长度计量第三章 长度计量基础知识

第三章长度计量基础知识•§1长度计量的任务和内容•§2米的定义及其发展•§3长度计量的基本原则•§4影响长度测量准确度的主要因素•§5常用的几种测量方法•§6长度计量中的几种常用方法•§7长度计量技术的新发展主要内容一、长度计量的主要任务研究和确定长度单位；研究建立和保存长度计量基准、标准；建立长度各项计量检定系统，组织量值传递；开展计量检定与修理，保证量值的准确一致；研究新的长度计量测量方法和手段，确定测量准确度；应用新的科学技术理论，开拓长度计量的新领域二、长度计量包括的内容1.长度尺寸---如端度、轴径、坐标尺寸、线纹间尺寸、箱体结构尺寸2.角度---如平面角、圆分度、空间位置角、锥度3.表面形状和位置误差4.表面粗糙度5.角度和长度的复合工程参量§1长度计量的任务和内容一、米的演变1790年法国科学院受法国国会委托，提出“米”制建议。1791年，以通过巴黎的子午线的四千万分之一作为一米，1799年法国制造了一只铱合金矩形的金属米尺-----档案米尺十九世纪后期，国际计量局定制了30只横截面积为X形的铂铱合金的米原器复制品，它的长度与档案米尺相等。1899年召开第一届国际计量大会，批准了经过测量选定的其中No.VI作为国际长度基准---国际米原器，称国际米。1927年第七届国际计量大会规定了国际米的定义是：米是国际计量局保存的国际米原器上两端刻线的中间刻线的轴线在0°C时的距离§2米的定义及其发展二、现行米的定义1983年10月第十七届国际计量大会通过的米的新定义为：米是在真空中在（1/299792458）秒的时间间隔内所经路径的长度。1960年第十一届国际计量大会通过了米的新定义：米的长度等于氪-86原子的2P10和5d5能级之间跃迁所对应的辐射在真空中波长的1650763.73倍。三、米定义的复现方法1.用于天文测量、大地测量的复现方法L=ct2.用于实验室计量工作的复现方法由所测得频率与固定光速值来复现波长值3.用于一般测量的复现方法用米定义咨询委员会推荐使用的五种激光辐射和两类同位素的任意一种来复现。(1)甲烷吸收稳频的氦氖激光辐射(2)碘吸收稳频的染料激光或1.15微米的氦氖激光的倍频辐射(3)碘吸收稳频的氦氖激光辐射(4)碘吸收稳频的氩离子激光辐射(5)两类同位素光谱灯辐射对应于氪-86原子在2P10和5d5能级之间跃迁所对应的辐射汞-198和镉-114原子的辐射长度单位的发展：1790年，档案米尺1880年，国际米原器铂铱合金的高精度米尺第6号尺（30多根）当时米的定义为：米的长度等于在冰点温度下，米原器两端刻线间的距离。1960年，光波波长米定义为：米的长度等于86Kr原子的2p10和5d5能级之间跃迁所对应的辐射在真空中的波长的1650763.73倍。1983年，新定义北极-赤道地球子午线/1000万巴黎激光技术：单色性好、方向性好、光强大1、新定义的内容①米是光在真空中在1/299792458s的时间间隔内所行进的路程长度。②废除1960年10月第11届国际计量大会批准建立在86Kr原子的2p10和5d5能级间跃迁基础上的米定义。(1)关于米定义的决议(2)规定米定义的3种复现方法①用于天文、大地等测量工作的复现方法根据l=ct关系式，由测出的时间t与给定的光速值c复现长度值l；②用于实验室计量测试工作的复现方法根据入＝c／f关系式，由测出的频率f与给定的光速值c复现长度值l；③用于一般测量工作的复现方法直接使用米定义咨询委员会推荐使用的5种激光辐射和2类同位素光谱灯辐射的任一种来复现。（He-Ne、Hg、Kr等）2．新定义的特点(1)新定义建立在真空中光速值c＝299792458m／s这一基本物理常数的基础之上。这一特点使得复现米的不确定度不受某种基本物质性能的限制。