計(jì)量基礎(chǔ)理論知識(shí)1

計(jì)量基礎(chǔ)理論知識(shí)


1 測(cè)量方法分類
　　在實(shí)際工作中，可按不同的特征分類，主要包括以下幾類：
　　1.1 直接測(cè)量與間接測(cè)量
　　直接測(cè)量：測(cè)量有關(guān)量，并通過(guò)一定的數(shù)學(xué)關(guān)系式求得欲測(cè)量之值。例如有一種鐵路輪工件尺寸。
　　特點(diǎn)：直接測(cè)量的測(cè)量過(guò)程簡(jiǎn)單，其測(cè)量準(zhǔn)確度只與這一測(cè)量過(guò)程有關(guān)；間接測(cè)量的測(cè)量準(zhǔn)確度不僅取決于有關(guān)量的測(cè)量準(zhǔn)確度，還與計(jì)算的準(zhǔn)確度有關(guān)。間接測(cè)量通常用于直接測(cè)量時(shí)其準(zhǔn)確度得不到保證或由于被測(cè)件結(jié)構(gòu)限制或測(cè)量器具限制而無(wú)法進(jìn)行直接測(cè)量的場(chǎng)合。
　　1.2 絕對(duì)測(cè)量和相對(duì)測(cè)量
　　絕對(duì)測(cè)量：是指被測(cè)量和標(biāo)準(zhǔn)量直接比較后得到被測(cè)量絕對(duì)值的測(cè)量。例如：千分尺測(cè)量工件尺寸。
　　相對(duì)測(cè)量（比較測(cè)量）：是指被測(cè)量和標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較后只確定被測(cè)量相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)量的偏差值的測(cè)量。例如軸承檢測(cè)儀的環(huán)規(guī)測(cè)量就是利用比較測(cè)量法來(lái)進(jìn)行的。
　　特點(diǎn)：相對(duì)測(cè)量時(shí)，儀器的零位或起始讀數(shù)常用已知的標(biāo)準(zhǔn)量（例如量塊的尺寸）來(lái)調(diào)整，儀器讀數(shù)裝置僅指標(biāo)出被測(cè)的量對(duì)標(biāo)準(zhǔn)量的偏差值，因而儀器的示值范圍大大縮小，有利于簡(jiǎn)化儀器結(jié)構(gòu)，提高儀器示值的放大倍數(shù)和測(cè)量準(zhǔn)確度。
　　1.3 接觸測(cè)量和非接觸測(cè)量
　　接觸測(cè)量：測(cè)量裝置的敏感元件（測(cè)頭）與被測(cè)對(duì)象表面發(fā)生機(jī)械接觸的測(cè)量，存在機(jī)械作用的測(cè)量力。為了保證接觸的可靠性，測(cè)量力是必要的，但它可能使測(cè)量器具或被測(cè)對(duì)象產(chǎn)生變形，從而造成測(cè)量誤差，尤其在絕對(duì)測(cè)量時(shí)。對(duì)于軟金屬或薄結(jié)構(gòu)易變形的被測(cè)對(duì)象，接觸測(cè)量可能因變形造成圈套的測(cè)量誤差，也可能劃傷被測(cè)對(duì)象表面。
　　非接觸測(cè)量：測(cè)量裝置的敏感元件與被測(cè)對(duì)象表面不直接接觸的測(cè)量，因而沒(méi)有機(jī)械作用的測(cè)量力。此時(shí)，可利用光、氣、電、磁等物理量使測(cè)量裝置的敏感元件與被測(cè)對(duì)象表面聯(lián)系。例如干涉顯微鏡測(cè)量表面粗糙度、萬(wàn)能工具顯微鏡影像法測(cè)量均屬于非接觸測(cè)量。
　　1.4 單項(xiàng)測(cè)量與綜合測(cè)量
　　單項(xiàng)測(cè)量：對(duì)多參數(shù)的同一被測(cè)對(duì)象上的各被測(cè)量分別測(cè)量。例如分別測(cè)量螺紋單一中徑、螺距、半角等。這類方法一般用于量規(guī)的檢定、工序間的測(cè)量，或?yàn)榱斯に嚪治觥⒄{(diào)整機(jī)床等目的。
