检测技术的基本概念

检测技术的基本概念
典型参数的检测技术
检测技术的练习
检测技术的基本概念
检测的意义
为了满足机械产品的功能要求,在正确合理地完成了可靠性、使用寿命、运动精度等方面的设计以后，还须进行加工和装配过程的制造工艺设计，即确定加工方法、加工设备、工艺参数、生产流程及检测手段。

其中，特别重要的环节就是质量保证措施中的精度检验。

“检验”就是确定产品是否满足设计要求的过程，即判断产品合格性的过程。

检验的方法可以分为两类：定性检验和定量检验。

定性检验的方法只能得到被检验对象合格与否的结论，而不能得到其具体的量值。

定量检验的方法是在对被检验对象进行测量后，得到其实际值并判断其是否合格的方法，简称为“检测”。

检测的核心是测量技术。

通过测量得到的数据，不仅能判断其合格性，还为分析产品制造过程中的质量状况提供了最直接而可靠的依据。

测量的基本要素
一个完整的测量过程应包含被测量、计量单位、测量方法（含测量器具）和测量误差等四个要素。

被测量在机械精度的检测中主要是有关几何精度方面的参数量，其基本对象是长度和角度。

计量单位是以定量表示同种量的量值而约定采用的特定量。

我国规定采用以国际单位制（SI）为基础的“法定计量单位制”。

常用的长度单位有“毫米（mm）”、“微米（μm）”和“纳米（n m）”，常用的角度单位有“度（°）”、“分（′）”、“秒（″）”和“弧度（rad）”、“球面度（sr）”。

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（计量器具）和测量条件（环境和操作者）的总和。

测量误差是被测量的测得值与其真值之差。

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。

从测量的角度来讲，真值只是一个理想的概念。

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。

不考虑测量精度而得到的测量结果是没有任何意义的。

检测的一般步骤
通常情况下，检测应有以下几个步骤：
1、确定被检测项目认真审阅被测件图纸及有关的技术资料，了解被测件的用途，熟悉各项技术要求，明确需要检测的项目。

2、设计检测方案根据检测项目的性质、具体要求、结构特点、批量大小、检测设备状况、检测环境及检测人员的能力等多种因素，设计一个能满足检测精度要求，且具有低成本、高效率的检测预案。

