專利名稱：：尺寸測量法和用于實(shí)施該方法的標(biāo)準(zhǔn)樣品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及測量方法，其中對待檢工件的實(shí)際尺寸進(jìn)行測量，然后將測得值與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)樣品的實(shí)際尺寸值進(jìn)行比較，以便檢測任何可能出現(xiàn)的誤差值。在計(jì)量領(lǐng)域中需要提供一種可以改進(jìn)測量的分辨率和精度的系統(tǒng)。另一個(gè)相關(guān)的要求是重復(fù)測量性即相對于給定的標(biāo)準(zhǔn)樣品來說，在特定的自然和外界環(huán)境條件下，能再次讀出具有已知誤差的樣品自身的參數(shù)。這樣，在例如有資格的實(shí)驗(yàn)室和作為B.I.P.M(國際計(jì)量局)分部的學(xué)院所之間循環(huán)使用著“循環(huán)樣品”，其目的是評價(jià)再現(xiàn)樣品特有尺寸的實(shí)驗(yàn)性。根據(jù)已知的關(guān)系，通常在樣品測量中的所有誤差都取決于介入測量過程中的每種成份的分布。毫無疑問地，介入測量過程中的基本成份是溫度。溫度變化1度將會(huì)導(dǎo)致用鋼制成的100毫米長的樣品伸長0.00115毫米。這些變化是伴隨著不同的時(shí)間常數(shù)而形成的傳熱路徑產(chǎn)生的，其取決于實(shí)驗(yàn)室的自然環(huán)境特性。如果將上述條件擴(kuò)大到與實(shí)驗(yàn)室不同的環(huán)境下，例如一個(gè)進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的車間中，那么將能體會(huì)到溫度因素是多么的關(guān)鍵，因?yàn)椴还茉谑裁吹胤狡渥兓歼h(yuǎn)遠(yuǎn)超出1度。眾所周知，對工件來說有意義的百分比實(shí)驗(yàn)是在生產(chǎn)環(huán)境下通過手動(dòng)或自動(dòng)進(jìn)行的。公知的技術(shù)還有通過在相關(guān)的儀器上對在工件上進(jìn)行的測量和在配有儀器的比較樣品上進(jìn)行的周期性測量作一一比較來進(jìn)行檢驗(yàn)。這些有時(shí)被稱之為“調(diào)零樣品”的樣品用于確定、實(shí)現(xiàn)、存儲(chǔ)或再現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)已知的值，以便通過與其它值的比較來傳遞相同的值?，F(xiàn)在，由于調(diào)零樣品的標(biāo)稱值是在20℃的溫度下進(jìn)行檢定的，所以根據(jù)傳統(tǒng)的尺寸測量方法，應(yīng)在假定受檢工件和調(diào)零樣品有相同的熱膨脹系數(shù)的情況下對相應(yīng)的測量結(jié)果進(jìn)行比較。EP-A-0498780中公開了一種用于對例如儀器和測量機(jī)中的物理測長尺和類似物這樣的細(xì)長體的線性熱膨脹進(jìn)行檢測和補(bǔ)償?shù)姆椒ê脱b置，其中的測量誤差是由于用來校準(zhǔn)物體長度的標(biāo)準(zhǔn)溫度發(fā)生變化并引起長度變化而形成的。該方法和裝置還基于測量與標(biāo)準(zhǔn)件的制造材料有關(guān)的物體的線性膨脹，標(biāo)準(zhǔn)件材料的線性熱膨脹系數(shù)與物體材料的線性熱膨脹系數(shù)不同，而且此后，如果合適的話，應(yīng)確定對被測物體的長度進(jìn)行修正的補(bǔ)償系數(shù)。這就是目前所采用的已有技術(shù)狀態(tài)下的車間計(jì)量。為此，所采用的設(shè)備通常均以計(jì)算機(jī)化的系統(tǒng)為基礎(chǔ)，其軟件也考慮了與溫度變化趨勢有關(guān)的執(zhí)行程序。