　　綜合測(cè)量：對(duì)被測(cè)件的與多個(gè)單項(xiàng)參數(shù)有關(guān)的綜合參數(shù)所進(jìn)行的測(cè)量。例如用螺紋量規(guī)測(cè)量螺紋作用中徑。
　　1.5 靜態(tài)測(cè)量與動(dòng)態(tài)測(cè)量
　　靜態(tài)測(cè)量：在測(cè)量過(guò)程中，被測(cè)的量或零件與敏感元件處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。
　　動(dòng)態(tài)測(cè)量：在測(cè)量過(guò)程中，被測(cè)的量或零件與敏感元件處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，或測(cè)量過(guò)程是模擬零件在工作或加工時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
　　試驗(yàn)室中的測(cè)量一般屬于表態(tài)測(cè)量，而在線測(cè)量一般均屬于動(dòng)態(tài)測(cè)量。動(dòng)態(tài)測(cè)量懷被測(cè)量的實(shí)際運(yùn)用狀態(tài)更接近，更有實(shí)用價(jià)值，但不易實(shí)現(xiàn)。
　　以上測(cè)量方法分類是從不同角度考慮的。對(duì)一個(gè)具體的測(cè)量過(guò)程，可能兼有幾種測(cè)量方法的特征。具體的測(cè)量方法的選擇應(yīng)考慮零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、準(zhǔn)確度要求、技術(shù)條件及經(jīng)濟(jì)效果等。
　　2 測(cè)量誤差來(lái)源
　　測(cè)量誤差基本分為系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差。一般從測(cè)量裝置、環(huán)境條件、人員及測(cè)量方法等四個(gè)方面分析。
　　2.1 測(cè)量裝置誤差
　　①標(biāo)準(zhǔn)器誤差：標(biāo)準(zhǔn)器是提供標(biāo)準(zhǔn)量值的器具，如量塊、標(biāo)準(zhǔn)電池、標(biāo)準(zhǔn)電阻、標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)等。使用它們的量值和它們自身表現(xiàn)的客觀量值之間有差異值，或者在沒(méi)胡滿足約定真值所需要的條件下復(fù)現(xiàn)出某個(gè)與約定真值的差異值，這些值即標(biāo)準(zhǔn)器誤差。
　　②儀器誤差：儀器是指將被測(cè)的量轉(zhuǎn)換成可直接觀測(cè)的指示值或等效信息的計(jì)量器具。有時(shí)可分為轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、傳輸通道和指示系統(tǒng)等，如天平、電橋等比較儀，溫度計(jì)、秒表、檢流計(jì)等指示儀器。它們引起儀器誤差。
　　③附件誤差：為測(cè)量創(chuàng)造一些必要條件，或?yàn)槭箿y(cè)量方便進(jìn)行的各種輔助附件均屬測(cè)量附件，如電測(cè)中的轉(zhuǎn)換開關(guān)及電源、熱源、聯(lián)接導(dǎo)線等都會(huì)引起附件誤差。在測(cè)量中此部分的誤差很小，或以忽略。
測(cè)量裝置誤差有各種表現(xiàn)形式，例如：等臂天平不等臂，量具分度分劃質(zhì)量不好，量塊測(cè)量面的平行度及平面度誤差，由于零件聯(lián)接間隙產(chǎn)生的隙動(dòng)等等。這些誤差大部分是由于制造工藝和長(zhǎng)期使用磨損引起的，屬于結(jié)構(gòu)性誤差。
　　儀器在使用時(shí)沒(méi)有調(diào)整到水平、垂直、平行等理想狀態(tài)，應(yīng)當(dāng)對(duì)中的未能對(duì)中，方向不準(zhǔn)等等，這些屬于使用調(diào)整性的誤差。