3、选择检测器具按照规范要求选择适当的检测器具，设计、制作专用的检测器具和
辅助工具，并进行必要的误差分析。

4、检测前准备清理检测环境并检查是否满足检测要求，清洗标准器、被测件及辅助工具，对检测器具进行调整使之处于正常的工作状态。

5、采集数据安装被测件，按照设计预案采集测量数据并规范地作好原始记录。

6、数据处理对检测数据进行计算和处理，获得检测结果。

7、填报检测结果将检测结果填写在检测报告单及有关的原始记录中，并根据技术要求作出合格性的判定。

“米”的定义
在国际单位制（SI）及我国法定计量单位中，长度的基本单位名称是“米”，其单位符号为“m”。

1983年第17届国际计量大会又更新了米的定义，规定：“米”是光在真空中在1/299792458s的时间间隔内行进路程的长度。

该定义的特点是把反映物理量单位要领的定义与复现单位的方法分开，使复现精度的提高不受定义的限制。

量块的构成及精度
量块用铬锰钢等特殊合金钢或线膨胀系数小、性质稳定、耐磨以及不易变形的其它材料制成。

其形状有长方体和圆柱体两种，常用的是长方体。

长方体的量块有两个平行的测量面，其余为非测量面。

测量面极为光滑、平整，其表面粗糙度Ra值达0.012μm以上，两测量面之间的距离即为量块的工作长度（标称长度）。

标称长度到5.5mm的量块，其公称值刻印在上测量面上；标称长度大于5.5mm的量块，其公称长度值刻印在上测量面左侧较宽的一个非测量面上，如图5—2所示。

根据标准GB6093—85规定，量块按制造精度的高低分为00、0、1、2、3和K共6级，标准JJG100—91将量块分为1～6等。

量块的“级”和“等”是从成批制造和单个检定两种不同的角度出发，对其精度进行划分的两种形式。

按“级”使用时，
以标记在量块上的标称尺寸作为工作尺寸，该尺寸包含其制造
误差。

按“等”使用时，必须以检定后的实际尺寸作为工作尺寸，
该尺寸不包含制造误差，但包含了检定时的测量误差。

就同一
量块而言，检定时的测量误差要比制造误差小得多。

所以，量
块按“等”使用时其精度比按“级”使用要高，能在保持量块原有
使用精度的基础上延长其使用寿命。

量块的用途
量块因具有结构简单，尺寸稳定，使用方便等特点，在实际检测工作中得到非常广泛的应用。

⑴作为长度尺寸标准的实物载体，将国家的长度基准按照一定的规范逐级传递到机械产品制造环节，实现量值统一。

⑵作为标准长度标定量仪，检定量仪的示值误差。

⑶相对测量时以量块为标准，用测量器具比较量块与被测尺寸的差值。

⑷也可直接用于精密测量、精密划线和精密机床的调整。

量块在使用过程中应注意以下几点：
⑴量块必须在使用有效期内，否则应及时送专业部门检定。

⑵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。

⑶分清量块的“级”与“等”，注意使用规则。

⑷所选量块应用航空汽油清洗、洁净软布擦干，待量块温度与环境湿度相同后方可使用。

⑸轻拿、轻放量块，杜绝磕碰、跌落等情况的发生。

⑹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。

⑺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。

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）传递给予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。

在GB/T9000“质量管理和质量保证”系列标准中，对企业的测量设备（器具）提出了“溯源性”的要求，即测量结果必须具有能与国家计量基准或国际计量基准相联系的特性。

量具、测量仪器和测量装置
量具是一种具有固定形态、用以复现或提供一个或多个已知量值的器具。

按用途的不同量具可分为以：单值量具（如量块、角度量块等）、多值量具（如线纹尺、90°角尺等）、专用量具（如光滑极限量规，螺纹量规，检验样板，功能量规等）、通用量具（如游标卡尺、外径千分尺、百分表等）。

测量仪器是能将被测量转换成可直接观
察的示值或等效信息的测量器具。

如立式光学
比较仪、卧式测长仪、万能工具显微镜等。

测量装置是为确定被测量值所必须的一
台或若干台测量仪器（或量具）连同有关的辅
助设备所构成的系统。

如国家长度基准复现装
置、产品自动分检装置等。

测量器具的技术性能指标
技术性能指标是选择和使用测量器具、研
究和判断测量方法正确性的重要依据，它主要
有以下几项：
1、量具的标称值标注在量具上用以标
明其特性或指导其使用的量值。

如标在量块上
的尺寸，标在刻线尺上的尺寸，标在角度量块上的角度等。

2、分度值测量器具的标尺上，相邻两刻线所代表的量值之差。

如一外径千分尺的微分筒上相邻两刻线所代表的量值之差为0.01mm，则该测量器具的分度值为0.01mm。

分度值是一种测量器具所能直接读出的最小单位量值，它反映了读数精度的高低，从一个侧面说明了该测量器具的测量精度高低。

4、示值范围由测量器具所显示或指示的最低值到最高值的范围。

如机械式比较仪的示值范围为-0.1～+0.1mm（或±0.1mm）。

5、测量范围在允许不确定度内，测量器具所能测量的被测量值的下限值至上限值的范围。

例如，外径千分尺的测量范围有0～25mm、25～50mm等，机械式比较仪的测量范围为0～180mm，如图5—5所示。

6、测量力在接触式测量过程中，测量器具测头与被测量面间的接触压力。

测量力太大会引起弹性变形，测量力太小会影响接触的稳定性。

7、灵敏度反映被测几何量微小变化的能力。

如果被测参数的变化量为ΔL，引起测量器具示值变化量为Δx，则灵敏度S=Δx/ΔL。

当分子分母为同一类量时，灵敏度又称放大比K。

9、示值误差测量仪器的示值与被测量的（约定）真值之差。

示值误差是测量仪器本身各种误差的综合反映。

因此，仪器示值范围内的不同工作点，示值误差是不相同的。

一般可用适当精度的量块或其它计量标准器，来检定测量器具的示值误差。

测量方法分类
测量方法是指测量时所采用的测量原理、测量器具和测量条件的总和。

按所测得的量（参数）是否为欲测之量可分为：直接测量和间接测量；按测量结果的读数值不同可分为：绝对测量和相对测量；按被测件表面与测量器具测头是否有机械接触保分类为：接触测量和非接触测量；按测量在工艺过程中所起作用可分为：主动测量和被动测量；按零件上同时被测参数的多少可分为：单项测量和综合测量；按被测工件在测量时所处状态可分为：静态测量和动态测量；按测量中测量因素是否变化可分为：等精度测量和不等精度测量
以上测量方法的分类是从不同角度考虑的。

