13.5. Методы и погрешность измерения

Методы измерения. При измерениях используют разнообразные методы (ГОСТ 16263), представляющие собой совокупность прие­мов использования различных физических принципов и средств.

Измерения подразделяются на шесть методов:

прямые (искомое значение - непосредственно из опытных дан­ных);

косвенные (на основании зависимости между искомой и полу­ченной при прямом измерении величинами);

совокупные (одновременные измерения одноименных величин, среди которых есть известные);

совместные (одновременные измерения неодноименных вели­чин для нахождения зависимости между ними);

абсолютные (прямые измерения основных величин и с исполь­зованием физических констант);

относительные (по отношению к одноименной величине, при­нимаемой за исходную).

Каждый из методов измерений подразделяют на семь внутренних видов.

При измерительном контроле линейных и угловых величин приме­няют главным образом прямые измерения, реже встречаются относи­тельные и косвенные измерения.

При измерительном контроле линейных и угловых размеров в промышленности используют в основном методы непосредственной оценки и сравнения с мерой, причем последний доминирует при точных измерениях сравнительно больших размеров. Для грубых измерений используют штангенинструменты, работающие по методу совпадений. Дифференциальным методом пользуются при проверке и аттестации образцовых мер длины.

Для повышения точности измерений измеряемый размер детали стремятся расположить последовательно на одной прямой с измеряю­щим элементом прибора и шкалой, предназначенной для отсчетов (принцип Аббе).

Погрешность измерения. Способы выражения погрешно­стей измерения Разработаны рекомендации, на основе ко­торых с участием представителей ИСО, МЭК опубликован до­кумент «Руководство для выражения неопределенности в измерениях. Термины и определения», предназначенный для использования в прак­тике метрологических служб. В нем дано толкование понятиям “погрешность измерений” и “не­определенность измерений".

Под погрешностью измерения как характеристикой точно­сти подразумевают отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Точность измерения - свойство каче­ства измерения, отражающее близость его результатов к истинному значению измеряемой величины. Количественно точность измерения может быть выражена величиной, обратной погрешности измерения, которую называют мерой точности.

Неопределенность измерений - это параметр, характери­зующий рассеяние результатов измерений в серии вследствие влияния случайных и не исключенных систематических погрешностей в виде оценок средней квадратической погрешности измерений или довери­тельных границ погрешности измерений.

13.6. Универсальные средства технических измерений

Механические измерительные приборы и инструменты. Меха­нические измерительные приборы и инструменты подразделяют на пять разновидностей: бесшкальные инструменты, штангенинструменты, измерительные головки, микрометрические инструменты, зубча­то-рычажные приборы.

Бесшкальные инструменты. К ним относятся лекальные и поверочные линейки (ГОСТ 8026), предназначенные для конт­роля отклонений от прямолинейности на просвет или посредством щу­па с собственным отклонением от прямолинейности от 0,6 (класс 0; 50 мм) до 3 мкм (класс 1; 500 мм); синусные линейки (ГОСТ 4046) для косвенных измерений наружных углов до 45° с погрешностью от +5" до ±15"; шаблоны с выпуклым и вогнутым радиусами (ГОСТ 4126) для контроля на просвет с предельными отклонениями от +20 до +40 мкм; щупы (ГОСТ 882) для контроля зазоров по вхож­дению лезвий разных толщин; угольники поверочные 90° (ГОСТ 3749) для контроля прямых углов на просвет; поверочные плиты (ГОСТ 10905) для контроля отклонений от плоскостности по кра­ске; образцы шероховатости поверхности (ГОСТ 9378) для визу­ального контроля шероховатости поверхности деталей.

Штангенинструменты. Штангенинструмент представляет со­бой две измерительные поверхности (губки), между которыми уста­навливается размер, одна из которых (базовая) составляет единое це­лое с линейкой (штангой), а другая соединена с двигающейся по ли­нейке рамкой. На линейке наносятся через 1 мм деления, на рамке ус­танавливается или гравируется нониус. В целях повышения надежно­сти штангенинструменты изготовляют из материалов, не подвергаю­щихся коррозии с высокой износостойкостью, для чего используют за­каленные стали, хромирование и армирование рабочих поверхностей твердым сплавом. Выпускают несколько видов и типоразмеров с раз­мером отсчета 0,05 и 0,1 мм.

В зависимости от назначения и конструктивных особенностей штангенинструменты разделяют на штангенциркули для измерений наружных и внутренних размеров; штангенглубиномеры для измерений глубин пазов и высот уступов; штангензубомеры для измерений толщи­ны зуба шестерни; угломеры с нониусом для измерений наружных и внутренних углов.

