1、1计量学计量学基础基础教学课件教学课件 2第七章第七章 几何量计量几何量计量 几何量计量又称长度计量，是计量领域发展几何量计量又称长度计量，是计量领域发展最早的学科。它的主要任务是研究和确定长度单最早的学科。它的主要任务是研究和确定长度单位的定义，建立、保存长度计量基准和标准，开位的定义，建立、保存长度计量基准和标准，开展长度和角度检定、校准和测试进行量值传递，展长度和角度检定、校准和测试进行量值传递，以确保量值的统一和正确。以确保量值的统一和正确。几何量计量主要包括，光波波长、量块、线几何量计量主要包括，光波波长、量块、线纹、表面粗糙度、平直度、角度、通用量具、工纹、表面粗糙度、平直度、角度
2、、通用量具、工程测量、经纬仪、齿轮测量和坐标测量等等。程测量、经纬仪、齿轮测量和坐标测量等等。3第一节第一节 几何量计量的基本名称与概念几何量计量的基本名称与概念一、一、几何量的概念几何量的概念 几何量表征物体的大小、长短、形状和位置，几何量表征物体的大小、长短、形状和位置，其基本参量是长度和角度，除此之外，还必须加入其基本参量是长度和角度，除此之外，还必须加入一些工程参量，如：圆度、锥度、粗糙度、渐开线一些工程参量，如：圆度、锥度、粗糙度、渐开线、螺旋线等。、螺旋线等。几何量计量的单位有：长度单位为几何量计量的单位有：长度单位为“米米”，单，单位符号为位符号为“m m”，是，是SISI的七个
3、基本单位之一。角度单的七个基本单位之一。角度单位有两个，即平面角单位为位有两个，即平面角单位为“弧度弧度”，单位符号为，单位符号为“radrad”；立体角单位为；立体角单位为“球面度球面度”，单位符号为，单位符号为“srsr”。4第一节第一节 几何量计量的基本名称与概念几何量计量的基本名称与概念二、二、几何量计量的几个基本原则几何量计量的几个基本原则 1 1、几何量测量的四个要素、几何量测量的四个要素 1 1）测量对象和被测量）测量对象和被测量 测量对象测量对象是指被测定的物理量的实体。是指被测定的物理量的实体。被被 测测 量量是指某一被测的物理量或被测对是指某一被测的物理量或被测对 象的某一
4、被测参数。象的某一被测参数。5第一节第一节 几何量计量的基本名称与概念几何量计量的基本名称与概念二、二、几何量计量的几个基本原则几何量计量的几个基本原则 1 1、几何量测量的四个要素、几何量测量的四个要素 2 2）计量单位）计量单位 计量单位计量单位是在定量评定物理量时，作为标准是在定量评定物理量时，作为标准并用以与被测量进行比较的同类物理量的量值。并用以与被测量进行比较的同类物理量的量值。在测量过程中，计量单位必须以物质形式体现在测量过程中，计量单位必须以物质形式体现出来。出来。6第一节第一节 几何量计量的基本名称与概念几何量计量的基本名称与概念二、二、几何量计量的几个基本原则几何量计量的几
5、个基本原则 1 1、几何量测量的四个要素、几何量测量的四个要素 3 3）测量方法）测量方法 测量方法测量方法是指参与测量过程的各组成因素和是指参与测量过程的各组成因素和测量条件的总称。测量条件的总称。分类：直接测量和间接测量；绝对测量和相对测量；分类：直接测量和间接测量；绝对测量和相对测量；接触测量和非接触测量；综合测量和单项测量接触测量和非接触测量；综合测量和单项测量。7第一节第一节 几何量计量的基本名称与概念几何量计量的基本名称与概念二、二、几何量计量的几个基本原则几何量计量的几个基本原则 1 1、几何量测量的四个要素、几何量测量的四个要素 4 4）测量结果的准确度）测量结果的准确度 测量
