第9章-各种物理量的测试计量中名师优质课获奖市赛课一等奖课件.ppt

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第9章 各种物理量的测试计量（中）,本幻灯片资料仅供参考，不能作为科学依据，如有不当之处，请参考专业资料。,第9章 各种物理量测试计量（中）,9.1 几何量计量,9.2 温度计量,9.3 力学计量,习题,第1页,9.1 几何量计量,9.1.1 几何量计量技术发展概况,几何量计量技术发展，源远流长，是最先形成计量科学领域一个部分。当代几何量计量技术发展很快，与过去相比，不论计量标准器、工作用计量器具或测量方法都有很大进展，甚至是根本性改变。,第2页,1 量具和量仪,早期机械加工件形状较为简单,其精度要求也不高,那时所采取测量器具是以线纹竹木尺或钢直尺为代表性计量器具,其分度值最小只能到达0.5 mm。伴随加工件形状逐步复杂化及其精度提升,这种低精度线纹尺就不能适应测量要求了。到19世纪初出现了游标卡尺,用游标卡尺估读主尺刻线小数部分,使分度值减小到0.1 mm,进而减小到0.05 mm,乃至0.02 mm。1867年出现了基于螺旋微动原理千分尺,其分度值到达0.01 mm。为了校对器具,以求量值统一,1895年出现了量块。,第3页,量块出现,大大促进了各种以比较测量为基础量具和量仪发展。20世纪初,生产出了分度值为0.01 mm百分表,分度值为0.001 mm千分表和测微表。到20世纪30年代出现了0.2 m扭簧表和扭簧比较仪。随即又研制和生产出了各种不一样类型光学机械式仪器,如读数显微镜、工具显微镜、投影仪、光学计、测长机等等。20世纪60年代末、70年代初研制出了电动量仪,如电动测微仪、电动轮廓仪、三坐标测量机等。而20世纪80年代以光、机、电及计算机结合为特征测量仪器出现、推广和应用则使几何量计量发展到了一个完全崭新阶段。,第4页,2米基准,1889年米制条约国际计量大会上,经过了用铂铱合金米尺上两条刻线间距离作为 1 m 定义值,这根米尺被称为国际米原器。国际米原器作为长度单位实物基准,一直沿用了71年,它相对精度为千万分之一左右,即1 m测量精度为0.1 m左右。到了20世纪中叶，这个精度显得不够用了,不但影响了自然科学发展,也不能满足机械制造,尤其是精密机械制造等行业要求。,1960年国际计量大会经过了“米等于,86,Kr,原子在2,P,10,和5,d,6,能级间跃迁所对应辐射真空波长1 650 763.73倍长度”定义,同时,废除了1889年确定以米原器为依据米定义。依据这个定义,1 m精度为十亿分之四。,第5页,这意味着在长度为5 cm固定物质内不差一个原子距离,或在1000 km长度测量中不差4 mm。显然,以原子辐射单色波长为依据新米定义比实物原器米定义要优越得多。因为,原子辐射波长是物质本身一个属性,是自然现象,能确保量值高度稳定;另外,自然界中氪原子是取之不尽、用之不竭,任何地方都能够实现米定义,无须像实物基准那样担心被损坏。,1960年,单色性好,相干能力强,能量高度集中和方向性好激光问世。1969年以后,利用激光得到真空光速值为299 792 458 m/s,这一数值准确性比过去提升了100倍。1983年10月20日,在法国巴黎举行第十七届国际计量大会上,正式经过了米新定义:米是光在真空中,在1/299 792 458 s时间间隔内经过距离长度。,第6页,将真空中光速作为一个固定不变基本物理常数,使长度测量可经过时间或频率测量导出,从而使长度单位和时间单位结合了起来。,第十七届国际计量大会闭幕当日,国际计量委员会就召开了会议,经过了推行新米定义实施方案，并推荐了5条激光辐射作为波长标准。它们都是以真空光速,c,=299 792 458 m/s为出发点,用直接频率测量或间接频率测量方法测出谱线频率,f,再按,f,=,c,这个公式导出波长,。5条谱线中,由,CH,4,饱和吸收稳频He-Ne激光辐射谱线复现精度最高,其波长为3 392 231 397.0,fm,相对不确定度为1.310,-10,。,第7页,国际计量委员会同时强调指出,复现新米定义并不排斥已经使用,86,Kr,、,198,Hg,和,114,Cd,谱线,不过它们不确定度要低得多。比如，,86,Kr,不确定度为410,-9,。,9.1.2 几何量计量基本标准,为了确保正确可靠测量,人们在测量实践中总结出了几何量计量基本标准,即阿贝标准、封闭标准、最小变形标准、测量链最短标准和基准统一标准。