Измерительные головки. Под измерительной головкой пони­мают механические отсчетные устройства, преобразующие малые пе­ремещения измерительного наконечника в большие перемещения стрелки и имеющие шкалу, по которой отсчитывают величины переме­щения наконечника.

В качестве отдельного прибора эти головки не используют, их устанавливают в устройствах для отсчета перемещений. Поэтому измерительные головки еще называют «отсчетными головками». Головки при измерении устанавливают в универсальные приспособления - штативы и стойки.

По принципу действия измерительные головки подразделяют на пружинные (ГОСТ 6933); рычажно-зубчатые (ГОСТ 18833; ГОСТ 9696) и рычажные. Измерительные головки устанавливают на стойки или штативы (ГОСТ 10197).

Пружинными измерительными головками называют головки, в ко­торых передаточным механизмом являются упругие элементы (пружи­на плоская или свернутая, торсионный вал) и используются их упру­гие свойства. Стандартизованы измерительные головки с механизмом в виде свернутой пружины. На базе пружинного механизма головки изготавливают в основном четырех видов: головки пружинные (микрокаторы); головки измерительные пружинно-оптические (оптикаторы); головки измерительные пружинные малогабаритные (микаторы) и го­ловки измерительные рычажно-пружинные (миникаторы).

К рычажно-зубчатым головкам относят: головки с зубчатым меха­низмом (индикатор часового типа); рычажно-зубчатые индикаторы с изменяемым положением измерительного рычага относительно кор­пуса для измерений отклонений формы и расположения; многооборотный индикатор для относительных измерений наруж­ных размеров; скобы с отсчетным устройством - рычажная и индика­торная скобы; индикаторный глубиномер; индикаторный толщиномер для измерений толщин; индикаторный нутромер и нутромеры с цена­ми делений 1 и 2 мкм; рычажно-зубчатые измерительные головки осе­вого и бокового действия - для относительных измерений наружных размеров и отклонений формы и расположения; устройство информа­ционно-измерительное цифровое со струнным преобразователем для измерения линейных размеров.

Микрометрические инструменты. У микрометров измери­тельным элементом служит шпиндель, имеющий резьбу с точ­ным шагом. Осевое перемещение шпинделя для полных оборотов от­считывается при помощи штрихов, нанесенных на стебле, а для отсче­та долей оборота служат радиальные штрихи, нанесенные на барабане микрометра.

Форма исполнения микрометра различна и в основном зависит от конструкции его корпуса (скобы), который, собственно, и носит назва­ние измерительного инструмента. Шаг резьбы шпинделя для метриче­ских микрометров равен 0,5 или 1 мм. У микрометров с шагом 0,5 мм измерительный барабан имеет 50 штриховых делений. У микрометров с шагом 1 мм барабан имеет 100 штриховых делений, чтобы можно было отсчитать 0,01 мм. Длина шпинделя рассчитывается исходя из пределов измерения по шкале инструмента 25 мм. Избегают примене­ния шпинделей большой длины вследствие трудности выполнения микровинтов с точным шагом по всей их длине.

Барабан или гильза могут переставляться, поэтому микрометр мо­жет легко устанавливаться на ноль. Гайка шпинделя обычно регулиру­ется. Для жесткой установки измерительного шпинделя служит зажим­ное устройство. Чтобы всегда измерять с одним и тем же усилием, из­мерительный шпиндель снабжен храповиком или фрикционной муф­той (трещоткой). Микрометрический измерительный инструмент мо­жет быть встроен в различного вида скобы, измерительные приборы, приспособления.

К микрометрическим инструментам относят ручные микрометры, микрометрические глубиномеры и нутромеры (ГОСТ 6507; ГОСТ 4380; ГОСТ 7470); головки микрометрические (ГОСТ 6507); микрометры настольные; микрометры рычажные (ГОСТ 4381); микрометры окулярные.

Микрометры для наружных измерений имеют скобу, размер кото­рой соответствует измеряемой длине и изменяется ступенями через 25 мм.

Микрометры для внутренних измерений выполняют с губками или в виде штихмассов. Микрометрические штихмассы имеют на обоих кон­цах закругленные измерительные поверхности, которые прилегают к изделию только в одной точке. Они снабжаются удлинителями (от 25 мм) с интервалом 25 мм так, что один микрометрический инстру­мент с набором удлинителей имеет большие пределы измерения (от 100 до 500 мм). Для измерения глубин и уступов служат микрометрические глубиномеры, у которых микрометрическая головка установлена в траверсе, контактирующая плоская поверхность которой располо­жена перпендикулярно оси.

