的测量精度如何。3.3 以光学比较仪为例说明计量器具有哪些基本计量参数
43、(指标)。第3章 测量技术基础3.4 从 83 块一套的量块组中选取量块，组成下列尺寸:36.375mm，48.980mm，43.625mm。3.5 试说明分度值、分度间距和灵敏度三者有何区别。3.6 试举例说明测量范围与示值范围的区别。3.7 试说明绝对测量方法与相对测量方法、绝对误差与相对误差的区别。3.8 测量误差分哪几类?产生各类测量误差的主要因素有哪些?第3章 测量技术基础3.9 试说明系统误差、随机误差和粗大误差的特性和不同点。3.10 为什么要用多次重复测量的算术平均值表示测量结果?这样表示测量结果可减少哪一类测量误差对测量结果的影响?第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3
44、章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3
45、章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3
46、章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3
47、章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3
48、章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础第3章 测量技术基础