,第8页,1.阿贝标准,阿贝标准是几何量计量中最基本标准。对于长度量值测量而言,主要是两点之间最短直线距离,或是点、线、面和线或面之间最短距离。连接两点直线或最短距离线,对于被测量而言称为被测线;对于标准量而言称为测量线。所以,长度测量实质上是被测物体上被测线长度量与测量线上长度标准量进行比较过程。所以在长度测量时,被测线与测量线方位必须按一定测量标准来确定,这个标准就是阿贝标准。,第9页,阿贝标准是由德国科学家阿贝提出,所以称为阿贝标准。该标准指出：被测线应与测量线重合,或者应在其延长线上,或者说被测线与测量线应串连布置,所以阿贝标准又称为串连标准。在普通计量过程中,应尽可能不违反阿贝标准。,能够证实,凡是恪守阿贝标准长度计量所引发计量误差皆为二次微小误差;而不符合阿贝标准长度计量所引发计量误差则为一次线性误差,通常称为阿贝误差。,第10页,2.封闭标准,圆周分度误差测量是角度测量一个主要内容。在圆周分度中,起始刻线（0）与最末刻线（360）总是重合,即圆周分度是封闭,这就是圆周分度封闭特征。圆周分度是经过对整圆360等分而得来。圆周分度误差利用圆周分度含有封闭特征而求得。圆周分度首尾相接间隔误差总和为零,这是分度误差闭合条件。由圆周分度封闭特征可得测量封闭标准为:在测量中,假如能满足封闭条件,则圆周分度间隔误差总和必定为零。,第11页,封闭标准为许多测量,尤其是角度测量带来了方便。比如,在检定多面棱体时,利用封闭标准,不需要高精度标准即可实现自我检定。在万能测齿仪上测量齿轮周节累积误差时,利用封闭标准,比绝对测量方便且简单。,3.变形最小标准,在测量中,被测物体和测量仪器部分零部件因为受重力、热膨胀及内应力等影响而变形时,会影响测量结果准确度。比如,在接触式测量中,由测量力产生接触变形、大尺寸物体水平安放时自重产生弯曲变形、不均匀受热产生局部热变形等都会带来测量误差。所以,为使测量结果准确可靠,在测量过程中应使各种原因引发变形为最小,这便是长度测量变形最小标准。,第12页,4.测量链最短标准,在精密测量中,被测量微小改变不能直接被人眼观察到,需要借助于测量仪器,将被测量微小改变变换为可观察测量信号才能实现测量。测量系统中提供与输入量有给定关系输出量部件称为测量变换器或计量器具变换单元。组成测量信号从输入到输出量通道一系列单元所组成完整部件称为测量链。测量信号每一变换步骤称为测量链步骤。测量链各个步骤不可防止地会引入误差,测量链越长,转换步骤越多,误差原因就越多。所以,为了确保一定测量精度,组成仪器测量链步骤构件数目应最少,即测量链应最短,这就是测量链最短标准。,第13页,5.基准统一标准,设计基准、加工（工艺）基准和测量基准重合,称为三基准统一标准。在测量中应力争三基准统一,这么能够降低测量误差。,9.1.3 几何量计量标准器,任何物体都有一定几何形状,如直线、平面、曲面、多面棱体、锥体、球体等。表征物体这些几何形态参量能够归纳为普通参量、形位参量和微观参量及波度等。普通参量有长、宽、高、曲率半径、直径、距离和角度;形位参量有直线度、平面度、圆度、圆柱度、轮廓度、平行度、同轴度、对称度及跳动等;微观参量主要指微观几何形状误差,即表面粗糙度。,第14页,几何量计量是指对上述参量进行计量。为确保参量量值统一,需建立对应量值传递系统。从近代几何量传递系统建立来看,又可将上述参量分为长度、线纹、角度、平面度和粗糙度等五类。所以,几何量量值传递也可分为五个传递系统,即长度、线纹、角度、平面度、粗糙度等传递系统。下面着重介绍各个传递系统中主要标准器。,1.长度标准器量块,量块又称为块规,其横截面为矩形或圆形,是由两个相互平行测量平面之间距离来确定其工作长度一个高精度单值量具,是长度量值传递系统中作为基础基准器。,第15页,图9.1.1 矩形量块,第16页,量块种类很多,有圆柱形和矩形,我国制造量块皆为矩形长方块（如图9.1.1所表示）。量块有钢制量块、石英量块和玛瑙量块,最惯用是钢制量块。量块不但作为长度测量工具使用,而且是保留和传递长度单位基准器之一,经过它把机械制造中各种成品和零件尺寸与国家以至国际米定义基准所复现长度联络起来,从而到达全国乃至全世界长度量值统一,实现交换目标。,第17页,1）量块基本特征,量块基本特征包含：,(1)稳定性。,稳定性是指量块实际长度随时间改变程度。在一定时期内,量块长度改变不应超出一定范围。它以1 m长量块在一年内改变来表示稳定性。