6、结果的准确度测量结果的准确度是指测量结果是指测量结果 正确可靠程度。正确可靠程度。8第一节第一节 几何量计量的基本名称与概念几何量计量的基本名称与概念二、二、几何量计量的几个基本原则几何量计量的几个基本原则 2 2、几何量测量的四条基本原则、几何量测量的四条基本原则 1 1）阿贝原则）阿贝原则 阿贝原则阿贝原则是指被测尺寸线应与标准尺寸线是指被测尺寸线应与标准尺寸线相重合或在其延长线上，否则将会带来较大的测量相重合或在其延长线上，否则将会带来较大的测量误差。卡尺和千分尺是生产中常用的两种量具，其误差。卡尺和千分尺是生产中常用的两种量具，其中卡尺不符合阿贝原则，而千分尺符合阿贝原则。中卡尺不符合
7、阿贝原则，而千分尺符合阿贝原则。9第一节第一节 几何量计量的基本名称与概念几何量计量的基本名称与概念 10第一节第一节 几何量计量的基本名称与概念几何量计量的基本名称与概念二、二、几何量计量的几个基本原则几何量计量的几个基本原则 2 2、几何量测量的四条基本原则、几何量测量的四条基本原则 2 2）最小变形原则）最小变形原则 最小变形原则最小变形原则为了使测量结果准确可靠，在为了使测量结果准确可靠，在测量中应该尽力做到使测量链中硬件部分各环节所测量中应该尽力做到使测量链中硬件部分各环节所引起的变形为最小。引起的变形为最小。11第一节第一节 几何量计量的基本名称与概念几何量计量的基本名称与概念二、
8、二、几何量计量的几个基本原则几何量计量的几个基本原则 2 2、几何量测量的四条基本原则、几何量测量的四条基本原则 3 3）最短测量链原则）最短测量链原则 最短测量链原则最短测量链原则为保证一定的测量准确为保证一定的测量准确度，总的测量误差控制在最小的程度，应选择测度，总的测量误差控制在最小的程度，应选择测量链最短。量链最短。12第一节第一节 几何量计量的基本名称与概念几何量计量的基本名称与概念二、二、几何量计量的几个基本原则几何量计量的几个基本原则 2 2、几何量测量的四条基本原则、几何量测量的四条基本原则 4 4）封闭原则）封闭原则 封闭原则封闭原则由圆分度的封闭特性可得到测量的由圆分度的封
9、闭特性可得到测量的封闭原则：在测量中如能满足封闭条件，则其间隔封闭原则：在测量中如能满足封闭条件，则其间隔误差的总和必为零。误差的总和必为零。13第二节第二节 几何量计量的基准原理与方法几何量计量的基准原理与方法一、一、长度单位米的基准的沿革及变化长度单位米的基准的沿革及变化 17911791年开始测量地球子午线，并提出把地球子年开始测量地球子午线，并提出把地球子午线的四千万分之一的长度为一米，用铂制成了第一午线的四千万分之一的长度为一米，用铂制成了第一根标准米尺。根标准米尺。19831983年第年第1717届国际计量大会将将届国际计量大会将将“米米”定义为定义为“光在真空中光在真空中1/29
10、9792458s1/299792458s时间间隔内行程的长度时间间隔内行程的长度”。光速在真空中是不变的，所以基准米就更加精确了。光速在真空中是不变的，所以基准米就更加精确了，这把，这把“尺尺”的长度就是激光的波长。的长度就是激光的波长。14第二节第二节 几何量计量的基准原理与方法几何量计量的基准原理与方法二、二、工作波长标准及测长干涉仪工作波长标准及测长干涉仪 有了以激光波长为基准的尺子以后，必须应用迈有了以激光波长为基准的尺子以后，必须应用迈克尔逊干涉原理，结合激光干涉仪使用，才能真正在克尔逊干涉原理，结合激光干涉仪使用，才能真正在长度计量中发挥作用。长度计量中发挥作用。干涉仪以干涉条纹来
11、反映被测件的信息，其原理干涉仪以干涉条纹来反映被测件的信息，其原理是迈克尔逊干涉原理，将光分成两路，一路测量光，是迈克尔逊干涉原理，将光分成两路，一路测量光，一路参考光，而干涉条纹则是两路光光程差相同点联一路参考光，而干涉条纹则是两路光光程差相同点联成的轨迹。成的轨迹。15迈克尔逊干涉仪示意图 第二节第二节 几何量计量的基准原理与方法几何量计量的基准原理与方法 16 双频激光干涉仪示意图1激光管；21/4波片；3析光镜；4光轴；5参考角锥棱镜；6偏振分光棱镜；7测量角锥棱镜；8反射棱镜；9，11检偏器；10光电接收器 第二节第二节 几何量计量的基准原理与方法几何量计量的基准原理与方法 17第三