(2)将米的定义与单位的复现方法这两者区分开来。这一特点使复现米的准确度不受定义本身的限制。(3)新定义不仅废除了长度计量的自然基准，而且还废除了单一的长度计量基准。这特点使得复现米的不确定度不受某一基准本身准确度的限制。(4)在目前（当时）条件下，米定义的改变不影响米作为基本单位的地位。这一特点使得目前通用的国际单位制不必作任何改变。长度的量值传递量值传递是“将国家计量基准所复现的计量值，通过检定（或其它方法）传递给下一等级的计量标准（器），并依次逐级传递到工作计量器具上，以保证被测对象的量值准确一致的方式”。我国长度量值传递系统如图所示，从最高基准谱线向下传递，有两个平等的系统，即端面量具（量块）和刻线量具（线纹尺）系统。其中尤以量块传递系统应用最广。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。一、阿贝原则二、圆周封闭原则三、变形最小原则四、最短测量连原则•§3长度计量的基本原则五、基准统一原则一、阿贝原则被测量的测量轴线与标准量的测量轴线相重合或在其延长线上，称为阿贝原则。阿贝原则是长度计量的基本原则，其意义在于它避免了测量时因直线度误差或测量轴线倾斜等因素引起的一次测量误差而只存在二次微小误差。在检定和测试中遵守阿贝原则可以提高测量的准确度，违反阿贝原则会产生的一次测量误差，这种因违反阿贝原而产生的一次测量误差叫做阿贝误差。如图所示，干分尺的测微螺杆和被测物处在一条直线上，符合阿贝原则，因测量轴线倾斜所产生的误差L为：因为很小，，L属二阶误差，可以忽略小计。阿贝原则：举例说明221cosLLLL游标卡尺的标准尺(刻线面)与被测物不在一条直线上，而处于偏离位置，故不符合阿贝原则。LLtgLL属一阶误差，L越大，产生误差也越大比较结论在允许相同的测量误差的情况下，串联方案对仪器导轨的要求相对可以有所降低，因而降低仪器的制造成本。缺点：仪器导轨较长，一般为被测长度的1.5倍，这样对大尺寸的测量是很不利的。因此，在某些情况下，有时也不得不违背阿贝原则而采用并联布置方案，但必须设法采取措施，以补偿或抵消一次方误差造成的影响，二、圆周封闭原则利用在同一圆周上所有分度夹角之和等于360。，亦即所有夹角误差之和等于零的这一自然封闭特性，在没有更高精度的圆周分度基准器件的情况下，采用“自检法”也能达到高精度测量的目的。定义一个圆的原则适用场合在圆周分度器件的测量中，如刻度盘、圆柱齿轮等，凡能形成圆周封闭条件的场合。两个比较实例(1)、用高精度直角尺进行比较测量在测量时先将两指示器A和B用直角尺C调至零位，这样A、B两点的连线与平板定位基准面间就建立了一个直角基准。图(b)所示：为依次与方形角尺D的各角相比较，就可得到各角对90。的偏差值。被检定的方形角尺高精度直角尺1把被检定的方形角尺垂直地放置在平板上，以角的一个面为定位面。01e11用自准直仪对准角的另一面，调整自准直仪，使其读数为零，即角的读数。然后角为定角(用表示，注意和往往不是相等的)和其他各角进行比较，测得相应的。4e2e3e11两个比较实例(2)、自检法光杆杠原理(光学比较仪)微小角度或位移的测量——放大倍数ffAAy22tanaaxtanafafxAAk2tan2tanyFf'x002a图3-4平面镜用于小角度或位移测量Afy2各被测角的实际值为iie由于和中部含有90。