量块制造技术要求中,对各级量块稳定性都有详细要求。比如:0级1 m量块长度年改变量不得超出0.5 m,1级1 m量块长度年改变量不得超出1 m等等。,第18页,(2)耐磨性。,量块在使用中经常与其它物体接触或量块之间相互研合等都会使测量面磨损,量块测量面磨损将降低量块尺寸精度,缩短量块使用寿命。为了降低许块磨损,要求其计量面含有足够耐磨性。耐磨性主要取决于原材料和热处理工艺。惯用原材料为铬锰钢、铬钢和轴承钢等。石英稳定性、耐磨性和抗腐蚀性都很好,不过价格较贵,而且加工困难,加之温度膨胀系数较小（与通常计量对象钢相比）,所以不宜用于制作工作量块。,第19页,(3)研合性。,量块与量块或量块与平晶相互推合或贴合而形成一体性能,称为研合性。因为量块含有良好研合性,能够用多个量块组成所需尺寸,从而将单值量具变成多值量具,扩大了量块计量范围,(4)线膨胀系数。,在相对测量中,量块作为标准量与被测工件相比较进行测量,普通被测工件由钢制成,其线膨胀系数约为,(11.353)10,-6,/,这就要求量块线膨胀系数与之相近,以降低相对测量时因环境温度与标准温度20之差而产生测量误差。为此,我国要求,在温度为1030范围内,钢质量块线膨胀系数应为(11.351)10,-6,/。,第20页,2）量块等与级,依据量块测量面平面度、平行度、表面粗糙度、研合性及中心长度允许偏差等主要技术指标,量块能够分为00,0,1,2,（3）和标准级K六个级别。,依据量块测量面平面度、平行度、表面粗糙度、研合性及中心长度测量极限误差等主要技术指标,量块能够分为1,2,3,4,5,6六个等别。,量块级表征是量块制造精度,等表征是量块测量精度。量块之所以分级又分等,是因为量块测量精度比量块制造精度高得多。利用高精度测量方法确定量块实测尺寸（或尺寸偏差）,使用时加修正量,提升了量块测量精度。,第21页,3）量块使用,量块使用分为以下几项：,(1)按等使用:,使用量块长度实测值,即按量块标称值,从检定证书上查看此量块实测值。在精密测量中,按等使用能够提升测量精度。,(2)按级使用:,使用量块标称值,只要查看检定证书上量块属于哪一级,把级允许偏差看成不确定度来处理就能够了。因为使用方便,按级使用惯用在精度要求不高测量中。,第22页,(3)组合使用:,将几块量块经过研合组合在一起按等或级使用。组合测量时,普通应从所需长度最小位数起,在备用量块组（套）中依次进行挑选,并使选取量块数最少。组合后按级使用时,量块尺寸等于各单块量块标称值之和;组合后按等使用时,量块长度偏差为各单块量块偏差代数和。,2.线纹标准器线纹尺,线纹标准中,最惯用是线纹尺。线纹尺是一个含有等分刻度多值量具,是以尺面上任意两条刻线或纹印间垂直距离复现长度高精度基准器和标准器。线纹尺截面形状有X型、H型和U型三种（如图9.1.2所表示）。,第23页,图9.1.2 X型、H型和U型线纹尺,(a)X型；(b)H型；(c)U型,第24页,（1）标准玻璃线纹尺。,标准玻璃线纹尺分为1等和2等,采取光学玻璃F,6,制成,在使用中为了保护刻线清楚,附有一样大小保护玻璃。因为1等和2等线纹尺担负着对高精度测量仪器和精密机床量值传递,所以对线膨胀系数、稳定性及准确度都有较高要求。,（2）标准金属线纹尺。,标准金属线纹尺分为1等、2等和3等。1等和2等标准金属线纹尺横截面为H型。1等和2等标准金属线纹尺推荐使用殷钢或低炭钢（镀镍或镀铬）制造。3等标准金属线纹尺主要用来检定钢直尺、管尺等低精度线纹计量器具。,第25页,3.角度标准器正多面棱体、多齿分度台和角度块,角度和长度相比有本质上不一样,一个整圆所对应圆心角是360,这就是客观存在角度自然基准,经过等分圆周能够得到任意大小角度。角度标准器有正多面棱体、多齿分度台和角度块。,1）正多面棱体,多面棱体是一个惯用圆分度标准器,它以棱体圆柱面上各工作面法线所组成夹角为工作角（如图9.1.3所表示）。各相邻工作面法线间夹角名义值相同多面体,称为正多面体。在角度计量中,普通只用正多面棱体。,第26页,图9.1.3 正多面棱体,第27页,多面棱体结构简单,使用方便;使用中不要求与被测件严格同心;棱体本身含有圆周封闭特征,轻易取得较高测量精度。,正多面棱体主要用于检定测角仪、光学分度头、低精度多齿分度台等仪器分度误差。正多面棱体惯用规格有8、12、24、36和72面,依据制造精度（偏差大小）和检定准确度高低分为1级正多面棱体和2级正多面棱体。