精密测试技术第1章__精密测量技术概论

§1-2 测量的基本概念
第一章 精密测量技术概论
一、计量学与测量的有关概念
JJG 1001-91通用计量名词及定义，计量学是有关测 量知识领域的一门学科。既属于自然科学，又属于 社会科学（双重属性）。量学研究的内容包括：
（l）计量单位及其基准、标准的建立、复制、保 存和使用；
（2）量值传递、计量原理、计量方法、计量不确 定度以及计量器具的计量特性；
§1-2 测量的基本概念
第一章 精密测量技术概论
5、计量器具的分类
计量器具是测量仪器和测量工具的通称，通常 按结构特点及原理分为：量具、量规、计量仪器 和计量装置 。
(1) 量具
量具是指以固定形式复现量值的计量器具。
包括单值量具（量块、直角尺） 多值量具（钢板尺、多面棱体）
量具一般没有可动的结构，不具有放大功能。
b 用弓高弦长法间接测量
圆弧样板的半径R
R s2 h 8h 2
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第一章 精密测量技术概论
(2) 按仪器读数是否为被测量的完整值分类
绝对测量：仪器读数即为被测量的完整值。
•
如游标卡测量
相对测量仪器读数为被测量相对于标准量的偏差
例如机械比较仪、光学比较仪
(3)按测量时工件与测头是否接触分类 接触测量：计量器具的测头与被测表面接触 非接触测量： 测头不与被测表面接触
第一章 精密测量技术概论
(3) 计量仪器
计量仪器是指能将被测几何量的量值转换成 可直接观测的示值 或等效信息的计量器具。计量 仪器按原始信号转换的原理可分为以下几种。
⑴ 机械式量仪 ⑵ 光学式量仪 ⑶ 电动式量仪 ⑷ 气动式量仪
用机械方法实现原 用始光信学号方转法换实的现量原仪 始将信原号始转信换号的转量换仪 为电量形式的量仪 用压缩空气实现原 始信号转换的量仪
（3）计量人员进行计量的能力； （4）计量法制和管理； （5）有关计量的一切理论和实际问题。
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第一章 精密测量技术概论
有关测量的几个术语：
测量、测试、检验、检定及比对
这几个名词都是计量学所表现的具体方式。
测量：是以确定量值为目的的一组操作，也就是为 确定被测对象的量值而进行的实验过程。
但我国习惯上将千分尺、游标卡尺等简单的测量仪
器也称为“通用量具”。
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(2) 量规
量规是指没有刻度的专用计量器具。特点： 只能判定被检验工件是否合格，不能得到工 件的具体数值。
如光滑极限量规、螺纹量规位置量规等检 验。
卡规
塞规
螺纹量规
§1-2 测量的基本概念
当 l 1000mm φ 10 0.00005rad
则 Δ 0.001μm
万工显分析 阿贝比长义
§ 1—3 拟订测量方法时应考虑的问题第一章 精密测量技术概论
2、圆周封闭原则
同一圆周上所有分度夹角之和等于360°，或 同一圆周上所有夹角误差之和等于零。
比对：在规定的条件下，对相同不确定度等级的
同类基推、标准或工作用计量器具之间的量值进行 比较的过程。
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第一章 精密测量技术概论
二、测量过程及测量四要素
测量是以确定量值为目的的全部实验操作。 测量过程实际上就是一个比较过程，也就是将被 测量L与标准的单位量u进行比较，确定其比值K 的过程 ,即可表示为：
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第一章 精密测量技术概论
根据获得测量结果的方式，从不同角度进 行分类。 （1）、按实测量x是否为被测之量y 分类
直接测量 从测量器具上获得的读数即为被测量大 小。 即 y = x。如用游标卡尺、千分尺测量轴径。
间接测量 先测出实测量，然后按相应的函数关系换
算被测量即 y=f (x1 ,x2······)
(2) 标尺分度值(i) 分度值指计量器具标尺 或分度盘上每一刻度间距所 代表的量值。
放大倍数：k=a / i
§1-2 测量的基本概念
(3)标尺示值范围(B)
计量器具所能显示 的被测几何量起始值到终 止值的范围 。
(4)测量范围(L)
计量器具在允许 的误差限内所能测出 的被测几何量下限值 到上限值的范围。