对于一个具体的测量过程，可能兼有几种测量方法的特征。

例如，在内圆磨床上用两点式测头在加工零件过程中进行的检测，属于主动测量、动态测量、直接测量、接触测量和相对测量等。

测量方法的选择应考虑零件结构特点、精度要求、生产批量、技术条件及经济效果等。

检测中应遵循的重要原则
为了获得正确可靠的测量结果，在测量过程中，要注意应用并遵守有关测量原则，而阿贝原则、基准统一原则、最短测量链原则、最小变形原则和封闭原则是其中比较重要的原则。

阿贝原则是要求在测量过程中被测长度与基准长度应安置在同一直线上的原则。

基准统一原则是要求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，终结测量应以设计基准作为测量基准。

最短测量链原则是由测量信号从输入到输出量值通道的各个环节所构成的测量链，其环节越多测量误差越大。

最小变形原则是测量器具与被测零件都会因实际温度偏离标准温度和受力（重力和测量力）而发生变形，形成测量误差。

封闭原则是在闭合的圆周分度中，全部角度分量的偏差的总和为零。

在检测封闭圆周中各分量的角度（或弧长）时，根据封闭原则可不需高精度标准，用相对法进行检测。

误差的分类
根据测量误差的性质、出现的规律和特点，可分为三大类，即系统误差、随机误差和粗大误差。

1、系统误差在相同条件下多次测量同一量值时，误差值保持恒定；或者当条件改变时，其值按某一确定的规律变化的误差，统称为系统误差。

系统误差按其出现的规律又可分为定值系统误差和变值系统误差。

2、随机误差在相同条件下，以不可预知的方式变化的测量误差，称为随机误差。

在一定测量条件下对同一值进行大量重复测量时，总体随机误差的产生满足统计规律，即具有有界性、对称性、抵偿性、单峰性。

因此，可以分析和估算误差值的变动范围，并通过取平均值的办法来减小其对测量结果的影响。

3、粗大误差某种反常原因造成的、歪曲测得值的测量误差，称为粗大误差。

粗大误差的出现具有突然性，它是由某些偶尔发生的反常因素造成的。

这种显著歪曲测得值的粗大误差应尽量避免，且在一系列测得值中按一定的判别准则予以剔除。

测量不确定度
由于各种测量误差的存在，采用不同的测量方法、测量器具、测量条件和不同的测量人员，其测得值的可靠性是不同的。

因而引入“不确定度”来定量说明测量的质量。

所谓不确定度就是“表示测量结果中合理赋予被测量值的一个分散性参数”，也就是说“测量不确定度是表征被测量的真值所处量值范围的估计”。

受随机误差和系统误差的影响，不确定度的存在是必然的，即使已修正的测得值也不一定是被测量的真值，因为系统误差不可能完全消除。

已修正的测得值可称为真值的最佳估计。

因测量误差的存在，经过测量和数据处理后得到的测量结果，实质上是对被测量真值的估计。

所以，一个完整的测量结果应包括测量值及其不确定度的说明。

即
L±U
式中L——对已定系统误差进行修正后的测量值；
U——测量的总不确定度。

典型参数的检测技术
安全裕度和验收极限
当采用普通测量器具测量孔、轴尺寸时，由于测量误差的存在，被测尺寸的真值可能大于或小于其测量结果。

因此，如果只根据测量结果是否超出图样给定的极限尺寸来判断其合格性，有可能会造成误收或误废。

而在验收产品时，我们所采用的验收方法应只接收位于规定的尺寸极限之内的工件，位于规定的尺寸极限之外的工件应拒收。

为此需要根据被测件的精度高低和相应的极限尺寸，确定其安全裕度（A）和验收极限。

安全裕度A是测量中总不确定度的允许值（u），主要由测量器具的不确定度允许值u1及测量测量条件引起的测量不确定度允许值u2这两部分组成。

安全裕度A值按被检验工件的公差大小来确定，一般为工件公差的1/10。

国家标准（GB/T3177-1997）对A值有明确的规定。

验收极限是检验工件尺寸时判断其合格与否的尺寸界限。

确定验收极限的方式有内缩方式和不内缩方式。

选择验收方式时应综合考虑被测尺寸的功能要求、重要程度、公差等级、测量不确定度和工艺能力等。

当采用内缩方式时，：
孔尺寸的验收极限：上验收极限=最小实体尺寸（D L）-安全裕度（A）
下验收极限=最大实体尺寸（D M）+安全裕度（A）轴尺寸的验收极限：上验收极限=最大实体尺寸（d M）-安全裕度（A）
下验收极限=最小实体尺寸（d L）+安全裕度（A）
测量器具的选择
测量器具的选择应综合考虑以下几方面的因素：
⑴测量精度：所选的测量器具的精度指标必须满足被测对象的精度要求，才能保证测量的准确度。