值，将其减去便可得如下一组算式：i44332211eeee41414iiiie即：由自然封闭条件可知041ii所以0441iie)41(4141iie因而每个角的实际偏差皆可求得，即)51(iie—反映自准直仪的安装精度例ieeee求设,7.1,8.0,5.0,2.04321解：按式上式可先求出定角偏差为：413.07.18.05.02.04141）（iie于是按式(1—5)即可求得各角的实际偏差如下43214.17.13.01.18.03.02.05.03.05.02.03.0检验04.11.12.05.041ii三、最小变形原则为了使测量结果准确可靠，测量中应尽量使各种原因所引起的变形应最小。（高精度下明显）（a）测量力引起的接触变形（弹性变形）弹性变形的变形量与测量力、接触面积、弹性系数有关。（b）热变形热变形的变形量可按下式计算：式中：被测件线膨胀系数被测件长度尺寸被测件温度变化LtlLt四、最短测量链(尺寸链)原则在测量系统(或尺寸)中，为了保证测量信号的转换，所有的转换器按一定顺序排列，排列顺序称为测量链（或尺寸链），测量的链一多，引入的误差因素就会增多，所以在实际测量工作中，为保证一定的测量准确度，应尽量减少测量链的环节使测量链最短，这就是最短测量链原则。在间接测量中，与被测量具有函数关系的其它量与被测量形成测量链。形成测量链的环节越多，被测量的不确定度越大。因此，应尽可能减少测量链的环节数，以保证测量精度，称之为最短链原则。当然，按此原则最好不采用间接测量，而采用直接测量。所以，只有在不可能采用直接测量，或直接测量的精度不能保证时,才采用间接测量。应该以最少数目的量块组成所需尺寸的量块组，就是最短链原则的一种实际应用。五、基准统一原则基准统一原则：测量基准要与加工基准和使用基准统一。即工序测量应以工艺基准作为测量基准，终检测量应以设计基准作为测量基准。•§5长度计量器具的维护保养•1.防止锈蚀湿度大（温差变化大）；手接触；洗涤液；唾液污染；防锈油不当•2.清洗•3.防止划痕•4.润滑：相互配合的零件，如轴尖与轴承；•5.防止变形:自重或支撑点位置不当；•6.其他注意事项如：光学仪器不要随意挪动，注意防震等。一、光隙法光隙法是凭观察通过实际间隙的可见光隙量的多少来判断间隙大小的一种方法，凡是在0.001mm一0．03mm范围内的间隙，只要能产生可见光隙，都可以用光隙法检测。§6长度计量中的几种常用方法由正负10块组量块和日光灯平晶或平板组成，取两块等高的量块放在平晶两端，中间放比两端分别小0.001mm，0.002mm，0.004mm，0.006mm，0.008mm的量块，或者根据自己的需要放置不同的量块，然后把刀口尺放置在等高量块上，日光灯距刀口尺后的距离在100mm左右，刀口尺在上可以左右偏摆22.5°然后观察光隙，由于白光是由不同波长的单色光组成，所以可以看到有红，黄，紫等单色光，再看中间量块于两端量块的差值，即可得到标准间隙。值得注意事项：1.尽量使用平晶做基准。2.在用光隙法检定时，在有争议必须使用同一样的观察实物和方法。3.每个观察着存在视力差异，不一定看到的是同一色光。4.平常是用经验来判断间隙的大小，不常做标准间隙。5.要采用同一光源作比较。标准间隙标准光隙可由1级量块、0级刀口尺和1级平面平晶组成，量块尺寸根据所需要的实际间隙选择，但首末两块尺寸相等，将量块按一定顺序研合在平晶工作面上，以从平晶反面观察看不到干涉带为研合好，把刀口尺放在量块上，在平放的日光灯下观察光隙。由于量块间尺寸相差不等、光隙量也不一样，这就获得了所需要的标准光隙。如取两块1mm量块先研合在平晶两边，然后再把0.999mm、0.998mm、0.997mm、0.996mm等量块按顺序研合在两个1mm量块之间，此时刀口尺与量块之间组成的实际光隙为1μm，2μm，3μm，4μm等。2.光隙法的应用光隙法主要应用于以样板直尺为标准，测量量具或工件的直线度、平面度以及在垂直度测量时，以直角尺为标准，测量量具或工件的垂直度。在计量器具检定中，一般光隙量不大于0.01mm时可用光隙法检验计量器具工作面的平