Оптические приборы. Действие оптических (оптико-механических) приборов основано на использовании световой энергии. С помощью приборов, дающих действительное изображение предмета и имеющих в плоскости изображений пластинки с делениями или перекре­стием, можно производить измерения двояким путем.

1. Оптическая система вместе с жестко с ней связанной штриховой пластинкой может перемещаться относительно предмета. Точность визирования в основном обусловливается увеличением, даваемым микро­скопом. Величина перемещения измерительного прибора равняется из­меряемому размеру изделия. Погрешность при измерении этого пере­мещения входит целиком в результат измерения. Определение масшта­ба изображения в этом случае необязательно.

2. Оптическая система неподвижна; штриховая пластина либо перемещается в плоскости изображения предмета относительно самого изображения, либо имеет шкалу. Средством измерения является опти­ческая система.

Точность визирования (контакта) с измеряемой поверхностью та же, что и в первом случае. Величина перемещения штриховой пла­стинки соответствует размерам действительного изображения. Следо­вательно, в результат измерения входит погрешность масштаба изо­бражения, поэтому она должна быть точно известна, а изображение строго подобно предмету. Для этого целесообразно применять теле­центрический ход лучей.

Оптические приборы подразделяют на три разновидности:

1) приборы с оптическим способом визирования с измеряемой поверхностью и механическим измерением перемещения точки визирова­ния;

2) приборы с механическим соприкосновением с контролируемым изделием и оптическим измерением перемещения точки соприкоснове­ния;

3) приборы с оптическим устройством для наблюдения контроли­руемого изделия и оптическим измерением перемещения точки визи­рования.

1. К приборам первой разновидности относят инструментальные микроскопы и проекторы.

Микроскопы инструментальные предназначены для изме­рения наружных и внутренних линейных и угловых размеров изделий в прямоугольных и полярных координатах (ГОСТ 8074). Они со­стоят из головки главного микроскопа и приспособления, с помощью которого либо сама головка, либо контролируемое изделие могут пере­мещаться в одном или двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Во многих конструкциях микроскопов окулярная штриховая пластинка может вращаться, что позволяет производить, кроме линейных, и угло­вые измерения.

Величина перемещения измерительного стола определяется с помо­щью окулярного микрометра, концевых мер или штриховой меры. От­счеты по шкалам чаще всего производят с помощью отсчетных окуля­ров с неподвижными делениями.

Инструментальные микроскопы используют чаще всего непосред­ственно на рабочих местах, а также для измерения параметров резьбы. Изготовляют в основном двух видов: малая модель - ММИ и боль­шая модель - БМИ, которые различаются диапазоном измерения.

Прибор ММИ имеет диапазон измерения 75 мм в продольном на­правлении и 25 мм в поперечном. Величина отсчета по микропаре 0,01 мм. При размере свыше 25 мм используют концевые меры длины. Прибор БМИ имеет диапазон измерения до 150 мм в продольном на­правлении и 50 мм в поперечном. Величина отсчета на микропаре 0,005 мм, что достигается в основном увеличением диаметра барабана микропары. Появились микроскопы, у которых микропара снабжается импульсными устройствами с цифровым отсчетом.

Проектором в машиностроении называется оптический прибор, в котором оптическое устройство формирует изображение измеряемо­го объекта на рассеивающей поверхности, служащей экраном (ГОСТ 19795). Проектор служит для контроля и измерения изделий, имею­щих сложный контур (профильные шаблоны). С помощью отраженно­го света можно измерять также контуры заточек, канавок, расстояние между центрами нескольких отверстий. Различают:

контроль увеличенного действительного изображения, спроектиро­ванного на экран или матовое стекло;

измерение с помощью координатного измерительного стола и измерительного перекрытия на экране.

В первом случае необходимы объектив с телецентрическим ходом лучей и плоскостность изображения; масштаб изображения должен быть отъюстирован на расстояние экран—объектив. Поэтому увеличенный профиль сравнения (эталонный образцовый чертеж) должен лежать строго в плоскости проекционного экрана; чертеж не должен быть покрыт стеклянной пластинкой, так как иначе изменяется оптическая длина пути.

Необходим контроль масштаба изображения, который производится путем измерения проекционного изображения с помощью точной шкалы. При необходимости увеличения меняют объектив и произво­дят подгонку телецентрического хода лучей от осветителя.

Во втором случае предмет перемещают в прямоугольной системе координат; оптическая система является только средством визирования. Не требуется точной юстировки масштаба изображения, так как она лишь повышает точность измерения или визирования.