　　2.2 環(huán)境誤差
　　由于環(huán)境因素與要求的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)不一致及其在空間上的梯度與隨時(shí)間的變化引起的測(cè)量裝置和被測(cè)量本身的變化、機(jī)構(gòu)失靈、相互位置改變等引起的誤差。這些因素和溫度、濕度、氣壓（引起空氣各部分的擾動(dòng)）、震動(dòng)（大地微震、沖擊、碰動(dòng)等）、照明（引起視差）、電磁場(chǎng)等有關(guān)。
　　2.3 人員誤差
　　測(cè)量人員生理差異和技術(shù)不熟練引起的誤差。測(cè)量者生理上的最小分辨力，感覺(jué)器官的生理變化，反應(yīng)速度和固有習(xí)慣引起的誤差。如記錄某一信號(hào)時(shí)，測(cè)量者滯后和超前的趨向?qū)?zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)讀數(shù)時(shí)，始終偏左偏右、偏上或偏下。常表現(xiàn)為視差、觀測(cè)誤差、估讀誤差和讀數(shù)誤差等等。
　　2.4 方法誤差
　　由于測(cè)量方法或計(jì)算方法不完善引起的誤差。

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3.1 準(zhǔn)確度原則
　　測(cè)量方法誤差決定著測(cè)量的準(zhǔn)確度，而測(cè)量方法允許誤差的大小則主要取決于被測(cè)對(duì)象的準(zhǔn)確度要求。
從規(guī)定的最大實(shí)體尺寸和最小實(shí)體尺寸分別向被測(cè)對(duì)象的允許誤差范圍內(nèi)移動(dòng)一個(gè)安全裕度（A）來(lái)確定驗(yàn)收極限（見圖2-1）
　　安全裕度（A）由被測(cè)對(duì)象的允許誤差范圍確定。可見，安全裕度上就是被測(cè)對(duì)象對(duì)測(cè)量方法提出的準(zhǔn)確度要求，即測(cè)量不確定度u的允許值。因此，對(duì)規(guī)定范圍內(nèi)的被測(cè)對(duì)象尺寸的測(cè)量檢驗(yàn)，應(yīng)使測(cè)量不確定度u小于或等于安全裕度A。安全裕度A值由被測(cè)對(duì)象的允許誤差值的大小來(lái)確定。如表2-1。
　　表2-1 安全裕度及計(jì)量器具不確定度允許值
工件公差        安全裕度A        器具不確定度U=0.9A
大于        至               
0.009        0.018        0.001        0.0009
0.018        0.032        0.002        0.0018
0.032         0.058        0.003        0.0027
0.058         0.100        0.006        0.0054
0.100         0.180        0.010        0.0090
0.180         0.320        0.018        0.016
0.320         0.580        0.032        0.025
0.580         1.000        0.060        0.054
1.000         1.800        0.100        0.090
1.800         3.200        0.180        0.160
　　安全裕度A相當(dāng)于測(cè)量中總的不確定度，它包括計(jì)量器具的不確定度u1(u1=0.9A，是選擇計(jì)量器具的依據(jù)) 和由溫度、被測(cè)對(duì)象形狀誤差及接觸測(cè)量時(shí)的壓陷效應(yīng)等因素引起的不確定度在一般情況下，采用常用計(jì)量器具進(jìn)行測(cè)量時(shí)這幾方面的誤差都不進(jìn)行修正，且測(cè)量多為一次測(cè)量。