然而，這些手段通常并不完全可靠，而且由于該原因，在實(shí)際中對用于車間環(huán)境下來說同樣是不合適的。本發(fā)明的目的是提供一種在開始時(shí)所述類型的測量方法，該方法能夠克服以上缺陷并且在比較測量和絕對測量中，甚至在不對溫度進(jìn)行控制的環(huán)境下均為一種新的簡化方法。根據(jù)本發(fā)明，在開始時(shí)所定類型的尺寸測量方法其實(shí)際特征在于，比較樣品的材料與被檢工件的材料是一致的，而且具有實(shí)際上相同的熱膨脹系數(shù)，其中該方法進(jìn)一步包括以下步驟給出一個(gè)由具有低熱膨脹系數(shù)的材料構(gòu)成的標(biāo)準(zhǔn)樣品，其沿被測的實(shí)際尺寸方向上的膨脹基本上可忽略不計(jì)，測量所說標(biāo)準(zhǔn)樣品上相應(yīng)的實(shí)際尺寸以便得到其實(shí)的絕對測量值，將所說的真實(shí)絕對測量值與所說比較樣品的測得值進(jìn)行比較并通過該比較確定顯示相對熱膨脹的參數(shù)，如果在被檢工件實(shí)際尺寸測量值和比較樣品測得值之間有誤差的話，應(yīng)分別應(yīng)用該參數(shù)去修正所說的誤差。實(shí)際上，本發(fā)明所述的方法以“雙重比較”的測量方法為基礎(chǔ)，通過該方法，用將比較樣品與低熱膨脹系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行比較的方式可以檢測相對膨脹而且其還與對被檢工件進(jìn)行的讀數(shù)有關(guān)，由此可以象在20℃控溫環(huán)境下所進(jìn)行的那樣，推導(dǎo)出其尺寸。從尺寸的角度來看，本發(fā)明所述的測量方法能夠使生產(chǎn)過程更穩(wěn)定，且能限制其零點(diǎn)漂移和適當(dāng)?shù)乜s短檢驗(yàn)時(shí)間(減少穩(wěn)定時(shí)間和控制室溫的人員及設(shè)備轉(zhuǎn)移的時(shí)間等)。對帶有線性編碼器的儀器或光學(xué)儀器的調(diào)零來說可以取得極好的效果。此外，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室尺寸比較的情況下也能獲得明顯的效果。用于進(jìn)行本發(fā)明所述方法的標(biāo)準(zhǔn)樣品的材料可以是稱之為“INVAR”(鎳含量為37%的金屬合金)的金屬，或是石英，或是包含聚合樹脂基體和層狀碳纖維的更合適的復(fù)合材料。合適的樹脂是環(huán)氧樹脂，而疊層纖維可以具有0°和90°之間的不同取向角度，合適的是，每層之間和相鄰層之間的偏移角度為10°。為了達(dá)到在接觸區(qū)中確保高的表面硬度以及高的耐磨性，合適地是對標(biāo)準(zhǔn)樣品塊進(jìn)行表面涂覆處理，涂覆層包括陶瓷材料涂層或純石墨涂層，或甚至碳氟樹脂例如聚四氟乙烯涂層，涂層厚度為十分之幾個(gè)毫米。下面將參照附圖對本發(fā)明作詳細(xì)說明，這些附圖純粹是作為非限定性實(shí)例而給出的，其圖示地表示用于該測量方法中的不同設(shè)計(jì)類型的標(biāo)準(zhǔn)樣品。特別是圖1是加工成平行平面塊的第一標(biāo)準(zhǔn)樣品的概略性正視圖;圖2是沿圖1中的線Ⅱ-Ⅱ取下的剖面圖，圖3表示用于外徑檢驗(yàn)的第二標(biāo)準(zhǔn)樣品的正視圖，圖4是根據(jù)圖3中的箭頭4看到的俯視圖，圖5是用于檢驗(yàn)內(nèi)徑的第三標(biāo)準(zhǔn)樣品的正視圖，圖6是沿圖5中的線Ⅵ-Ⅵ取下的剖面圖，和圖7是用于檢驗(yàn)直徑和凸肩的第四標(biāo)準(zhǔn)樣品的正視圖。按照本發(fā)明，以“雙重比較”原則為基礎(chǔ)的尺寸測量方法提供了同時(shí)并存的兩個(gè)調(diào)零樣品，兩樣品具有與被檢工件相同的幾何形狀。標(biāo)成“比較樣品”的第一樣品用與被檢工件一致的材料制成，而且兩者實(shí)際上具有相同的熱膨脹系數(shù)。