被测对象的精度要求主要由其公差的大小来体现。

公差值越大，对测量的精度要求就越低；公差越小，对测量的精度要求就越高。

一般情况下，所选测量器具的测量不确定度只能占被测零件尺寸公差的1/10～1/3，精度低时取1/10，精度高时取1/3。

⑵测量成本：在保证测量准确度的前提下，应考虑测量器具的价格、使用寿命、检定修理时间、对操作人员技术熟练程度的要求等，选用价格较低、操作方便、维护保养容易、操作培训费用少的测量器具，尽量降低测量成本。

⑶被测件的结构特点及检测数量：所选测量器具的测量范围必须大于被测尺寸。

对硬度低、材质软、刚性差的零件，一般选取用非接触测量，如用光学投影放大、气动、光电等原理的测量器具进行测量。

当测量件数较多（大批量）时，应选用专用测量器具或自动检验装置；对于单件或少量的测量，可选用万能测量器具。

圆柱轴径的测量
1、用专用量具和通用量具测量
对于生产批量较大的工件可选用光滑极限量规中的环规、卡规进行检验，判定其是否在合格范围内。

此方法工作效率较高，对使用环境无特殊要求，在生产现场中应用广泛。

对于中、低精度的工件，常使用游标卡尺、外径千分尺、杠杆千分尺等通用量具进行测
量。

2、用立式光学比较仪测量
在立式光学比较仪上测量圆柱轴径属于比较测量，即用量块作为标准尺寸，将仪器调至零位，然后测出被测轴径与量块标准尺寸的差值，求出被测轴径。

3、用立式测长仪测量
在立式测长仪上测量圆柱体轴径，在100mm测量范围内，可进行直接测量，当被测直径大于100mm时，以量块为基准进行比较测量。

4、用万能工具显微镜测量
当在被测圆柱体两端有中心孔时，可在万能工具显微镜上用影像法进行非接触测量。

用影像法测量圆柱体轴径，由于调整光圈的误差及对准精度，故测量误差较大，被测圆柱体轴径越大，测量误差也越大。

因此，一般很少采用影像法测量圆柱体轴径。

万能工具显微镜上配备有直刃测量刀用于测量圆柱体轴径。

直刃测量刀在距刃口0.3mm 处有一条平行于刃口的线刻线。

测量时，测量刀与被测圆柱体母线接触后，用这条细刻线与和米字线中心线平行的第一条平行虚线进行压线对准并读数，被测圆柱体同一截面两侧的读数差即为被测直径。

用这种方法测量直径时，必须用3倍物镜，并使用反光照明。

圆柱孔径的测量
1、用专用量具和通用量具测量
对于生产批量较大的工件可选用光滑极限量规中的塞规进行检验，判定其是否在合格范围内。

此方法工作效率较高，对使用环境无特殊要求，在生产现场中应用广泛。

对于中、低精度的工件，常使用游标卡尺、内径千分尺、内径百分表等通用量具进行测量。

2、在工具显微镜上测量
用影像法测量时，可先将被测件置于仪器玻璃工作台上，并使被测直径与工作台面平行，然后调焦，使被测孔的轮廓影像清晰后，移动工作台纵、横坐标，使测角目镜中垂直于坐标的米字线与被测孔的轮廓影像两次相切，两次的读数之差即为被测孔的直径。

因受孔壁表面粗糙度及孔深等因素的影响，该方法只适于测量精度较低、孔深不大、并且端面经过研磨的工件。

光学灵敏杠杆系工具显微镜上用接触法测量孔径的附件。

用灵敏杠杆法测量孔径可以消除用影像法测量时产生的一些误差，所以测量精度相对较高。

用光学灵敏杠杆法测量孔径，其误差与测头的测量误差有关，同时还与仪器的示值误差及瞄准误差有关，在下常使用情况下，该方法的极限误差为±2μm。

3、在万能测长仪上测量
在万能测长仪上可用双钩法测量孔径，是孔径测量中最常用的方法之一。

仪器配有大小两套测钩，小测钩可测孔径范围为10～100mm，最大孔深15mm；大测钩可测孔径范围为50～150mm，最大孔深为50mm。

测量时，先用一个标准环规（或由量块组成的标准尺寸）调整仪器的初始值，然后换上被测孔进行测量，测也被测孔与标准环规的差值后，计算出被测孔径的实际值。

电眼装置是万能测长仪的一个附件，可对孔径作无测量力的接触测量。

测量范围为φ1～φ20mm。

测量时，被测孔的轴线要求与端面垂直，工作台在使用前应调水平，测量心甘情愿轴在测量时绝对不能加测力，操作中注意力应集中，以免产生测量误差及损伤设备。

4、用气动量仪测量
气动量仪是将被测尺寸的变化量转换成空气压力、流量或流速的变化，并通过压力计或流量计进行读数的一种仪器。

具有重复性及稳定性较好，可实现非接触测量、动态测量和自动测量，对测量环境要求不高等特点，但由于不同尺寸的孔径需配备相应的气动量仪专用测量塞规和标准环规，因此，一般适用于大批量加工的检测。