在测量结果19.98上应加上＋0.02才能消除该误差
结论：修正值＝－示值误差
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(7) 测量重复性
在相同的测量条件下，对同一被测量进行多次测 量时，各测量结果之间的一致性。反映了测得值中 随机误差的大小。
§ 1—3 拟订测量方法时应考虑的问题 第一章 精密测量技术概论
钱学森
§1-1 精密测量的意义与发展 第一章 精密测量技术概论
测量技术是工业发展的基础，高科技的工业 一刻也离不开测量技术。
千分尺的出现， 使加工精度达到了 0.01mm
§1-1 精密测量的意义与发展 第一章 精密测量技术概论
测微比较仪的出 现，使加工精度达
到了1 μm
§1-1 精密测量的意义与发展 第一章 精密测量技术概论
k=a / i
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(6) 示值误差与修正值
示值误差：指计量器具上的示值与被测 的真值的 代数差。是wk.baidu.com量结果中的系统误差之一 。
修正值：是指为了消除或减少系统误差，用代数法 加到未修正测量结果上的数值。
例如：千分尺测量20mm量块，读数为19.98mm 示值误差＝19.98－20＝－0.02
测量方法是测量过程四要素之一，但在实际上 它是测量过程的核心部分。对于完善的测量方法， 应该是： 1、被测对象的特性和精度要求采用相应的标准量； 2、通过一套合理的结构系统来实现两者的比较； 3、满足测量精度的要求。 因此，测量方法是整个测量过程的综合体现。
§ 1—3 拟订测量方法时应考虑的问题第一章 精密测量技术概论
§ 1—3 拟订测量方法时应考虑的问题第一章 精密测量技术概论 (1)并联排列方案
Δ s tan φ
当 s 100mm φ 10 0.00005rad
则 Δ 5μm
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(2)串联排列方案
Δ l(1 cos φ) l φ2 2
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(4)按工件上 被测参数多少分类 单项测量：对工件上的各被测量进行独立测量 综合测量: 检测零件几个参数的综合效应
(5)、按测量在工艺过程中所起作用分类
主动测量 在加工过程中进行的测量。其测量 结果直接用来控制零件的加工过程
被动测量 加工完成后进行的测量。其结果仅 用于发现并剔除废品，所以被动测量又称消极 测量。
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(4) 计量装置
计量装置是指为确定被测几何量量值所必需的 计量器具和辅助设备的总体。
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6、计量器具的1技－2术.5 指标
. (1) 标尺刻度间距 (a)
计量器具标尺或分度盘上相 邻两刻线中心之间的距离或 弧长 。为适于人眼观察， 一 般为1-2.5mm
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4、测量精度(不确定度)
测量精度表示测量结果与真值的一致程度。 不考虑测量精度而得到的测量结果是没有任何 意义的。真值的定义为：当某量能被完善地确 定并能排除所有测量上的缺陷时，通过测量所 得到的量值。
由于测量会受到许多因素的影响，其过 程总是不完善的，即任何测量都不可能没有误 差。因此对于每一个测量值都应给出相应的测 量误差范围，说明其可信度。
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(5)灵敏度(S)
指计量器具对被测量微小变化的响应能力。若被 测 量 的 变 化 为 △x ， 引 起 计 量 器 具 的 响 应 变 化 为 △L，则灵敏度S为：
S = △L /△x
当式中分子和分母为同种量时，灵敏度即放大 倍 数。
3、测量方法
测量方法是根据一定的测量原理，在实施测量 过程中对测量原理的运用及其实际操作。
广义地说，测量方法可以理解为测量原理、测 量器具和测量条件（环境和操作者）的总和。