2. Приборы второй разновидности основаны на получении автоколлимационного изображения. Автоколлимацией называется ход световых лучей, при котором они, выйдя из некоторой части оптической системы параллельным пучком, отражаются от плоского качающегося зеркала и проходят систему в обратном направлении. К этим приборам относят: оптиметр вертикальный и горизонтальный; оптический длиномер вертикальный и горизонтальный; интерферометр; измеритель­ную машину; гониометр. Приборы этой группы применяют для изме­рения методом сравнения с установочной мерой (размер концевых мер длины) или сравнением размера со шкалой, встроенной непосредствен­но в прибор.

Оптиметр - прибор для измерения линейных размеров сравне­нием с мерой, преобразовательным элементом в котором является рычажно-оптический механизм. Непосредственно измерительной го­ловкой в этом приборе является трубка оптиметра, которая бывает окулярного или проекционного (экранного) типа. В трубке окулярного типа наблюдатель смотрит в окуляр и отсчитывает значения размера по шкале, а в трубке проекционного типа отсчет производится на эк­ране.

Оптиметры изготовляют в двух вариантах: вертикальные - с вер­тикальной линией измерения и горизонтальные - с горизонтальной линией измерения. Вертикальный оптиметр предназначен для контакт­ных измерений при контроле наружных линейных размеров методом сравнения измеряемого изделия с концевыми мерами, калибрами или деталями-образцами. Горизонтальный оптиметр предназначен для тех же целей, но позволяет, кроме измерений наружных размеров прово­дить измерения внутренних размеров.

Стол горизонтального оптиметра может совершать ряд линейных и угловых перемещений, позволяющих проводить точную установку де­тали по линии измерения. Как вертикальные, так и горизонтальные оп­тиметры выпускают с отсчетом в окуляре или на проекционном экране (ОВО-1, ОВЭ-02, ОВЭ-1).

Оптический длиномер — прибор для измерения линейных размеров сравнением со значением по шкале, встроенной в этот при­бор и перемещающейся вместе с измерительным стержнем. Дробные значения отсчитываются по шкале с помощью нониуса, встроенного в специальный окулярный или проекционный микроскоп.

В зависимости от конструкции стоек, в которых устанавливают длиномеры, они, как и оптиметры, бывают вертикальные и горизон­тальные (ИЗВ-1; ИЗВ-2; ИЗВ-3). Горизонтальные длиномеры делят на группы в зависимости от их назначения.

Длиномеры на горизонтальных стойках типа ИЗВ предназначены для тех же целей, что и горизонтальные оптиметры, но измерения здесь ведут непосредственно прямым методом, без применения уста­новочных мер длины. Горизонтальный длиномер типа ИКУ-2 предназ­начен для измерения наружных и внутренних линейных и угловых размеров в прямоугольных и полярных координатах.

Длиномеры и измерительные машины относят к группе прибо­ров, предназначенных для измерения больших длин по одной оси координат.

Погрешность измерения длиномером зависит от измеряемого раз­мера и температурных условий. При рекомендуемых условиях измере­ния погрешность измерения составляет от 1,5 до 3 мкм при использо­вании только шкалы длиномера. При измерении методом сравнения с концевыми мерами длины первого класса погрешность составляет от 1,5 до 2,5 мкм.

Гониометры служат для измерения углов бесконтактным мето­дом с помощью автоколлиматора непосредственно по лимбу. Гонио­метры выпускают следующих типов: ГС-1, ГС-2, ГС-5, ГС-10, ГС-30 с ценой деления 1; 2; 5; 10 и 30" соответственно и погрешностью из­мерения любого угла одним приемом из трех наведений и отсчетов на любом участке лимба соответственно 1; 2; 5; 10 и 30". Серийно выпус­кают гониометры типов ГС-1М, ГС-5, ГС-10 и, ГС-30.

Принципиальная схема устройства гониометров в основном оди­накова. В основании прибора на опорах неподвижно установлена ось вращения прибора, на которую крепятся лимб, алидада и пред­метный столик. Лимб может вращаться совместно со столиком или совместно с алидадой. Алидада имеет отсчетное устройство и ко­лонку со зрительной трубой, к которой прилагаются автоколлимаци­онные окуляры.

Отсчетное устройство представляет собой оптический микрометр. У большинства гониометров на основании неподвижно укреплена ко­лонка с установленным на ней коллиматором. Коллиматор служит для измерения углов и других различных оптических измерений.

Более точным и усовершенствованным прибором является гониометр-спектрометр ГС-1М. Серийно выпускаемые образцы имеют предел допускаемой погрешности измерения углов +2".

Диаметр делительной окружности лимба составляет 412 мм, цена деления лимба 10", цена деления шкалы оптического микрометра 0,5" диаметр предметного столика 150 мм.