,第28页,2）多齿分度台,多齿分度台是一个端面齿盘,齿形大多为梯形,齿数有360、720、1440个等。一对齿盘在一定轴向力作用下到达紧密啮合,因为多齿啮合平均效应特点,对齿盘各齿分度误差有平均作用,因而能够到达高分度精度。装有齿盘分度台称为多齿分度台。多齿分度台是准确度较高角度量值标准器。多齿分度台依据最大间隙误差大小,通常分为0.2级、0.5级和1级三个级别,各级允许偏差分别为0.2、0.5和1。,第29页,图9.1.4 角度块,第30页,3）角度块,角度块是一个精密标准角度量具,普通是钢制棱形块（如图9.1.4所表示）,它以相邻两个工作面夹角组成工作角。因为两工作面存在形状误差,所以将两工作面中部与交棱相垂直两直线夹角定义为角度块工作角。角度块是游标角度规、光学角度规及角度样板标准器。通常使用角度块有三种：库什尼克夫型角度块、约翰逊型角度块和NPL型角度块。库什尼克夫型角度块适合于角度规内角检定,我国生产角度块都属于这种类型。这类角度块在使用中,除了单块使用外,也能够由多块进行组合使用。为了便于使用,与长度量块一样,角度块也由各种不一样工作角角度块组合成套。通常使用成套角度块有7块组、36块组和94块组三种规格。成套角度块附有专用夹持器、销丁和直角尺等。,第31页,4.平面度标准器平晶,平晶既是用来传递表面平直度量值标准器,也是用来直接评定工件平面度工作计量器具。平晶按形状分为圆柱形和长方形两种,按准确度等级分为标准平晶、1级平晶和2级平晶。,5.粗糙度标准器单刻线样板和多刻线样板,粗糙度标准器分为单刻线样板和多刻线样板。单刻线样板主要用于检定干涉显微镜示值误差。多刻线样板主要用于检定光切显微镜示值误差和触针式电动轮廓仪示值误差。,第32页,9.1.4 几何量量具和计量仪器,1.通用量具,1）游标量具,游标量具是应用游标读数原理进行读数测量器具。游标量含有游标卡尺、高度游标卡尺、深度游标卡尺及厚齿游标卡尺等。用于测量内、外直径,长度、深度和高度尺寸以及厚齿等。,2）测微量具（螺旋副量具）,测微量具是应用螺旋副传动原理进行读数测量器具。其原理是利用精密测微螺杆与螺母配合,将螺杆旋转运动变为直线运动,并利用直线移动量与旋转角之间正比关系进行读数。,第33页,测微量具除最惯用外径千分尺之外,还有内径千分尺、深度千分尺、公法线千分尺等。加上杠杆齿轮转动机构还能够组成杠杆千分尺。另外,在不少测量仪器中,也利用这种精密螺旋副作为读数装置,如大、小工具显微镜,万能测长仪工作台移动读数装置,双管显微镜中目镜读数装置等。为了确保精密螺杆精度,这类量具量程只有25 mm。,3）表类量具,表类量具借助于杠杆、齿轮、齿条等传动放大机构,将测杆微小直线位移转变为指针角位移,最终由刻度盘读出对应示值。表类量具与仪器相比,有轻、小、简、廉等特点,不需附加电源、光源或气源等装置,因而在生产中应用很广。,通常使用表类量含有百分表、杠杆百分表、内径百分表等。,第34页,4）角度量具,惯用角度量含有直角尺、方箱、正弦尺和水平仪。,直角尺是检验和划线中惯用量具,在安装和调整设备时,用来检验零部件相关表面相互垂直度,也用于量具、量仪检定工作。直角尺按结构形式可分为圆柱角尺、刀口形角尺、矩形角尺、铸铁角尺及宽座角尺等五种。,方箱是一个含有六个工作面正方体,由铸铁或钢材制成外形。方箱内为空腔,其中一面有V型槽。方箱主要用于机械零件平行度、垂直度检验及划线。,第35页,正弦尺是利用正弦原理测量工件角度和圆锥度间接测量惯用量具。它结构简单,使用方便,对小角度测量能够到达较高准确度。,水平仪是用来测量水平位置或垂直位置微小角度偏差一个量具。惯用于检验和调整设备安装水平位置和垂直位置,也能够用来测量机床导轨直线度、平面度、平行度,以及测量平板、平尺平面度等。,5）平直量具,惯用平直量含有平板、样板直尺和平尺。,平板在量具检定、精密测试及划线中作为基准定位面或辅助工具。平板有钢制平板和岩石平板两种。,第36页,样板直尺是以光隙法检定精密平面直线度及平面度量具,也能够用光隙法与量块比较测量零件尺寸。样板直尺分刀口直尺、三棱直尺及四棱直尺三类。,平尺是用来测量工件直线度和平面度量具,普通与水平仪结合使用。平尺按结构可分为矩形平尺、工型平尺及桥型平尺三类。,2.专用量具,量规是一个没有刻度专用检验工具。用量规检验零件时,只能判断零件是否合格,而不能给出详细数值。量规结构简单,使用方便可靠,检验效率高,所以在机械制造中得到广泛应用。