在实施测量过程中，应该根据被测对象的特点 （如材料硬度、外形尺寸、生产批量、制造精度、 测量目的等）和被测参数的定义来拟定测量方案、 选择测量器具和规定测量条件，合理地获得可靠 的测量结果。
一、两个重要的测量原则
在几何量测量中，有两个重要的测量原则．即长度 测量中的阿贝原则和圆周分度测量中的封闭原则。
1、阿贝测长原则
在长度测量中，将被测量与标准量沿同一直线 排列，即采用串联排列形式。
阿贝原则是1890年德国人艾思斯特·阿贝提出的 指导性的原则，可以减小测量时，测量装置（工作 台）移动方向不正确产生的误差。
d
L
α
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2、测量单位 我国法定计量单位对长度和角度单位做 了规定：
长度： 基本单位 米（m） 常用单位 毫米（mm） 微米（μm） 纳米（nm）
角度： 基本单位 弧度（rad ） 常用单位 度（°） 分（′） 秒（″）
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第一章 精密测量技术概论
精密测试技术
第一章 精密测量技术概论
§1-1 精密测量的意义与发展 §1-2 测量的基本概念 §1-3 拟定测量方法时应考虑的几个问题 §1-4 测量方法的选用实例 §1-5 测量不确定度
教学目标：
第一章 精密测量技术概论
本章阐述精密测量的意义和测量技术 的发展，测量的基本概念、拟定测量方案 时应考虑的一些主要因素；包括阿贝原则 和封闭原则，给出测量方案拟定的应用举 例。通过学习本章内容，使大家对精密测 量技术有一个概貌的了解，为学习后面章 节的内容奠定基础。
测试：是指具有试验性质的测量。也可理解为试验
和测量的全过程。
检验：是判断被测物理量是否合格，通常不一定要
求测出具体值。因此检验也可理解为不要求知道具体
值的测量。检验的主要对象是工件（通常用量规）。
§1-2 测量的基本概念
第一章 精密测量技术概论
检定：为评定计量器具是否符合法定要求所进行
的全部工作，它包括检查、加标记和出具检定证书。 检定的主要对象是计量器具。
集成电路的线条宽度已达到0.1微米以下，如果 缺陷的直径大小为1个微米或者是0.5个微米，一个 电路片上有一个缺陷就会导致整个片子失效，这对 集成电路的尺寸测量将非常重要。
§1-1 精密测量的意义与发展 第一章 精密测量技术概论
精密测量技术的主要发展方向：
1、新技术和新的测量原理的应用 2、高精度，如芯片测量精度1-10纳米 3、高速度 4、测量方式多样化 5、小型化、集成化 6、标准化
L Ku
此式测量的基本方程式。它说明被测值L等于所采
用的长度单位u与测量比值K的乘积。如游标卡尺测轴
d 10.62mm
§1-2 测量的基本概念
第一章 精密测量技术概论
一个完整的测量过程应包含被测对象、计量 单位、 测量方法（含测量器具）和测量精度等 四个要素。
1、被测对象
本课程研究的被测对象是几何量，包括长度、 角度、表面粗糙度、形状和位置误差以及螺纹、 齿轮的各个几何参数等。
有了激光干涉仪，使
测量精度达到0.01 μm
机械工业的发展与精 密测量息息相关。
美国光动公司激光干涉仪
§1-1 精密测量的意义与发展 第一章 精密测量技术概论
在很多领域，精密测量已经成为不可缺少的重要 的组成部分，如半导体芯片的线宽：
我国目前集成电路工艺技术水平在0.35－0.25 微米，而国际上目前的生产技术已达到0.13-0.09微 米，到2022年，硅集成电路技术的线宽可能达到10 个纳米，
§1-1 精密测量的意义与发展 第一章 精密测量技术概论
门捷列夫 (俄罗斯著名化学家 1834-1907)
科学始于测量, 没有测量，便 没有精密的科 学。
门捷列夫
§1-1 精密测量的意义与发展 第一章 精密测量技术概论
开尔文(英国著名物理学家 1824-1907）
当你能够测量你所关注的 事物，而且能够用数量来 描述它的时候，你就对其 有所认识；当你不能测量 它，也不能将其量化的时 候，你对他的了解就是贫 乏和不深入的。 开尔文
为了纪念他在科学上的功绩，国 际计量大会把热力学温标（即绝 对温标）称为开尔文（开氏）温 标，是现在国际单位制中七个基 本单位之一。
§1-1 精密测量的意义与发展 第一章 精密测量技术概论
钱学森(1911- 2009）
信息技术包括测量 技术、计算机技术 和通信技术，测量 技术是信息技术的 关键和基础。