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第3章测量技术基础3.1概述3.2长度基准与量值传递3.3测量方法与测量器具3.4测量误差及其处理思考题与习题所谓“测量”，是指确定被测对象的量值而进行的实验过程。通俗地讲，就是将一个被测量与一个作为测量单位的标准量进行比较的过程。这一过程必将产生一个比值，比值乘以测量单位即为被测量值。测L=Q·E式中：L——被测量值；E——测量单位；Q——（3-1）式（3-1）被称为基本测量方程式。它说明：如果采用的测量单位E为mm，与一个被测量比较所得的比值Q为50，则其被测量值也就是测量结果应为50mm。测量单位愈小，比值就越大。测量单位的选择取决于被测几何量所要求的测量精度，精度要求越高，测量单位就应选得越小。分析整个测量过程可知，测量包括以下四个方面的内容：(1)测量对象：主要指零件的几何量。(2)测量单位(计量单位）：是指国家的法定计量单位，长度的基本单位是米（m），其它常用单位有毫米（mm）和微米(μm)。(3)测量方法：是指测量时所采用的测量器具、测量原理以及检测条件的综合。(4)测量精度：是指测量结果与真值的一致程度。任何测量都避免不了会产生测量误差。因此，精度和误差是两个相互对应的概念。精度高，说明测量结果更接近真值，测量误差更小；反之，精度低，说明测量结果远离真值，测量误差大。由此可知，任何测量结果都是一个表示真值的近似值。“检验”是一个比“测量”含义更广泛的概念。对于金属内部质量的检验、表面裂纹的检验等，就不能用“测量”这一概念。对于零件几何量的检验，通常只是判断被测零件是否在规定的验收极限范围内，确定其是否合格，而不一定要确定其具体的量值。3.2长度基准与量值传递3.2.1为了保证工业生产中长度测量的精确度，首先要建立统一、可靠的长度基准。国际单位制中的长度单位基准为米（m），机械制造中常用的长度单位为毫米（mm），精密测量时，多用微米(μm)为单位，超精密测量时，则用纳米（nm）为单位。它们之间的换算关系如下：1m=1000mm，1mm=1000μm，1μm=1000nm随着科学技术的进步和发展，国际单位基准“米”也经历了三个不同的阶段。早在1791年，法国政府决定以地球子午线通过巴黎的四千万分之一的长度作为基本的长度单位——米。1875年国际米尺会议决定制造具有刻线的基准米尺，1889年第一届国际计量大会通过该米尺作为国际米原器，并规定了1米的定义为“在标准大气压和0℃时，国际米原器上两条规定刻线间的距离”。国际米原器由铂铱合金制成，存放在法国巴黎的国际计量局，这是最早的米尺。在1960年召开的第十一届国际计量大会上，考虑到光波干涉测量技术的发展，决定正式采用光波波长作为长度单位基准，并通过了关于米的新定义：“米的长度等于氪(86Kr)原子的2p10与5d5能级之间跃迁所对应的辐射在真空中波长的1650763.73倍”。从此，实现了长度单位由物理基准转换为自然基准的设想，但因氪(86Kr)辐射波长作为长度基准，其复现单位量值的精度受到一定限制。所以在1983年的第十七届国际计量大会上审议并批准了又一个米的新定义：“米等于光在真空中在1/299792458秒的时间间隔内的行程长度”。新定义带有根本性变革，它仍属于自然基准范畴，但建立在一个重要的基本物理常数（真空中的光速c=299792458米/秒）的基础上。c常数是一个不存在误差的精确值，用它作为米的定义，精度上不受任何条件的限制，其稳定性和复现性是原定义的100倍以上，实现了质的飞跃。3.2.2使用光波长度基准，虽然可以达到足够的准确性，但却不便直接应用于生产中的量值测量。为了保证长度基准的量值能准确地传递到工业生产中去，就必须建立从光波基准到生产中使用的各种测量器具和工件的尺寸传递系统（见图3-1）。目前，量块和线纹尺仍是实际工作中的两种实体基准，是实现光波长度基准到测量实践之间的量值传递媒介。图3-1长度量值传递系统角度的量值传递•角度基准与长度基准有本质的区别。