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测量精度

测量精度

测量精度（Measurement Precision）是指被测量的测得值与其真值的接近程度。它和测量误差是从两个不同角度说明同一概念的术语。

测量误差越大，则测量精度就越低；测量误差越小，则测量精度就越高；为了反映系统误差和随机误差对测量结果的不同影响，测量精度可分精密度、正确度、精确度三种。

测量精度在各个领域都有广泛的应用，如制造业、生物医学、光学、航空航天等领域。

衡量指标

精度是指误差分布的密集或离散程度。如果在一定观测条件下进行观测，所产生的误差分布较为密集，则表示观测精度较高;如果误差分布较为离散，则表示观测精度较低。为了衡量观测结果的精度，必须建立衡量精度的指标。常用的衡量测量精度的指标有中误差、极限误差和相对误差。

中误差

在相同观测条件下，做一系列的观测，并以各个真误差的平方和的平均值的平方根作为评定观测质量的标准，称为中误差，如果测量误差大；中误差则大；测量误差小，中误差则小。一般来说，中误差大，精度则低；中误差小，精度则高。实际工作中往往不知道真值，无法计算测量误差，所以，利用观测值计算算术平均值和改正数，再利用改正数来计算中误差。

极限误差

偶然误差的第一特性表明，在一定的观测条件下，误差的绝对值不会超过一定的限值。如果某个观测值的误差超过这个限值，就会认为这次观测的质量差或出现错误而舍弃不用。这个限值称为极限误差(或称容许误差)。大量试验统计证明，绝对值大于2倍中误差的偶然误差，出现的或然率不高于5%；大于3倍中误差的偶然误差，出现的或然率不大于0.3%。《工程测量标准》（GB50026一2020）规定，以2倍中误差作为极限误差，即△极=2m。

相对误差

中误差和真误差都是绝对误差，误差的大小与观测量的大小无关。然而，有些量如长度，绝对误差不能全面反映观测精度，因为长度丈量的误差与长度大小有关。例如，分别丈量两段不同长度的距离，一段为200m，另一段为300m，但中误差皆为士0.01m。显然不能认为这两段距离观测成果的精度相同。为此，需要引入“相对误差”，以便能更客观地反映实际测量精度。注意相对误差不能用于角度测量，因为角度测量误差与角度大小无关。

测量精度影响因素

计量器具误差

计量器具误差是指计量器具本身在设计、制造和使用过程中造成的各项误差。这些误差的综合反映可用计量器具的示值精度或不确定度来表示。

标准件误差

标准件误差是指作为标准的标准件本身的制造误差和检定误差。例如，用量块作为标准件调整计量器具的零位时，量块的误差会直接影响测得值。因此，为了保证一定的测量精度，必须选择一定精度的量块。

测量方法误差

测量方法误差是指由于测量方法不完善所引起的误差。例如，接触测量中测量力引起的计量器具和零件表面变形误差，间接测量中计算公式的不精确，测量过程中工件安装定位不合格等。

测量环境误差

测量环境误差是指测量时的环境条件不符合标准条件所引起的误差。测量的环境条件包括温度、湿度、气压、振动及灰尘等。其中，温度对测量结果的影响最大。

人员误差

人员误差是指由于测量人员的主观因素所引起的误差。例如，测量人员技术不熟练、视觉偏差、估读判断错误等引起的误差。总之，产生误差的因素很多，有些误差是不可避免的，但有些是可以避免的。因此，测量者应对一些可能产生测量误差的原因进行分析，掌握其影响规律，设法消除或减小其对测量结果的影响，以保证测量精度。

提高方法

多数光电仪器或系统都是由光学、电子学、精密机械、计算机控制与处理等系统组成的，若提高仪器或系统的精度，可分别从提高各构成系统的精度做起。具体方法是从各系统的机构原理、测量链、加工、装调、测试方法、误差修正等环节入手，采取一些有效措施，减小其原始误差或误差传递系数，以达到提高仪器精度的目的。

