测量误差产生的原因及其避免途径

测量工作的实践表明,在任何几何量测量工作中,无论是测角、测高还是测量距,当对同一量进行多次观测时,不论测量仪器多么精密,观测进行得多么仔细,测量结果总是存在着差异,彼此不相等。测量误差的来源与下列因素有关:基准件的误差、测量方法的误差、计量器具的误差、测量环境以及测量人员引起的误差等。

一、基准件的误差

任何基准都不可避免存在误差,当用它作基准时,其误差会带入测量值中。因此,在选择基准件时,一般都希望基准件的精度选高一些。但是,基准件的精度太高也不经济,在生产实践中一般取基准件的误差占总测量误差的1/5～1/3。

二、测量方法误差

方法误差是指测量时选用的测量方法不完善而引起的误差。测量时,采用的测量方法不同,产生的测量误差也不一样。例如,测量大型工件的直径,可以采用直接测量法,也可以采用测量弦长和弓高的间接测量法,其测量误差是不相同的。直接测量与间接测量相比较,前者的测量误差只取决于被测参数本身的计量与测量环境和条件所引起的误差;而后者则取决于被测参数有关的各个间接测量参数的计量器具与测量环境和条件所引起的误差,以及它们之间的计算误差。

三、计量器具的误差

1.理论误差

由于仪器设计时,经常采用近似机构代替理论上所要求的运动机构,用均匀刻度的刻度尺近似的代替理论上要求非均匀刻度的刻度尺,或者仪器设计时违背阿贝原则等,这样造成的误差称理论误差。

2.仪器制造和装配调整误差

仪器零件的制造误差和装配调整误差都会直接引起仪器误差。例如,仪器读数装置中刻度尺、刻度盘的刻度误差和装配时的偏斜或偏心引起的误差;仪器传动装置中杠杆、齿轮副、螺旋副的制造误差以及装配误差;光学系统的制造、调整误差;传动件间的间隙、导轨的平面度、直线度误差等。这些都会影响仪器的示值误差和稳定性。

影响仪器制造、装配误差的因素很多,情况比较复杂,也难于消除掉。最好的方法是在使用中,对一台仪器进行检定,掌握它的示值误差,并列出修整表,以消除其系统误差。另外,用多次测量的方法以减少随机误差。

四、测量力引起的误差

在接触测量中,由于有测量力存在,引起弹性变形。例如,在卡尺测量中,过大的测量力不仅会加速测量面的磨损,而且会使量爪和尺身产生较大的弹性变形,影响测量的准确性,严重时会引起尺框倾斜,使测量失效。这种变形量一般不大,在普通测量中可以忽略不计,但在精密测量中就应当考虑。

由于测头形状与工件表面形状的不同,接触测量时压陷量也不同;工件材料不同压陷量也不同。

五、对准误差

测量工件时,要进行两方面的对准工作:对准被测工件和对准读数装置。对于接触测量,对准工件的工作主要决定于测量头的正确选择。当被测工件为平面时,一般选择球形测头;当被测工件为圆柱形时,一般选择刀口形测头;当被测工件为球形时,一般选择平面形测头。 另外,在测量过程中,为了正確对准工件,有时还需摆动工作台或移动工作台,以便找准读数的转折点。

对于非接触测量,如光学仪器测量中用影像法对准。此时,对准误差与分划板刻线宽度、光学放大倍数、工件形状、照明情况以及操作者的水平有关。为了减少影像法对准误差,可采用具有细刻线的量刀来对准。

对于读数装置的对准,主要决定于视差。视差的大小除与测量人员的主观因素外,还取决于读数装置的结构。对于表盘式结构,可在表盘下加一层反光镜,这样有利于人眼保持垂直位置,减少视差。在光学仪器的刻线对准中,目前有四种方式:单线重合、单线符合、双线符合以及双线评分等,其对准精度按此顺序,逐渐增高。

六、环境条件引起的误差

测量环境条件包括温度、湿度、气压、振动以及灰尘等。在这些因素中,温度最为主要,其余因素仅在精密测量时才考虑。例如,用光波波长作基准进行绝对测量时,若气压、湿度偏离标准状态,则光波波长将发生变化。

测量时,由于室温离开标准温度(20°C)而引起的测量误差由下式计算:

Δ=L(αΔt=α0Δt0)

=L〔(α=α0)Δt=α0(Δt=Δt0)〕

式中L——被测长度

α0、α——基准件和被测件的线膨胀系数

Δt0、Δt——基准件和被测件对标准温度的偏离

为了减少温度引起的测量误差,一般高精度测量均在恒温条件下进行,并要求被测工件与计量器具的温度在标准温度下达到一致。至于对恒温、恒湿本身精确程度的要求,可根据测量精确度的要求而定。

(作者单位:山东济宁技术学院)

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