12、节第三节 几何量计量的传递和校准几何量计量的传递和校准 几何量的传递大致有：长度、线纹、角度、平面几何量的传递大致有：长度、线纹、角度、平面度、粗糙度等传递系统，其中长度量传递系统是几何度、粗糙度等传递系统，其中长度量传递系统是几何量量值传递中其组成最多、准确度等级最多、传递任量量值传递中其组成最多、准确度等级最多、传递任务最重的系统。务最重的系统。长度量值传递系统图如下页所示长度量值传递系统图如下页所示 18第三节第三节 几何量计量的传递和校准几何量计量的传递和校准 19第三节第三节 几何量计量的传递和校准几何量计量的传递和校准一、一、长度计量长度计量 1 1、量块、量块 量块是几何量计量中
13、应用广、精度高的一种实量块是几何量计量中应用广、精度高的一种实物标准。它是单值量具，以其两端面之间的距离复物标准。它是单值量具，以其两端面之间的距离复现长度量值。常用的量块是矩形平行六面体。现长度量值。常用的量块是矩形平行六面体。量块的主要用途是常被用作计量器具的标准。量块的主要用途是常被用作计量器具的标准。高等级的量块可用来检定低等级的量块，低等级的高等级的量块可用来检定低等级的量块，低等级的量块还可以直接作为精密的量具使用。量块还可以直接作为精密的量具使用。20第三节第三节 几何量计量的传递和校准几何量计量的传递和校准一、一、长度计量长度计量 1 1、量块、量块 量块的等和级量块的等和级
14、按制造准确度分可分为按制造准确度分可分为0 0级，级，1 1级，级，2 2级，级，3 3级，级，4 4级共级共5 5个级别；个级别；按量块的测量准确度分可分为按量块的测量准确度分可分为1 1等，等，2 2等，等，3 3等，等，4 4等，等，5 5等，等，6 6等共等共6 6个等级。个等级。21第三节第三节 几何量计量的传递和校准几何量计量的传递和校准一、一、长度计量长度计量 1 1、量块、量块 量块的性能量块的性能 1 1）稳定性，即量块的实际长度随时间变化的程度。）稳定性，即量块的实际长度随时间变化的程度。2 2）耐磨性，量块在工作中经常与其他物体有接触，）耐磨性，量块在工作中经常与其他物体
15、有接触，所以要求计量面要有足够的耐磨性。所以要求计量面要有足够的耐磨性。3 3）研合性，量块与量块经互相推合或贴合而形成一）研合性，量块与量块经互相推合或贴合而形成一体的性能。体的性能。22第三节第三节 几何量计量的传递和校准几何量计量的传递和校准 可用量块去检定测长仪器，在精密测量可用量块去检定测长仪器，在精密测量中，常用量块作为标准，与轴、孔、球等被中，常用量块作为标准，与轴、孔、球等被测工件比较，求得其直径、厚度等量值。测工件比较，求得其直径、厚度等量值。23第三节第三节 几何量计量的传递和校准几何量计量的传递和校准一、一、长度计量长度计量 2 2、线纹尺、线纹尺 线纹尺是人类使用得最早
16、的量具之一，线纹量线纹尺是人类使用得最早的量具之一，线纹量值传递系统与长度传递系统，一直是几何量量值传值传递系统与长度传递系统，一直是几何量量值传递中两大平行的传递系统。递中两大平行的传递系统。线纹尺以尺面上的刻线或纹印间的距离复现长线纹尺以尺面上的刻线或纹印间的距离复现长度。度。“米原器米原器”就是线纹尺的一种。就是线纹尺的一种。线纹尺量值传递系统如下页图所示。线纹尺量值传递系统如下页图所示。24第三节第三节 几何量计量的传递和校准几何量计量的传递和校准 25第三节第三节 几何量计量的传递和校准几何量计量的传递和校准一、一、长度计量长度计量 2 2、线纹尺、线纹尺 常用的金属线纹尺有按横截面