,第37页,通常使用量规有检验孔、轴光滑极限量规、直线尺寸量规（包含高度规和深度规）、形状位置量规、键槽量规、花键量规及螺纹量规等。,3.机械式量仪,机械式量仪主要指用于长度和角度测量纯机械仪器。这类测量仪器结构简单,调整方便,精度也能满足部分被测工件或器具要求,所以至今依然被广泛应用,如各种机械式比较仪、测微仪、直角尺检定仪、水平检定器等。,第38页,4.光学式量仪,光学式量仪是利用光学原理与机械原理相结合设计仪器。这类仪器在医疗卫生、环境监测、航空航海、天文气象、大地测量、桥梁建筑、机械加工等领域得到了广泛应用。,光学式量仪按用途可分为长度测量仪、线纹测量仪、角度测量仪、平面度测量仪;按光学系统可分为自准直式、显微镜式、光波干涉式和投影式。,自准直式光学量仪有目镜式自准直仪,光电准直仪,测微平行光管,立、卧式光学计。,显微镜式光学量仪有测长机、测长仪、工具显微镜、光学分度头、测角仪等。投影式光学量仪有立、卧式投影仪。,第39页,光波干涉式光学量仪有接触式干涉仪、干涉显微镜、等厚干涉仪、等倾干涉仪等。,5.电动式量仪,电动式量仪是基于电学原理,将被测参量转换为电信号,再经过电子线路放大或运算,最终进行显示或打印处理计量仪器。这类仪器含有使用方便、效率高、适应性强等突出特点。,电动式量仪按用途分为电动测微仪、电动轮廓仪、圆度仪、三坐标测量机等;按传感器原理可分为电感式、电容式、电压式、光栅式等;按电路原理可分为模拟式和数字式。,第40页,6.气动式量仪,气动式量仪是以压缩空气为介质,靠气动系统状态改变（压力或流量）实现对被测参量转换。气动式量仪可分为压力式气动量仪和流量式气动量仪两类。气动式量仪含有结构简单、轻易制造、使用维护方便等特点,可实现多参数、不接触、远距离测量,易于和电测量仪、电子控制系统组合,实现自动化测量。,9.1.5 长度尺寸计量,在几何量计量中,长度尺寸是最基本、最主要参数。因为长度尺寸处于被测对象之中,而被测对象大小不一、种类繁多,即使同一个被测对象,有时也含有多个被测尺寸,所以长度尺寸测量方法是各种多样。长度尺寸计量主要包含轴径、孔径、大尺寸和微小尺寸测量。,第41页,1.轴径测量,对于轴径测量,在大批量生产车间,为提升检验效率,多采取极限量规（卡规）来检验;对于单件或小批量生产通常采取游标卡尺、外径千分尺、指示千分尺等测量工具。当被测对象精度要求较高时,可选取机械式比较仪、测长仪、万能工具显微镜等量仪测量。,2.孔径测量,孔径测量和轴径测量相同,不过孔和轴比起来,孔径测量更困难,尤其是小孔、深孔、盲孔等,难度更大。比如,对于直径小于3 mm深孔,当采取接触式测量仪时,测头直径必须比孔径还要小,这时,测杆弹性变形会造成很大测量误差。,第42页,在大批量生产车间,多采取极限量规（塞规）来检验;对于单件或小批量生产,则多采取游标卡尺、内径千分尺和内径指示表等量具测量。当被测对象精度要求较高时,可选取浮标式气动量仪、卧式光学计、万能工具显微镜、卧式测长仪、表面反射式测量仪、小孔径干涉测量仪等量仪测量。,3.大尺寸测量,大尺寸测量普通指500 mm以上长度测量。在大尺寸测量过程中,测量方法和测量精度问题显得更为突出,出现误差规律也和普通尺寸有所不一样。影响测量精度主要误差通常有温度误差、量仪误差、量具或被测对象因自重引发变形误差等。,第43页,其中,温度误差影响最为显著,所以,在测量中,应尽可能防止量仪与被测对象温度差。大尺寸测量方法可分为直接测量法和间接测量法,利用大尺寸内、外径千分尺、卡尺等量具进行测量属于直接测量,采取辅助基准法、弦高法和经纬仪法等进行测量属于间接测量。,4.小尺寸测量,伴随科学技术和工业生产发展,产品小型化和微型化越来越成为一个主要分支,因而微小尺寸测量也越来越多,被测对象也越来越多样化,精度要求也越来越高。比如集成电路中氧化层厚度、计算机中磁头与磁盘间微小间隙等。小尺寸测量方法有激光衍射法和激光能量法等。,第44页,9.1.6 角度和锥度计量,角度是组成机械零件一个主要几何参数,角度计量在几何量计量中有着主要地位。角度计量将被测角度与标准角度相比较,从而得到被测角度实际值或偏差值。标准角度能够是仪器度盘及其细分度,也能够是标准器件。角度计量方法分为直接测量、间接测量和组合测量,直接测量又可分为绝对测量和相对测量。,1.直接测量法,角度直接测量,实质上是用圆周角或其它标准角度与被测角度相比较,直接读出被测角实际值。