设计时从原理和结构上消除误差

(1)采用间隙调整机构,将间隙调至最小。(2)提高构件刚度,以减少弹性空程。(3)改善摩擦条件,减小摩擦力,以减少由于摩擦力造成的空程。

(1)在高精度测量中尽量不采用间歇运动机构,而采用连续扫描或匀速运动机构。(2)零部件的自振频率要避开外界振动频率。(3)采取各种防振措施,如防振墙、防振地基、防振垫等。(4)通过柔性环节使振动不传到仪器主体上。

(1)设计中采用对径读数消除偏心误差度盘、圆光栅等测角标准器,通常采取在180°的对径位置同时读数然后取平均值的方法来消除偏心误差。如图1所示,0点设为度盘旋转中心,0'点为度盘刻度中心,A和B点为对径读数位置。不难看出,由偏心量e引起的A、B两点的读数误差都为8,即A点读数为0°-δ,而B点读数为180°+δ。取A.B两点读数的平均值即可消除偏心误差δ。详细证明可知,采用对径读数系统还可消除度盘或圆光栅的全部奇次误差。

(2)设计合理的光路设计干涉仪光路采用共路原则,使工作臂与参考臂尽量经过相同的路径(并排靠近),这样可补偿由于床身变形和环境条件变化带来的误差。

从装配调整中消除误差

通过装配调整来提高光电仪器精度是一项行之有效的办法，具体做法如下：

单件修切法

例如，可采用以下几种方法：研配、修刮、修切某个端面来保证视度调节范围；修切分划镜的一个端面来保证分划面与物镜焦面重合；修切或研磨隔圈来保证透镜之间的间隔尺寸。

分组选配

例如，精密轴系的间隙要求很高，选择适当尺寸的轴与孔相配合就能得到所要求的间隙，在并联双光路系统中，如双目望远镜中，要求左右两镜筒的放大率允许误差小于或等于2%，可通过选配目镜、物镜的焦距来达到。同样在内基线体视测距机中，两组物镜的焦距公差要求极严，可通过精选、配对来满足要求。

对仪器的误差进行修正

对已定系统误差采用列表修正或微机修正。在光电仪器中，为了提高测量精度常常采用误差修正的办法。如温度变化范围大时，其误差为已定系统误差，只要精确测得温度，就可采用表格修正或由微机自动修正。在光学仪器中，基准器的误差是仪器的主要误差，只要已知基准器的误差变化规律，就可采用修正的方法，或将误差函数输入微机进行自动修正，或用表格曲线进行逐点修正。

采用合理的测量方法。对于高精度仪器，如在经纬仪的测量中，利用正、倒镜测量法来消除视差和度盘偏心差的影响，利用变换度盘位置来减小度盘刻线误差的影响，采用多次瞄准以提高瞄准精度等，都是提高仪器精度的有效方法。

采用误差补偿法提高仪器或系统的精度

误差补偿是提高仪器精度的一种有效手段。一般常采用下列3种补偿方式。

误差值补偿法

这是一种直接减小误差源的办法。其补偿形式有以下几种。(1）分级补偿。将补偿件的尺寸分成若干级，通过选用不同尺寸级的补偿件，得到阶梯式的误差减小，通过修磨补偿件的尺寸来达到预期的精度要求。（2)连续补偿。如导轨镶条用于连续调整间隙。(3）自动补偿。如通过误差校正板来自动校正误差。

误差传递系数补偿法

（1）选择最佳工作区。如偏心误差传递系数中有sinp或cosp(p为偏心相位角)，当零件工作角度范围不大时，可选择在最大偏心区以外的区域工作，从而减小误差。(2)改变误差传递系数。如图2所示，当螺距P的误差为△P，丝杠转一周时，工作台位移误差为△L=△P(1-cos0），改变θ角即可改变误差传递系数。