17、分有常用的金属线纹尺有按横截面分有H H型，型，X X型，型，和矩型三种。和矩型三种。26第三节第三节 几何量计量的传递和校准几何量计量的传递和校准一、一、长度计量长度计量 3 3、计量光栅、计量光栅 光栅的基本工作原理是利用光栅的莫尔条纹现象光栅的基本工作原理是利用光栅的莫尔条纹现象进行测量的。进行测量的。取两块光栅常数相同的光栅，一块为标尺光栅，取两块光栅常数相同的光栅，一块为标尺光栅，另一块为指示光栅，把二者刻线面相对，中间留有很另一块为指示光栅，把二者刻线面相对，中间留有很小的间隙相叠合，便组成了光栅副，当两块光栅的刻小的间隙相叠合，便组成了光栅副，当两块光栅的刻线相交一个极小的角度线
18、相交一个极小的角度时，在相对运动时就会出现时，在相对运动时就会出现莫尔条纹。莫尔条纹。27第三节第三节 几何量计量的传递和校准几何量计量的传递和校准二、二、角度计量角度计量 角度是一种重要的物理量，角度计量是几何角度是一种重要的物理量，角度计量是几何量计量的重要组成部分，在军事和航空航天领域量计量的重要组成部分，在军事和航空航天领域有重要应用。国际单位制规定了七个基本单位和有重要应用。国际单位制规定了七个基本单位和两个辅助单位，这两个辅助单位就是两个辅助单位，这两个辅助单位就是“平面角平面角”和和“立体角立体角”。一般角度计量标准可大致有以下四种：一般角度计量标准可大致有以下四种：1 1、端面
19、角度标准端面角度标准：主要是角度块和多面棱体：主要是角度块和多面棱体 28第三节第三节 几何量计量的传递和校准几何量计量的传递和校准二、二、角度计量角度计量线纹角度标准线纹角度标准：刻线度盘、圆光栅、圆感应：刻线度盘、圆光栅、圆感应 同步器、磁性度盘、电栅盘和编码盘等同步器、磁性度盘、电栅盘和编码盘等机械分度标准机械分度标准：多齿分度盘、分度台、分度：多齿分度盘、分度台、分度 板和分度蜗轮等板和分度蜗轮等量子测角标准量子测角标准：主要是环行激光器：主要是环行激光器 29第三节第三节 几何量计量的传递和校准几何量计量的传递和校准三、三、工程参数计量工程参数计量 工程参量是几何量计量的主要组成部分
20、，是机工程参量是几何量计量的主要组成部分，是机械加工中，控制工件质量的重要手段。械加工中，控制工件质量的重要手段。工程参量可以分成通用和专用两类，通用类包工程参量可以分成通用和专用两类，通用类包括形状和位置（简称形位）参量和表面粗糙度等，专括形状和位置（简称形位）参量和表面粗糙度等，专用类如齿轮、螺纹、花键等。用类如齿轮、螺纹、花键等。在实际生产当中应用的大量的测量工程参数的在实际生产当中应用的大量的测量工程参数的仪器，使用标准样板去校准是统一量值的重要方法。仪器，使用标准样板去校准是统一量值的重要方法。30第四节第四节 几何量计量的发展几何量计量的发展一、一、测量尺寸继续向着两个极端发展测量
21、尺寸继续向着两个极端发展 所谓两个极端就是指相对于现在测量尺寸的大所谓两个极端就是指相对于现在测量尺寸的大尺寸和小尺寸。中等尺寸的测量已被广泛注意，也开尺寸和小尺寸。中等尺寸的测量已被广泛注意，也开发了多种多样的测试方法，目前是朝着高准确度、高发了多种多样的测试方法，目前是朝着高准确度、高测量效率方向发展。测量效率方向发展。今年来，由于经济的快速发展，使得很多方面今年来，由于经济的快速发展，使得很多方面的生产和工程中测试的要求超过了我们所能测试的范的生产和工程中测试的要求超过了我们所能测试的范围，如飞机外形的测量、大型机械关键不见的测量斜围，如飞机外形的测量、大型机械关键不见的测量斜拉桥索塔测
22、量等都要求能进行大尺寸测量。拉桥索塔测量等都要求能进行大尺寸测量。31第四节第四节 几何量计量的发展几何量计量的发展一、一、测量尺寸继续向着两个极端发展测量尺寸继续向着两个极端发展 1 1、大尺寸的测量方法大尺寸的测量方法 将大地测量的某些原理和方法移植和改将大地测量的某些原理和方法移植和改进到机械工程测量中。进到机械工程测量中。近年来，激光技术的应用产生新的测量近年来，激光技术的应用产生新的测量方法，如激光跟踪干涉三维尺寸测量系统方法，如激光跟踪干涉三维尺寸测量系统等。等。32第四节第四节 几何量计量的发展几何量计量的发展一、一、测量尺寸继续向着两个极端发展测量尺寸继续向着两个极端发展 2