Гониометры поверяют по ГОСТ 13419.

Оптические делительные головки (ОДГ). Головки пред­назначены для проведения угловых измерений и делительных работ. Выпускают делительные головки следующих типов: ОДГЭ-1, ОДГЭ-2, ОДГЭ-5.

Принцип действия ОДГ основан на сравнении контролируемых уг­ловых величин с углами поворота их шпинделя, отсчитываемыми по точному лимбу. Основными деталями головки являются оптический лимб и шпиндель. Лимб неподвижно укреплен на шпинделе внутри корпуса. Шпиндель вращается в подшипниках, закрепленных в корпу­се головки. В нижней части корпуса головки расположен червяк, сцеп­ляющийся с червячным колесом, закрепленным на шпинделе. Установ­ленные углы отсчитывают с помощью отсчетного микроскопа.

ОДГ могут быть использованы как технологическое приспособле­ние для поворота изделий на заданный угол при легких работах на ме­таллорежущих станках.

Делительные головки поверяют по ГОСТ 8.046.

Интерферометр - измерительный прибор, работа которого основана на ин­терференции света. Принцип действия всех интерферометров одина­ков, и различаются они только способами получения так называемых когерентных пучков света, т.е. таких складываемых пучков, которые обладают постоянством разности фаз: при их сложении определяется амплитуда суммарных колебаний.

Контактные интерферометры предназначены для измере­ния наружных размеров с использованием стеклянных пластин (ГОСТ 2923).

Диапазон измерения вертикального интерферометра до 150 мм, горизонтального - до 500 мм.

Погрешность измерения вертикальными интерферометрами при использовании концевых мер длины второго разряда составляет от 0,25 до 0,4 мкм. Эти интерферометры чаще всего используют для аттеста­ции концевых мер длины на третий разряд.

Измерительная машина - прибор для измерения линейных размеров сравнением со шкалой, встроенной неподвижно в этот при­бор, с отчетом дробных значений с помощью дополнительной шкалы, перемещающейся вместе с одним измерительным наконечником и по трубке оптиметра (тип ИЗМ-1, 2, 4, 6). Принципиальное построение машины аналогично оптическому длиномеру, т. е. имеется шкала с большим интервалом, который делится с помощью дополнительной шкалы, и устройство для отсчета значений с ценой деления 0,001 мм. Измерительные машины предназначены в основном для измерения больших размеров (более 1000 мм) и относятся к горизонтальному ти­пу. Измерения на машине производятся непосредственным методом или методом сравнения с мерой. При измерении методом сравнения с мерой отсчитывается отклонение от настроенного размера с исполь­зованием шкалы трубки оптиметра.

Применяют измерительные машины в основном для аттестации больших концевых мер длины и очень часто для определения размера микрометрических нутромеров после их сборки.

Технические характеристики задаются интервалом размера в общем диапазоне до 10000 мм. Погрешность измерения размеров до 500 мм на машинах ме­тодом сравнения с мерой в пределах от 0,4 до 2 мкм. При из­мерении методом непосредственной оценки, т. е. с использованием всех шкал, погрешность измерения при рекомендуемых условиях со­ставляет от 1 до 20 мкм.

3. Основными представителями третьей разновидности оптических приборов являются универсальный микроскоп и универсальный измерительный микроскоп (УИМ). К этому виду приборов относятся и бесконтактные интерферометры.

Универсальным микроскопом называется оптический при­бор для измерения линейных и угловых размеров в плоскости с визи­рованием измеряемых точек или линий с помощью микроскопа и от­счетом значений размера по оптическим шкалам.

УИМ представляет собой двухкоординатную измерительную маши­ну (КИМ). Если в КИМ определяется размер только в одном направле­нии, то в УИМ измерения производятся и в перпендикулярном направ­лении. Положение продольных и поперечных салазок определяется по стеклянным шкалам с помощью отсчетных микроскопов, снабженных окулярами со спиральным нониусом. При измерении резьб для повы­шения точности часто используют измерительные ножи.

УИМ имеет диапазон измерений в продольном направлении 200 мм, в поперечном - 100 мм. Цена деления отсчетных линейных устройств 0,001 мм, а угломерного устройства 1'. Изготовляют микроскопы для измерения размеров до 500 мм по продольной шкале и 200 мм - по поперечной. Отсчет размеров может производиться по проекционному устройству (экранный). В некоторых проекционных микроскопах имеется цифровой отсчет размера. Приборы обычно снабжаются всевозможной оснасткой для проведения различных измерений, поэтому они и называются универсальными.