本說明書中的術(shù)語“一致”是根據(jù)該術(shù)語在計(jì)量領(lǐng)域中的一般含義確定的。更確切地說，與熱特性有關(guān)，本文所用的術(shù)語“一致”還特指“比較樣品”與被校驗(yàn)的工件具有相同的熱容量(根據(jù)材料組分和/或尺寸和/或形狀)。標(biāo)成“標(biāo)準(zhǔn)樣品”的第二樣品由其熱膨脹系數(shù)極低的材料制成，實(shí)際上該系數(shù)在被測實(shí)際尺寸的方向上是可忽略不計(jì)的。借助于傳統(tǒng)的測量設(shè)備，在本領(lǐng)域熟練人員的知識(shí)范圍內(nèi)且為了簡便起見不再詳細(xì)說明，首先測量被檢工件的實(shí)際尺寸(通常為長度)，然后將測得值與相應(yīng)的比較樣品的實(shí)際尺寸值相比較，以便得出任何誤差值。然后將比較樣品的實(shí)際尺寸值與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)樣品實(shí)際尺寸值相比較，由于標(biāo)準(zhǔn)樣品值不受環(huán)境溫度的影響，所以它實(shí)際上相當(dāng)于絕對測量值。比較之后，確定表示比較樣品相對熱膨脹的參數(shù)，并在有誤差的情況下用該參數(shù)來修正在被檢工件和比較樣品的實(shí)際尺寸測量值之間測出的誤差。實(shí)際上，由此通過兩個(gè)樣品之間的比較可以揭示出相對熱膨脹而且其還與在被檢工件上進(jìn)行的讀數(shù)有關(guān)，這樣就可以象在20℃控溫環(huán)境下所進(jìn)行的那樣，推導(dǎo)出工件尺寸。附圖概略地表示標(biāo)準(zhǔn)樣品可能出現(xiàn)的不同類型。在圖1和圖2的情況下，標(biāo)準(zhǔn)樣品是由方形塊構(gòu)成的，其具有平面和平行表面，該方形塊最好是按照下文將要說明的生產(chǎn)技術(shù)用包含有與層狀碳纖維相結(jié)合的聚合樹脂基體的復(fù)合材料制作。塊1和測量設(shè)備之間的接觸表面(在本例中由上下橫向表面構(gòu)成)涂覆有薄層2，3，薄層2，3的材料具有高表面硬度和高耐磨性。這種厚度可以是十分之幾毫米數(shù)量級(jí)的材料可以是陶瓷材料(例如CR2O3，ZrO2，等)，或是純石墨，或甚至是碳氟樹脂例如聚四氟乙烯，這些材料可按傳統(tǒng)的表面涂覆法提供。在圖3和圖4中標(biāo)成4的第二標(biāo)準(zhǔn)樣品由用相同復(fù)合材料制成的板構(gòu)成，該板具有呈圓弧形的兩個(gè)凸出對側(cè)5，6，圓弧的表面涂有與上述相同的具備高表面硬度和高耐磨性的材料。標(biāo)準(zhǔn)樣品4用于檢驗(yàn)外直徑。在圖5和圖6中標(biāo)為7的第三標(biāo)準(zhǔn)樣品大體上加工成方形板，板上帶有中心開口8，開口上有兩個(gè)呈圓弧形幾何形狀的凹形對側(cè)9、10。在這種情況下，板7也由相同的復(fù)合材料制成，而且在表面9和10上涂有同樣的具高硬度和耐磨性的材料。最后，在圖7中標(biāo)為11的第四標(biāo)準(zhǔn)樣品由用于控制直徑φ1……φ5和凸肩L1……L3的橫向柱形表面和呈平面的前表面構(gòu)成。即使在這種情況下，標(biāo)準(zhǔn)樣品11的主體也是用相同的復(fù)合材料制成的，而且在其橫向和前部表面上涂有同樣的具有高硬度和耐磨性的材料。復(fù)合材料環(huán)氧樹脂碳纖維具有極低的熱膨脹系數(shù)(實(shí)際上包含3和4×10-7℃-1之間的)，它能夠使標(biāo)準(zhǔn)樣品的特性在與測量方向重合的主方向上最佳。在與測量設(shè)備相接觸的區(qū)域中通過添加氧化陶瓷或純石墨進(jìn)行的表面涂覆處理必須達(dá)到使這些表面具有高硬度(HRC＝64)。通常，使用Tenax型或Texi-pregs的聚酯膠片即，與其中含有凝固劑的凝固樹脂相結(jié)合的纖維來制作所示的標(biāo)準(zhǔn)樣品塊，其所具有的確定樹脂含量為重量的40%和50%之間，最好是接近重量的45%。