角度的自然基准是客观存在的，不需要建立，因为一个整圆所对应的圆心角是定值（2πrad或360°）。因此，将整圆任意等分得到的角度的实际大小，可以通过各角度相互比较，利用圆周角的封闭性求出，实现对角度基准的复现。•为了检定和测量需要，仍然要建立角度度量的基准。3.2.3由图3-1长度量值传递系统可知，量块是机械制造中精密长度计量应用最广泛的一种实体标准，它是没有刻度的平面平行端面量具，是以两相互平行的测量面之间的距离来决定其长度的一种高精度的单值量具。量块的形状一般为矩形截面的长方体和圆形截面的圆柱体（主要应用于千分尺的校对棒）两种，常用的为长方体（见图3-2）。量块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，非测量面较为粗糙一些。两测量面之间的距离L为量块的工作尺寸。量块的截面尺寸如表3-1所示。表3-1量块的截面尺寸量块一般用铬锰钢或其他特殊合金钢制成，其线膨胀系数小，性质稳定，不易变形，且耐磨性好。量块除了作为尺寸传递的媒介，用以体现测量单位外，还广泛用来检定和校准量块、量仪；相对测量时用来调整仪器的零位；有时也可直接检验零件，同时还可用于机械行业的精密划线和精密调整等。1.量块长度是指量块上测量面的任意一点到与下测量面相研合的辅助体（如平晶）平面间的垂直距离。虽然量块精度很高，但其测量面亦非理想平面，两测量面也不是绝对平行的。可见，量块长度并非处处相等。因此，规定量块的尺寸是指量块测量面上中心点的量块长度，用符号L来表示，即用量块的中心长度尺寸代表工作尺寸。量块的中心长度是指量块上测量面的中心到与此量块下测量面相研合的辅助体（如平晶）表面之间的距离，如图3-3所示。量块上标出的尺寸为名义上的中心长度，称为名义尺寸（或称为标称长度），如图3-2所示。尺寸小于6mm的量块，名义尺寸刻在上测量面上；尺寸大于等于6mm的量块，名义尺寸刻在一个非测量面上，而且该表面的左右侧面分别为上测量面和下测量面。图3-2量块图3-3量块的中心长度2.每块量块只代表一个尺寸，由于量块的测量平面十分光洁和平整，因此当表面留有一层极薄的油膜时（约0.02μm），用力推合两块量块使它们的测量平面互相紧密接触，因分子间的亲和力，两块量块便能粘合在一起，量块的这种特性称为研合性，也称为粘合性。利用量块的研合性，就可以把各种尺寸不同的量块组合成量块组，得到所需要的各种尺寸。3.为了组成各种尺寸，量块是按一定的尺寸系列成套生产的，一套包含一定数量不同尺寸的量块，装在一特制的木盒内。国家量块标准中规定了17种成套的量块系列，从国家标准GB6093—85中摘录的几套量块的尺寸系列如附表3-1所示。4.1）按国标（JJG146-2003)的规定，量块按制造精度分为五级，即K、0、1、2、3级。其中K级精度最高，依次降低，3级精度最低。各级量块精度指标见附表3-2。量具生产企业根据各级量块的国标要求，在制造时就将量块分了“级”，并将制造尺寸标刻在量块上。使用时，就使用量块上的名义尺寸。这叫做按“级”测量。2）量块按其检定精度，可分为1、2、3、4、5五等，其中1等精度最高，依次降低，5等精度最低。各等量块精度指标见附表3-3。当新买来的量块使用了一个检定周期后（一般为一年），再继续按名义尺寸使用即按“级”使用，组合精度就会降低（由于长时间的组合、使用，量块有所磨损）。所以，就必须对量块重新进行检定，测出每块量块的实际尺寸，并按照各等量块的国家标准将其分成“等”。使用量块检定后的实际尺寸进行测量，叫做按“等”测量。这样，一套量块就有了两种使用方法。按“级”使用时，所根据的是刻在量块上的名义尺寸，其制造误差忽略不计；按“等”使用时，所根据的是量块的实际尺寸，而忽略的只是检定量块实际尺寸时的测量误差，但可用较低精度的量块进行比较精密的测量。因此，按“等”测量比按“级”测量的精度高。5.(1）选择量块时，无论是按“级”测量还是按“等”测量，都应按照量块的名义尺寸进行选取。