,第45页,用于直接测量角度量具和量仪很多,如机械式万能角度尺、光学象限仪、光学式或光栅式分度头、测角仪等,以及一些通用测量仪上角度测量装置,如工具显微镜上分度工作台、分度头和测角目镜等都可对被测角度进行直接测量。普通角度能够用机械式角度尺测量,较高精度角度可用工具显微镜、光学分度头和测角仪测量。,2.间接测量法,角度间接测量是依据角度和长度之间存在着一定函数关系,对一些较复杂工件角度,用直接测量较困难时,可直接测量若干个长度量,再经过角度与长度之间函数关系将被测角度计算出来。惯用量含有正弦尺、滚柱或钢球。,第46页,3.小角度测量,对于小角度,普通是指10以下,几分甚至几秒角度。在对角度相对测量中,常需要测出被测角度相对于标准角度微小偏差,实际上该角度微小偏差便是微小角度测量,所以,小角度测量是角度测量中很主要一部分内容。实现小角度测量方法,主要有正弦法、水准法、反射法等。正弦法测量小角度是在正弦臂为一定长度情况下,其一端转过小角度与另一端位移量成正比,利用测量长度方法求得小角度值。如正弦尺、小角度发生器、激光小角度测量仪等都是应用正弦法测量小角度器具。水准法测量小角度是用水平仪对水平或垂直被测物实现相对于水平面或垂直面倾斜角。反射法测量小角度是用光学自准直仪（或光电自准直仪）对含有较高反射率被测物测量。,第47页,9.1.7 形状和位置误差计量,形状和位置误差是指被测实际要素对其理想要素变动量。因为形状和位置误差不但与被测要素相关,而且与理想要素方向和位置相关,所以形状和位置误差计量比较复杂。形状和位置误差包含直线度误差、平面度误差、圆度误差、轮廓度误差。,1.直线度误差测量,直线度误差测量方法有光隙法、测微仪法、平晶基准法和光束基准法。光隙法是用刀口尺作为理想直线测量直线度误差一个方法,这种方法通惯用于对尺寸较小磨削或研磨表面进行测量。测微仪法通常以平板、导轨或平尺作为测量基准,理想直线由直尺、平台或导轨等形成。,第48页,在测量高精度光亮表面直线度误差时,可采取平晶基准法,它是直接测量法中精度最高一个方法。光束基准法是以一几何光束作为测量基准进行直线度误差测量一个基准方法。采取这种方法时,使用仪器普通有两种,准直望远镜和激光准直仪,在精度要求较高时,可用激光准直仪测量。,2.平面度误差测量,平面度误差是指被测表面对其理想表面变动量。平面度误差测量可分为直接测量法和间接测量法。直接测量法多用于尺寸较小平面或尺寸较大但精度要求不高平面,间接测量法适合于精度要求较高大平面平面度误差测量。,第49页,对于尺寸较小,精度要求较高被测表面可采取平晶基准法进行测量。这种方法以高精度光学平晶工作面作为基准平面,使其与被测表面直接接触,依据平晶上观察到干涉条纹弯曲程度或条纹数目能够评定被测表面平面度误差。光平面基准法是用由光束旋转形成光平面作为测量基准面来测量平面度误差一个方法,惯用仪器有经纬仪、平面扫描仪等光学仪器。平晶基准法和光平面基准法都属于直接测量法。,惯用间接测量法有水平面基准法和对角线法。水平面基准法用水平仪类仪器进行测量,其测量基准平面为经过被测表面上某给定点且与水平面平行几何平面。,第50页,用对角线法测量平面度误差时,不存在基准平面,而是以准直光束为基准直线,以此来测量一些截面上直线度误差,然后依据不一样截面上各测点之间关系,把相对于各自基准直线直线度误差值转换成相对于一个基准平面平面度误差值。这种方法惯用仪器为自准直仪类仪器。,3.圆度误差测量,圆度误差是实际圆轮廓度对理想圆变动量。测量圆度误差时常使用方法有比较检验法、特征参数测量法和坐标测量法等。,第51页,比较检验法是把被测圆轮廓直接与标准圆（如标准圆图形、标准半球、标准圆盘、钢珠等）进行比较。惯用方法有投影仪法和测微仪比较法。投影仪法适合用于被测工件比较小且边缘较规整情况,在测量大型工件圆度误差时,可采取测微仪比较法。,特征参数测量法是在理论上假定被测圆轮廓含有某种正弦波动性,但实际上,被测表面情况是很复杂,所以基于这种假定所测得圆度误差值是一个近似值。不过因为这种测量方法简单、方便,尤其是对一些大尺寸工件,更显示出其优越性,所以在精度要求不太高情况下,这种方法被广泛应用。,第52页,极坐标测量法又称半径测量法,是经过被测横截面实际轮廓与某点绕轴心回转时所形成测量基准圆沿半径方向进行比较来反应被测工件圆度误差一个方法。测量时,被测圆轮廓中心与仪器回转中心同心,被测圆轮廓相对测量基准圆在半径方向改变量可由传感器测得。用极坐标测量法测量工件专用仪器是圆度仪,用圆度仪测量圆度误差,不但测量精度高,而且测量效率高,还能够取得被测圆轮廓上全部误差成份。