23、2、纳米测量纳米测量 纳米技术是当前发展最迅速、研究最广泛、投纳米技术是当前发展最迅速、研究最广泛、投入最多的科学技术领域之一，对信息、生物工程、医入最多的科学技术领域之一，对信息、生物工程、医学、光学、材料科学等领域都将产生深远影响，被誉学、光学、材料科学等领域都将产生深远影响，被誉为为2121世纪的科学。世纪的科学。纳米计量技术解决纳米级精度的尺寸和位移的纳米计量技术解决纳米级精度的尺寸和位移的测量，以及纳米级表面形貌的测量。测量，以及纳米级表面形貌的测量。33第四节第四节 几何量计量的发展几何量计量的发展一、一、测量尺寸继续向着两个极端发展测量尺寸继续向着两个极端发展 3 3、视觉测试技
24、术视觉测试技术 视觉测试技术是建立在计算机视觉研究基础上视觉测试技术是建立在计算机视觉研究基础上的一门新兴测试技术。与计算机视觉研究的视觉模式的一门新兴测试技术。与计算机视觉研究的视觉模式识别、视觉理解等内容不同，视觉测试技术重点研究识别、视觉理解等内容不同，视觉测试技术重点研究物体的几何尺寸及物体的位置测量，如轿车车身三维物体的几何尺寸及物体的位置测量，如轿车车身三维尺寸的测量、模具等三维面形的快速测量、大型共建尺寸的测量、模具等三维面形的快速测量、大型共建同轴度测量、共面性测量等。同轴度测量、共面性测量等。34第四节第四节 几何量计量的发展几何量计量的发展一、一、测量尺寸继续向着两个极端发
25、展测量尺寸继续向着两个极端发展 4 4、测试方式向多样化发展测试方式向多样化发展 1 1）多传感器融合技术在制造现场中的应用）多传感器融合技术在制造现场中的应用 多传感器融合是解决测量过程中测量信息获取多传感器融合是解决测量过程中测量信息获取的方法，它可以提高测量信息的准确性。由于多传感器的方法，它可以提高测量信息的准确性。由于多传感器是以不同的方法或从不同的角度获取信息的，因此可以是以不同的方法或从不同的角度获取信息的，因此可以通过它们之间的信息融合去伪存真，提高测量精度。通过它们之间的信息融合去伪存真，提高测量精度。35第四节第四节 几何量计量的发展几何量计量的发展一、一、测量尺寸继续向着
26、两个极端发展测量尺寸继续向着两个极端发展 4 4、测试方式向多样化发展测试方式向多样化发展 2 2）积木式、组合式测量方法）积木式、组合式测量方法 车身三维尺寸测量系统就属于这类方法，车身三维尺寸测量系统就属于这类方法，也可以说它是柔性很好的专用坐标测量机，关键也可以说它是柔性很好的专用坐标测量机，关键在于系统模型的建立。在于系统模型的建立。36第四节第四节 几何量计量的发展几何量计量的发展一、一、测量尺寸继续向着两个极端发展测量尺寸继续向着两个极端发展 4 4、测试方式向多样化发展测试方式向多样化发展 3 3）便携式测量仪器）便携式测量仪器 如便携式光纤干涉测量仪、便携式大量程如便携式光纤干
27、涉测量仪、便携式大量程三维测量系统等，往往用于解决现场大尺寸的测三维测量系统等，往往用于解决现场大尺寸的测量问题。量问题。37第四节第四节 几何量计量的发展几何量计量的发展一、一、测量尺寸继续向着两个极端发展测量尺寸继续向着两个极端发展 4 4、测试方式向多样化发展测试方式向多样化发展 4 4）虚拟仪器）虚拟仪器 虚拟仪器是虚拟现实技术在精密测试领域的应虚拟仪器是虚拟现实技术在精密测试领域的应用，国内已有深入的研究。一种是将多种数字化的测试用，国内已有深入的研究。一种是将多种数字化的测试仪器虚拟成一台以计算机为硬件支撑的数字式的智能化仪器虚拟成一台以计算机为硬件支撑的数字式的智能化测试仪器；另一种是研究虚拟制造中的虚拟测量，如虚测试仪器；另一种是研究虚拟制造中的虚拟测量，如虚拟量块、虚拟螺纹量规、虚拟坐标测量机等。拟量块、虚拟螺纹量规、虚拟坐标测量机等。38