復(fù)合材料塊具有對稱和平衡結(jié)構(gòu)的單向特性，該特性是通過將厚度為約0.15毫米的聚酯膠片疊加而獲得的，聚酯膠片彼此間以不同的纖維取向角度(0，±20°，±30°，…90°)相互疊加。壓力和溫度的熱物理作用決定著聚酯膠片的硬度。在生產(chǎn)過程中，沉積和固化工序?qū)嶋H上彼此不同。在沉積工序中，包含在聚酯膠片中的纖維層按照所需的圖案并以最佳方式進(jìn)行定位以便獲得所需的物理特性。在第二階段中，使樹脂凝固并使樣品塊獲得其最終的形狀。為了得到預(yù)期的厚度，例如約9毫米，可以將厚度約為4，5毫米的凝固材料塊借助于熱固材料的機(jī)械粘接劑連在一起。固化過程是在加壓的容器中在8-9bar的壓力下進(jìn)行的，接著要進(jìn)行三個(gè)連續(xù)的加熱步驟以4°C/1′的速率加熱到120℃;在8bar壓力下保持120℃恒溫90′;和以同樣的速率冷卻。采用公知的具有足夠分辨率(約10-8m/m)的干涉激光測量來完成對熱膨脹系數(shù)的控制。根據(jù)傳統(tǒng)的方法，熱膨脹系數(shù)的計(jì)算是基于層狀體多層復(fù)合平面的彈性理論(Halpcin和Pagano的理論;虎克定律的Duhamel-Neumann公式)。將復(fù)合材料的彈性特征綜合如下</tables>其中E＝楊氐彈性模量;V＝泊松彈性模量。在考慮優(yōu)選復(fù)合材料(環(huán)氧樹脂碳纖維)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，適合用于本發(fā)明所述測量方法中的標(biāo)準(zhǔn)樣品也可以用熱膨脹系數(shù)低的不同材料來制做，例如標(biāo)為“INVAR”(含鎳量約為37%的合金)的金屬材料，石英或其它復(fù)合材料。通過以上說明可以看出，根據(jù)本發(fā)明的測量方法既可以達(dá)到在實(shí)驗(yàn)室中的計(jì)量目的，又可以在生產(chǎn)環(huán)境下對產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量控制，其能夠完成極精確和可靠的尺寸檢驗(yàn)，而不需要對環(huán)境溫度進(jìn)行任何控制。權(quán)利要求1.一種測量方法，其中測量被檢工件的實(shí)際尺寸，并將測量值與比較樣品的相應(yīng)實(shí)際尺寸值進(jìn)行比較，以便在有誤差的情況下測出誤差值，而且其中的比較過程是受環(huán)境溫度影響的，其特征在于比較樣品是用與被檢工件相一致的材料制成的，而且兩者實(shí)際上具有相同的熱膨脹系數(shù)，該方法包含以下步驟提供由熱膨脹系數(shù)很低的材料構(gòu)成的標(biāo)準(zhǔn)樣品(1；4；7；11)，該熱膨脹在被測的實(shí)際尺寸方向上實(shí)際上可忽略不計(jì)，測量所說標(biāo)準(zhǔn)樣品的相應(yīng)實(shí)際尺寸以便獲得實(shí)際上的絕對測量值，將所說的實(shí)際絕對測量值與所說比較樣品的測得值進(jìn)行比較，并通過比較來確定表示相對熱膨脹的參數(shù)，如果在被檢工件和比較樣品的實(shí)際尺寸測得值之間存在任何誤差，則要用所說的參數(shù)對出現(xiàn)的誤差值進(jìn)行修正，用該參數(shù)分別修正出現(xiàn)在被檢工件的實(shí)際尺寸測量值和比較樣品之間可能的誤差值。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，標(biāo)準(zhǔn)樣品(1，4，7，11)是由復(fù)合材料體構(gòu)成的，復(fù)合材料體包含聚合樹脂基體和層狀碳纖維，層狀碳纖維的相鄰層之間呈不同的取向角度。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于樹脂是環(huán)氧樹脂。