　　選用計(jì)量器具時(shí)，所選計(jì)量器具的不確定度應(yīng)等于或略小于表2-1中的u1值。
在計(jì)量器具的準(zhǔn)確度中存在兩種情況：一種是已經(jīng)對(duì)測(cè)量極限誤差作了明確規(guī)定，這就應(yīng)使測(cè)量方法的極限誤差小于或等于允許的測(cè)量極限誤差；另一種情況是僅規(guī)定計(jì)量器具的允許誤差，這時(shí)為了使測(cè)量誤差不明顯影響測(cè)量結(jié)果，測(cè)量方法極限誤差應(yīng)取器具允許誤差的1/3至1/10。
　　3.2 經(jīng)濟(jì)原則
　　一個(gè)正確的測(cè)量方法除了應(yīng)滿足被測(cè)對(duì)象的準(zhǔn)確度要求外，還必須是低成本的、容易實(shí)現(xiàn)的。例如：測(cè)量應(yīng)有一定的效率，計(jì)量器具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、操作方便、容易維護(hù)，測(cè)量和輔助工作的時(shí)間應(yīng)短，測(cè)量者的人數(shù)要少而且對(duì)技術(shù)水平和熟練程度要求盡可能低些。
　　4 計(jì)量器具的選擇
　　選用計(jì)量器具需綜合考慮準(zhǔn)確度指標(biāo)、適用性能和檢測(cè)成本三方面的要求，要經(jīng)濟(jì)可靠。其中準(zhǔn)確度指標(biāo)是選用計(jì)量器具的主要因素。
　　在選擇計(jì)量器具時(shí)，既要考慮計(jì)量器具的計(jì)量學(xué)指標(biāo)，又要考慮經(jīng)濟(jì)學(xué)指標(biāo)。為此，必須遵循以下幾條原則。
　　4.1 計(jì)量器具的測(cè)量范圍及標(biāo)尺的測(cè)量范圍，能夠適應(yīng)被測(cè)對(duì)象的外形、位置，被測(cè)量的大小以及其他要求。
　　計(jì)量器具的示值誤差、穩(wěn)定性、回程誤差等也是選用計(jì)量器具的因素。如果被測(cè)量對(duì)穩(wěn)定性或回程誤差有要求時(shí)（如測(cè)跳動(dòng)、形狀誤差等），應(yīng)根據(jù)要求選擇相應(yīng)的計(jì)量器具。
　　4.2 按被測(cè)對(duì)象的尺寸公差來(lái)選用計(jì)量器具時(shí)，為使對(duì)象的實(shí)際尺寸不超出原定的公差尺寸范圍，必須考慮計(jì)量器具的測(cè)量極限誤差而給安全裕度，按對(duì)象極限尺寸雙向內(nèi)縮一個(gè)安全裕度數(shù)值得出驗(yàn)收極限，按驗(yàn)收極限判斷對(duì)象尺寸是否合格。
　　4.3 按被測(cè)對(duì)象的結(jié)構(gòu)特殊性選用計(jì)量器具。
　　如對(duì)象的大小、形狀、重量、材料、剛性和表面粗糙度等都是選用時(shí)的考慮因素。對(duì)象的大小確定所選用計(jì)量器具的測(cè)量范圍。對(duì)象的材料較軟（如銅、鋁），且剛性較差時(shí)，就不能用測(cè)量力大的計(jì)量器具，或只好選用非接觸式儀器。對(duì)象太重就不應(yīng)置于儀器上測(cè)量，反而應(yīng)該考慮將儀器或量具置于對(duì)象上測(cè)量等等。
　　4.4 被測(cè)對(duì)象所處的狀態(tài)和測(cè)量條件隔壁是選擇計(jì)量器具時(shí)的考慮因素。很顯然，動(dòng)態(tài)情況下的測(cè)量要比表態(tài)情況下復(fù)雜得多。
　　4.5 被測(cè)對(duì)象的加工方法、批量和數(shù)量等也是選擇計(jì)量器具時(shí)要考慮的因素。
　　4.6 對(duì)于單件測(cè)量，應(yīng)以選擇通用計(jì)量器具為主；成批的測(cè)量，應(yīng)以專用量具、量規(guī)和儀器為主；大批的測(cè)量，則應(yīng)選用高效率的自動(dòng)化專用檢驗(yàn)器具。