在没有圆度仪且测量精度要求不高情况下,可利用通用仪器,如光学分度头和带有转台仪器进行测量。,第53页,4.轮廓度误差测量,轮廓度误差分为线轮廓度误差和面轮廓度误差,面轮廓度误差测量通常是以线轮廓度误差测量为基础。惯用线轮廓度误差测量方法有样板检验法、投影比较法和坐标测量法等。,用作检验标准样板有间隙式样板和叠合式样板。间隙式样板工作轮廓外形与被测轮廓外形相反,而叠合式样板工作轮廓外形与被测轮廓外形一致。,用间隙式样板测量线轮廓度误差时,误差值大小是用测量样板轮廓外形与被测轮廓间缝隙大小来取得。用叠合式样板测量线轮廓度误差时,要使样板工作面紧贴于被测工件上且使两轮廓同向,取被测轮廓相对样板轮廓最大偏离量两倍作为线轮廓度误差值。,第54页,对于工件尺寸较小且边缘整齐轮廓,可采取投影比较法测量,其测量方法与用投影法测量圆度误差方法相同。测量时,用预先绘制好极限轮廓图与被测轮廓放大影像进行比较,被测轮廓影像位于极限轮廓之内时,为合格。,坐标测量法有极坐标测量法和直角坐标测量法。对于平面回转类工件线轮廓度误差,理想轮廓通常可用极坐标形式表示,可采取极坐标测量法。直角坐标测量法不但可用来测量各种回转类工件线轮廓度误差,而且可用来测量其它类型工件线轮廓度误差。这种方法所使用仪器有各种工具显微镜和坐标测量机。,第55页,9.1.8 表面粗糙度计量,一个实际加工表面通常包含表面形状误差、波度和表面粗糙度三种成份。表面粗糙度计量就是要从实际加工表面中测取表面粗糙度,并用适当评定参数进行评定。在机械加工过程中,因为刀痕、切屑分离时塑性变形、工艺系统中高频振动以及刀具与被加工表面摩擦等原因,致使在被加工表面上留下微观加工痕迹,使被加工表面产生微小峰谷,这些微小峰谷和间距所组成微观几何形状称为表面粗糙度,表面粗糙度又称为微观几何形状误差。表面粗糙度计量方法各种多样,经典计量方法有标准样板比较法、光切法、干涉法、针描法、激光反射法等。,第56页,(1)标准样板比较法:是将被测表面与已知其评定参数值粗糙度样板相比较,如被测表面较光滑时,可借助于放大镜、比较显微镜等进行比较,以提升检测精度。比较样板选择应使其材料、形状和加工方法与被测表面尽可能相同。这种方法简便实用,但测量精度较低,只能作为比较检验和定性分析,适合于大批量生产中较粗糙表面检验。,(2)光切法:是采取平面光照明,并利用显微镜放大被测表面轮廓来测量表面粗糙度一个方法,主要适合用于测量加工纹路比较规则且显著表面,还可用来观察木材、塑料和电镀层表面。依据光切原理设计仪器称为光切显微镜,又称双管显微镜。,第57页,(3)干涉法:是利用光波干涉原理,把被测表面微观轮廓转换成对应弯曲干涉条纹,并利用显微镜放大作用测量其表面粗糙度一个方法。依据干涉法设计制造仪器称为干涉显微镜。,(4)针描法:是一个接触式测量方法。测量时,仪器触针在被测表面上轻轻地划过,被测表面微观起伏将使触针作垂直方向位移,其位移量经机械、电子或光学装置加以放大,再由计算机处理显示出被测表面粗糙度评定参数值,或由统计器绘制出被测表面轮廓误差图形。针描法经典仪器是轮廓仪。,第58页,(5)激光反射法:当激光以一定角度照射工件表面时,除了一部分光被吸收以外,大部分被反射和散射,反射光与散射光强度及其分布与被照射表面微观不平度情况相关。反射光较为集中,形成光斑,散射光则分布在光斑周围形成较弱光带。光洁表面,光斑较强、光带较弱且宽度较小,粗糙表面则光斑较弱、光带较强且宽度较大。,9.1.9 螺纹计量,为了确保螺纹几何精度,必须对螺纹进行计量,普通螺纹几何参数计量方法分单项计量与综累计量。,第59页,螺纹综累计量是用光滑极限量规和螺纹量规检验螺纹在各参数含有误差情况下,能否确保交换性要求。这种方法只能判断被测螺纹是否合格,而不能得出螺纹参数详细数值。综累计量优点是计量效率高,操作简单,使用方便,适合用于大批量生产。,单项计量是对螺纹各种参数如中径、螺距、牙型半角等参数分别进行计量,主要用于精密螺纹,如螺纹量规、测微螺杆及精密丝杠等。在加工过程中,为分析工艺原因对各参数加工精度影响,也要进行单项计量。单项计量主要用于单件、小批量生产。单项计量螺纹各参数计量器具很多,最惯用是工具显微镜。,第60页,9.1.10 齿轮计量,为了确保齿轮传动质量和进行齿轮加工精度工艺分析,需要对齿轮加工误差进行测量。齿轮误差测量方法主要分为单项测量和综合测量。,单项测量是对被测齿轮单个被测项目分别进行测量,用于测量齿轮单项误差。