長度測量工具

將被測長度與已知長度比較，從而得出測量結果的工具，簡稱測量工具。長度測量工具包括量規、量具和量儀。

基本介紹

• 中文名：長度測量工具
• 套用學科：物理
• 適用領域範圍：測量
• 適用領域範圍：距離

工具簡介

習慣上常把不能指示量值的測量工具稱為量規；把能指示量值，拿在手中使用的測量工具稱為量具；把能指示量值的座式和上置式等測量工具稱為量儀。

工具簡史

最早在機械製造中使用的是一些機械式測量工具，例如角尺、卡鉗等。16世紀，在火炮製造中已開始使用光滑量規。1772年和1805年，英國的J.瓦特和H.莫茲利等先後製造出利用螺紋副原理測長的瓦特千分尺和校準用測長機。19世紀中葉以後，先後出現了類似於現代機械式外徑千分尺和遊標卡尺的測量工具。19世紀末期，出現了成套量塊。繼機械測量工具出現的是一批光學測量工具。19世紀末，出現立式測長儀，20世紀初，出現測長機。到20年代，已經在機械製造中套用投影儀、工具顯微鏡、光學測微儀等進行測量。1928年出現氣動量儀，它是一種適合在大批量生產中使用的測量工具。電學測量工具是30年代出現的。最初出現的是利用電感式長度感測器製成的界限量規和輪廓儀。50年代後期出現了以數字顯示測量結果的坐標測量機。60年代中期，在機械製造中已套用帶有電子計算機輔助測量的坐標測量機。至70年代初，又出現計算機數字控制的齒輪量儀，至此，測量工具進入套用電子計算機的階段。

工具分類

測量工具通常按用途分為通用測量工具、專類測量工具和專用測量工具3類。

測量工具還可按工作原理分為機械、光學、氣動、電動和光電等類型。這種分類方法是由測量工具的發展歷史形成的。但一些現代測量工具已經發展成為同時採用精密機械、光、電等原理並與電子計算機技術相結合的測量工具，因此，這種分類方法僅適用於工作原理單一的測量工具。

通用測量工具

可以測量多種類型工件的長度或角度的測量工具。這類測量工具的品種規格最多，使用也最廣泛，有量塊、角度量塊、多面稜體、正弦規、卡尺、千分尺、百分表(見百分表和千分表)、多齒分度台、比較儀、雷射測長儀、工具顯微鏡、三坐標測量機等。

專類測量工具

用於測量某一類幾何參數、形狀和位置誤差（見形位公差）等的測量工具。它可分為：①直線度和平面度測量工具，常見的有直尺、平尺、平晶、水平儀、自準直儀等；②表面粗糙度測量工具，常見的有表面粗糙度樣塊、光切顯微鏡、干涉顯微鏡和表面粗糙度測量儀等（見表面粗糙度測量）；③圓度和圓柱度測量工具，有圓度儀、圓柱度測量儀等（見圓度測量）；④齒輪測量工具，常見的有齒輪綜合檢查儀、漸開線測量儀、周節測量儀、導程儀等（見齒輪測量）；⑤螺紋測量工具（見螺紋測量）等。

專用測量工具

僅適用於測量某特定工件的尺寸、表面粗糙度、形狀和位置誤差等的測量工具。常見的有自動檢驗機、自動分選機、單尺寸和多尺寸檢驗裝置(見自動測量)等。

工具結構

工具顯微鏡分小型﹑大型和萬能 3種類型﹐其常見的測量範圍分別為50×25毫米﹐150×75毫米和200×100毫米。它們都具有能沿立柱上下移動的測量顯微鏡和坐標工作檯。測量顯微鏡的總放大倍數一般為 10倍﹑20倍﹑50倍和100倍。小型和大型的坐標工作檯能作縱向和橫向移動﹐一般採用螺紋副讀數鼓輪﹑讀數顯微鏡或投影屏讀數﹐也有採用數字顯示的﹐分度值一般為10微米﹑5微米或1微米。萬能工具顯微鏡的工作檯僅作縱向移動﹐橫向移動由裝有立柱和測量顯微鏡的橫向滑架完成﹐一般採用讀數顯微鏡﹑投影屏讀數或數字顯示﹐分度值為1微米。工具顯微鏡的附屬檔案很多﹐有各種目鏡﹐例如螺紋輪廓目鏡﹑雙像目鏡﹑圓弧輪廓目鏡等﹐還有測量刀﹑測量孔徑用的光學定位器和將被測件投影放大後測量的投影器。此外﹐萬能工具顯微鏡還可帶有光學分度台和光學分度頭等。