角度的测量
角度的测量分比较测量、直接测量和间接测量。

比较测量的实质是将角度量具与被测角度或锥度相比较，用光隙法或涂色法估计出被测角度或锥度的偏差，或判断被检角度或锥度是否在允许的公差范围内。

此法的常用角度量个有：角度量块、角度样板、直角尺和圆锥量规等。

直接测量就是直接从角度计量器具上读出被测角度。

对于精度不高的角度工件，常用万能角度尺进行测量，它可在0º～320º测量范围内任意角度的示值误差分别不超出±2′和±5′。

对于高精度的角度工件，则需用光学分度头或测角仪进行测量。

也可能用万能工具显微镜和光学经纬仪测量。

间接测量就是先测量与被测角度有关的长度尺寸，通过三角函数计算出被测角度值。

常用的计量器具有正弦尺，滚柱或钢球。

形位误差的检测原则
（1）与理想要素比较原则——将被测实际要素与相应的理想要素作比较，在比较过程中获得数据，根据这些数据来评定形位误差。

如将被测实际直线与模拟理想直线的刀口的刀刃相比较，根据光隙的大小来确定该直线的直线度误差值。

(2)测量坐标值原则——通过测量被测要素上各点的坐标值来评定被测要素的形位误差。

如利用直角坐标系测量孔中心的纵横坐标以确定其位置误差值。

(3)测量特征参数原则——通过测量实际被测要至少上的特征参数，评定有关的形痊误差。

特征参数是指能近似反映有关形位误差的参数。

例如，用两点法测量回转表面的横截面的局部实际尺寸，并以其最大差值的一半作为该截面的圆度误差。

(4)测量跳动原则——按照跳动的定义进行检测的原则，主要用于检测圆跳动和全跳动。

例如，测量实际被测要素对基准轴线的径向圆跳动。

(5) 控制实效边界原则——检测被测实际要素是否超过实效边界，以判断被测实际要素是否合格。

该原则用于采用相关要求的场合，一般用光滑极限量规或功能量规来检验。

例如，按紧大实体要求设计的、基本尺寸等于孔的最大实效尺寸的垂直度量规，检验孔轴线对端面和垂直误差。

表面粗糙度检测
表面粗糙度的检测方法有比较测量法、非接触测量法、接触测量法和模法
比较法是将被测表面与已知其评定参数值的粗糙度样板相比较，如被测表面较光滑时，可借肋于放大镜、比较显微镜进行比较，以提高检测精度。

比较样板的选择应使其材料、形状和加方法与被测工件尽量相同。

比较法简便实用，适合于车间条件下判断中、低精度的表面。

比较法的判断准确程度在很大程度上与检验人员的技术熟练程度有关。

非接触测量法包括光切法、干涉法、激光反射法和激光全息法。

光切法显微镜是利用“光切原理”测量表面粗糙度的方法。

干涉法是干涉显微镜利用光波干涉原理在被测表面上产生干涉条纹，通过测量表面干涉条纹的弯曲度，实现对表面粗糙度的测量。

激光反射法是通过激光束以一定的角度照射到被测表面，通过观测反射强弱测出表面粗糙度。

激光全息法的基本原理是以激光照射被测表面，利用相干辐射，拍摄被测表面的全息照片获得一组表面轮廓的干涉图形，然后用硅光电池测量黑白条纹的强度分布，测出黑白条纹反差比，从而评定被测表面的粗糙度程度。

接触测量法常用的是针描法。

针描法是利用仪器的触针在被测表面上轻轻划过，被测表面的微观不平轮廓将使触针作垂直方向的位移。

再通过传感器将位移变化量转换成电量的变化，经信号放大和积分计算后，在显示器上示出被测表面粗糙度的评定参数值。

亦可由记录器绘制出被测表面的微观轮廓图形。

按针描法原理设计制造的表面粗糙度测量仪器通常称为轮廓仪。

根据转换原理的不同，可以有电感式轮廓仪、电容式轮廓仪、压电式轮廓仪等。

轮廓仪可测R a、R z、R y、S、Sm及t p等多个参数。