,综合测量是在被测齿轮与理想准确测量齿轮相啮合状态下进行测量,经过测得数据或统计曲线,就能够综合判断被测齿轮精度是否合格。综合测量多用于批量生产齿轮检验。,第61页,9.2 温度计量,9.2.1 温度概念,在取得定量温度量值之前很长历史时期内,人类只是凭感觉定性地知道冷暖和一年四季寒暑改变。日常生活中,人们通惯用温度来表示物体冷热程度。这种表示方法是建立在主观感觉基础上,感觉越热,温度越高;反之,感觉越冷,温度越低。这种经过触摸物体来判断物体温度高低只是定性地了解,不能揭示物体实质。,第62页,要准确地、定量地定义温度,必须与热平衡状态联络起来。伴随热力学发展,温度才有了科学定义。在热力学中,热力学系统在发生热量交换条件下到达平衡态,叫做热平衡。热力学第零定律（温度存在定律）指出,假如两个热力学系统分别与第三个热力学系统处于平衡态,则这两个热力学系统彼此也必定处于热平衡。从热力学第零定律能够推证,互为热平衡系统含有一个数值相等状态函数,这个决定系统热平衡状态函数,定义为温度,即温度是表征热平衡系统冷热程度物理量。一切互为热平衡系统都含有相同温度。实质上,温度反应了物体分子无规则热运动猛烈程度,是物体分子运动平均动能大小标志,分子运动平均动能越大,分子运动越猛烈,物体温度越高,在宏观上即表现为物体越热。,第63页,9.2.2 温标,世界上第一支温度计是1597年由伽利略（G.Galileo）创造。最早创造而且有主要意义温度计是1641年意大利Ferdinand创造封口式玻璃酒精温度计,它含有温度计雏形,但因为当初还没有温标,这支温度计也就因为没有温标为依据而被淘汰。,温标是温度量值表示法,只有在确定温标之后,温度计量才有实际意义。要确定温标,首先应要求一系列恒定温度作为固定点。通惯用纯物质三相点、沸点、凝固点和超导转变点等作为温度计量固定点,并赋予固定点一个确定温度。,第64页,然后选择一个随温度改变而呈线性或一定函数关系改变物理参量作为温度指示标志。这么,由固定点、标准温度计（测温物质）以及内插公式便组成了温标主要内容,通常称为温标三要素。,温标种类很多,历史上曾出现过华氏温标、列氏温标、摄氏温标等经验温标,还有以热力学理论为基础热力学温标和便于实测国际温标。,第65页,1.华氏温标,17,德国华林海特（G.D.Fahrenheit）不但制造出了水银温度计,而且第一次提出了自己温标,以后被人们称为华氏温标。起初华林海特是将冰水加盐混合液体温度作为0,把人体温度作为100,以这两个点为标准。以后改为水冰点为32,水沸点为212,在二者中间分180等份,形成了华氏温标。,2.列氏温标,1730年法国列奥缪尔（Reavmur）提出:将水冰点作为0R,将水沸点作为80R，创建了列氏温标。,第66页,3.摄氏温标,1742年瑞典摄尔萨斯（A.Celsius）提出了摄氏温标,他原来方案是以水沸点为0,水冰点为100。第二年法国人克里斯丁（Christian）把两个温度倒过来,水冰点为0,水沸点为100,二者之间分100等份,就成了沿用至今摄氏温标。,4.热力学温标,1848年,英国开尔文（L.Kelvin）提出了以热力学第二定律为基础热力学温标,即以热力学定律中卡诺原理作为热力学温标理论依据。华氏、列氏和摄氏温标都与特定物质相关,热力学温标则与特定物质性质无关,并以水三相点为基准,所以含有稳定性、唯一性、复现性和客观性。热力学温度也称为绝对温度,单位为开尔文（K）。,第67页,5.1990年国际温标(ITS-90),1990年国际温标（International Temperture Scale-1990）,简称ITS-90,是从一系列早期国际温标演变而来,从1990年起代替1968年国际实用温标(IPTS-68)。由热力学温标过渡到国际温标主,要有两方面原因：一是采取气体温度计即使能够高精度地测出热力学温度,但操作非常复杂,很不实用;二是气体温度计准确度虽高,但精密度和复现性却很差,而标准电阻温度计和标准热电偶温度计等在准确度、精密度和复现性三方面都很优越。实质上,国际温标就是热力学温标。,第68页,1954年第十届国际计量大会正式决定,以水三相点为273.16 K作为基本定点来定义热力学温度。水三相点是确定热力学温度单位唯一定义定点,同时它也是ITS-90定义定点之一。图9.2.1是实现水三相点容器示意图。,我国是从1991年7月正式执行1990年国际温标(ITS-90),