综合补偿

利用机械、光学、电气等技术手段去抵消某些误差，从而达到综合补偿的目的。以动态准直仪为标准器来跟踪测量一些高精度、数字式计量仪器导轨的直线度误差，并把测得的误差值经电路处理后转换为相应的脉冲数，输入给计数器或计算机进行阿贝误差补偿。其电路原理框图如图3所示。

由干涉仪输出的线位移脉冲信号，一路直接送到计数器或计算机进行显示，另一路则经低通滤波器送到门电路。门电路的开闭取决于D/A转换器的输出电压与由动态准直仪测得的和导轨直线度误差成比例的输出电压相比较的结果。如果两个电压平衡，则比较电路无输出，门电路均关闭且无加减脉冲输出。只要两个电压不平衡，经过比较电路，或把加法门打开，或把减法门打开，这样就有脉冲通过加法门或减法门输出，一路加到计数器或计算机进行误差补偿，另一路送到128位计数器，使D/A转换器的输出电压与动态准直仪的输出电压达到重新平衡，又使门电路均关闭。在整个测量过程中，补偿是自动连续进行的。

采用误差自动校正原理

对于精度要求较高，且又无法通过巧妙的结构安排使误差得到补偿的场合，可采取误差自动校正措施。近年来，误差自动校正还广泛应用在微细工程的自动调焦技术上。例如在大规模集成电路的制版、光刻、掩膜检查以及光盘技术中，都要求达到0.1μm量级甚至更高的调焦精度。

1.采用像散法离焦原理利用光电信号实现自动调焦

例如应用在光盘技术中的一种自动调焦方案如下。激光束经过半透半反射镜P折向物镜L1，聚焦于光盘表面后返回，通过L1、P和L2，本应成像于L2的后焦面上，然而由于在光路中插入了一块柱面镜，成像光点产生了像散。如图4所示，在a、b、c3个位置，像点的形状不同。如果按图所示在a、b、c处放置一个四象限光电接收器件，并按照(1+3)-(2+4)的逻辑关系进行信号处理，不难理解，在a、b、c3个位置的输出信号是不同的。实际使用时，将光电接收器固定在b位置，用它对应物面的正确位置，此时输出信号为零。当光盘表面产生离焦误差时，根据离焦的方向不同，像点的形状将向a或c方向变化，这样利用光电输出信号便可实现自动调焦。

2.利用干涉原理和光电转换实现直线度误差的自动补偿

图5所示为激光两坐标测量仪纵向工作台运动直线度的自动校正系统。一束激光由移相分光镜分成两路，分别射向安装在浮动工作台上的两个立体棱镜。由立体棱镜反射回来的光束重新在移相分光镜处会合并发生干涉，由光电接收器检测干涉条纹信号。当纵向工作台在前进过程中无角运动时，光电接收器检测不到干涉条纹的变化，但是只要工作台略有偏转，干涉仪两臂光程差便发生改变，光电接收器便可测出条纹的变化。经过光电转换及电信号的处理，可驱动压电陶瓷使工作台转回原来的方位，这样就达到了自动校正的目的。这一校正系统使工作台运动的直线度，在静态时由4um减小到0.5um。尽管没有达到零，但已极大地改善了运动精度。

应用领域

测量精度在各个领域都有广泛的应用，如：

制造业

精密测量技术在制造业中的应用非常广泛，可以对各种产品的尺寸、形状、质量等进行高精度的测量和检测，保证产品的质量和性能。

生物医学

精密测量技术在生物医学领域中起到了非常重要的作用，可以对生物物质的浓度、形态等进行测量，对疾病的诊断和治疗有着重要的帮助。

光学

精密测量技术在光学领域中也有广泛的应用，可以对光学元件的参数、性能等进行测量和评估，为光电子技术发展提供有力的支持。

航空航天

精密测量技术在航空航天领域中的应用也非常广泛，可以对飞机、火箭等器材进行各种参数测量，从而提高飞行的安全性和性能。

参考资料

精密测量的优点与应用.爱采购.2024-11-21