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于對標(biāo)準(zhǔn)樣品件進(jìn)行表面涂覆處理以增強(qiáng)其表面硬度。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于涂覆處理包括陶瓷材料涂覆。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于涂覆處理包括純石墨涂覆。7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于涂覆處理包括碳氟樹脂涂覆。8.一種用于進(jìn)行權(quán)利要求1所述方法且具有低的熱膨脹系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)樣品，其特征在于該標(biāo)準(zhǔn)樣品由包含聚合樹脂基體和層狀碳纖維的復(fù)合材料體構(gòu)成，層狀碳纖維的相鄰層之間具有不同的取向角度。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的標(biāo)準(zhǔn)樣品，其特征在于樹脂是環(huán)氧樹脂。10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的標(biāo)準(zhǔn)樣品，其特征在于對樣品進(jìn)行表面涂覆處理以增加表面硬度。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的標(biāo)準(zhǔn)樣品，其特征在于涂覆處理包括陶瓷材料涂覆。12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的標(biāo)準(zhǔn)樣品，其特征在于涂覆處理包括純石墨涂覆。13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的標(biāo)準(zhǔn)樣品，其特征在于涂覆處理包括碳氟樹脂涂覆。14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的標(biāo)準(zhǔn)樣品，其特征在于所包含的樹脂含量為重量的40%和50%之間，優(yōu)選為約45%。15.根據(jù)權(quán)利要求8所述的標(biāo)準(zhǔn)樣品，其特征在于標(biāo)準(zhǔn)樣品體具有通過疊加聚酯膠片層而形成的對稱和平衡結(jié)構(gòu)，聚酯膠片層的厚度為0.1和0.2毫米之間，優(yōu)選為0.15毫米，彼此疊加的層上的纖維有0°和90°之間的不同取向角度，實(shí)際上在每個(gè)相鄰層之間取向角度為約±10°。16.根據(jù)權(quán)利要求8所述的標(biāo)準(zhǔn)樣品，其特征在于標(biāo)準(zhǔn)樣品的熱膨脹系數(shù)實(shí)際上為3和4×10-70C-1之間。全文摘要本發(fā)明公開了一種對被檢工件進(jìn)行尺寸測量的方法，其中使用了比較樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品，兩種樣品的材料分別為與被檢工件的材料相一致的材料和熱膨脹系數(shù)低的材料。通過對兩個(gè)樣品進(jìn)行比較確定其相對熱膨脹，而該熱膨脹與對被檢工件進(jìn)行的測量有關(guān)，由此可以象在控溫環(huán)境下所進(jìn)行的測量那樣來確定工件的尺寸。用于完成該方法的標(biāo)準(zhǔn)樣品最好是用復(fù)合材料制做。文檔編號(hào)G01D3/028GK1112673SQ9412005公開日1995年11月29日申請日期1994年12月21日優(yōu)先權(quán)日1993年12月21日發(fā)明者A·克里泰利申請人:羅斯弗克里泰利安東尼奧工程公司