若为按“级”测量，则测量结果即为按“级”测量的测得值；若为按“等”测量，则可将测出的结果加上量块检定表中所列各量块的实际偏差，即为按“等”测量的测得值。(2）组合量块成一定尺寸时，应从所给尺寸的最后一位小数开始考虑，每选一块应使尺寸至少去掉一位小数。(3）使量块块数尽可能少，以减少积累误差，一般不超过3~5块。(4）必须从同一套量块中选取，决不能在两套或两套以上的量块中混选。(5）组合时，不能将测量面与非测量面相研合。(6）组合时，下测量面一律朝下。量块使用的注意事情项•量块必须在使用有效期内，否则应及时送专业部门检定。•使用环境良好，防止各种腐蚀性物质及灰尘对测量面的损伤，影响其粘合性。•分清量块的“级”与“等”，注意使用规则。•所选量块应用航空汽油清洗、洁净软布擦干，待量块温度与环境温度相同后方可使用。•轻拿、轻放量块，杜绝磕碰、跌落等情况的发生。•不得用手直接接触量块，以免造成汗液对量块的腐蚀及手温对测量精确度的影响。•使用完毕，应用航空汽油清洗所用量块，并擦干后涂上防锈脂存于干燥处。例如：要组成28.935的尺寸，若采用83块一套的量块，参照附表3-1，其选取方法如下：以上四块量块研合后的整体尺寸为28.93593.27005.1935.28…………………第一块量块尺寸为1.0055.2643.1…………………第二块量块尺寸为1.43205.6…………………第三块量块尺寸为6.5020…………………第四块量块尺寸为203.3测量方法与测量器具3.3.1测量方法的分类在测量中，测量方法是根据测量对象的特点来选择和确定的，其特点主要是指测量对象的尺寸大小、精度要求、形状特点、材料性质以及数量等。主要可分为以下几种：(1)据获得被测结果的方法不同，测量方法可分为直接测量和间接测量。直接测量：测量时，可直接从测量器具上读出被测几何量的大小值。例如：用千分尺、卡尺测量轴径，就能直接从千分尺、卡尺上读出轴的直径尺寸。间接测量：被测几何量无法直接测量时，首先测出与被测几何量有关的其他几何量，然后，通过一定的数学关系式进行计算来求得被测几何量的尺寸值。例如：如图3-4所示，在测量一个截面为圆的劣弧的几何量所在圆的直径D（或测量一个较大的柱体直径D）时，由于无法直接测量，可以先测出该劣弧的弦长b以及相应的弦高h，然后通过公式D=h+b2/4h计算出其直径D。图3-4间接测量圆的直径通常为了减小测量误差，都采用直接测量，而且，也比较简单直观。但是，间接测量虽然比较繁琐，当被测几何量不易测量或用直接测量达不到精度要求时，就不得不采用间接测量了。(2)据被测结果读数值的不同，即读数值是否直接表示被测尺寸，测量方法可分为绝对测量和相对测绝对测量（全值测量）：测量器具的读数值直接表示被测尺寸。例如：用千分尺测量零件尺寸时可直接读出被测尺寸的数值。相对测量（微差或比较测量）：测量器具的读数值表示被测尺寸相对于标准量的微差值或偏差。该测量方法有一个特点，即在测量之前必须首先用量块或其他标准量具将测量器具对零。例如：用杠杆齿轮比较仪或立式光学比较仪测量零件的长度，必须先用量块调整好仪器的零位，然后进行测量，测得值是被测零件的长度与量块尺寸的微差值。一般地，相对测量的测量精度比绝对测量的高，但测量较为麻烦。(3)根据零件的被测表面是否与测量器具的测量头有机械接触，测量方法可分为接触测量和非接触测量。接触测量：测量器具的测量头与零件被测表面以机械测量力接触。例如：千分尺测量零件、百分表测量轴的圆跳动等。非接触测量：测量器具的测量头与被测表面不接触，不存在机械测量力。例如：用投影法（如：万能工具显微镜、大型工具显微镜等）测量零件尺寸、用气动量仪测量孔径等。接触测量由于存在测量力，会使零件被测表面产生变形，引起测量误差，使测量头磨损以及划伤被测表面等，但是对被测表面的油污等不敏感；非接触测量由于不存在测量力，被测表面也不会引起变形误差，因此，特别适合薄结构易变形零件的测量。(4)根据同时测量参数的多少，测量方法可分为单项测量和综合测量。单项测量：单独测量零件的每一个参数。例如：