基本組成

主要有已知長度、定位瞄準、放大細分和顯示記錄等部分。量規基本上只有已知長度部分。在一些量具、量儀中，這幾部分也不是截然分開的，有的放大細分和顯示實際上是一個部分，例如百分表類測量工具;有的瞄準、放大細分和顯示等部分是一個部件,例如讀數顯微鏡等。

已知長度部分

主要有兩種形式：①經過長度計量的量值傳遞中的傳遞系統檢定過的長度和角度，例如比長儀中線紋尺上的刻度，雷射干涉儀中的雷射波長，長、圓計量光柵上分別由密集線條組成的長度和角度，角度量塊兩測量平面間形成的角度等。②一些具有準確形狀的幾何量。例如平晶的光學測量平面，雷射準直儀中的雷射束，漸開線測量儀中由基圓盤、直尺機構產生的漸開線軌跡和由圓度儀精密軸系等形成的圓軌跡等。

定位瞄準部分

用於確定被測長度與已知長度的相對位置,使兩者能正確地比較,從而得到準確的量值。有接觸式和不接觸式兩種定位瞄準方法。

放大細分部分

把已知長度中的最小單位長度放大細分，使之能準確地分辨出已知長度與被測長度的微小差值，主要有機械、光學、氣動、電學和光電等類型。①機械型：如採用斜楔、槓桿、齒輪、扭簧等的放大機構和利用游標原理的細分機構等。②光學型：如讀數顯微鏡的顯微鏡光學系統、投影儀的投影光學系統和自準直儀的自準直光學系統等。③氣動型：利用彈性元件、錐度玻璃管等分別將空氣壓力或空氣流量轉換放大以便於指示量值，主要用於氣動量儀。④電學型：電子放大常用於以模擬量，例如以電壓作為被測尺寸電信號輸出的電學測微儀中；電子細分常用於以脈衝量輸出電信號的測量系統，例如感應同步器、磁柵等測量系統中。⑤光電型：採用光學方法和電學方法先後將被測尺寸轉換、放大、細分，以得到所需要的解析度，常用於光柵測量系統（見光柵測長技術）、雷射干涉儀、固體陣列測量系統（見長度感測器）等。

顯示記錄部分

用於將測量結果顯示、記錄出來。常見的顯示記錄方法有刻度指示、記錄顯示、數字顯示和圖象顯示等。①刻度指示：利用錶盤和指針等指示量值，或利用其他具有刻度的讀數裝置，例如讀數顯微鏡等讀出量值。②記錄顯示：用記錄器記錄被測長度的誤差曲線，它適用於需要連續記錄各點誤差以便計算和分析的測量，例如表面粗糙度測量、圓度測量和齒輪測量等。③數字顯示：測量結果以數字形式顯示出來，它可以避免刻度指示容易讀錯的缺點。數字顯示的方式很多，有數碼管顯示、液晶顯示、光學數字顯示、機械式數字顯示和印表機打字輸出等。④圖象顯示：用陰極射線管(CRT)以圖象形式將測量結果顯示出來,也可用X-Y 繪圖儀描繪出來。這種顯示方法直觀，也便於分析。

需要進行計算和數據處理的測量工具，尚要配備計算部分，例如微處理機或電子計算機等。

設計規則

設計測量工具，應儘可能遵守阿貝原則。它是德國的E.阿貝在19世紀60年代提出的。他認為，在長度測量中，被測長度應位於線紋尺刻度中心線的延長線上。按此原則設計的測量工具，由導軌直線度誤差引起的測量誤差是二階誤差，一般可以忽略不計，這樣就可以獲得精確的測量結果。但要遵守阿貝原則，測量工具的長度就得大於被測長度的兩倍以上。這對測量工具的剛度、製造和使用都很不利，對測量範圍大的測量工具，更是如此。這是不少測量工具的設計沒有遵循阿貝原則的原因之一。在測量工具設計中也可採用愛賓斯坦平行光學系統（見測長機）來補償由於導軌誤差引起的測量誤差，或採用電子計算機自動修正由於導軌誤差和被測長度定位不正確等引起的測量誤差。除了阿貝原則外，設計時應考慮的還有測量鏈最短原則、基面統一原則等。

測量方法

工具顯微鏡主要用於測量螺紋的幾何參數﹑金屬切削刀具的角度﹑樣板和模具的外形尺寸等﹐也常用於測量小型工件的孔徑和孔距﹑圓錐體的錐度和凸輪的輪廓尺寸等。工具顯微鏡的基本測量方法有影像法和軸切法。影像法﹕利用測量顯微鏡中分劃板上的標線瞄準被測長度一邊後﹐從相應的讀數裝置中讀數﹐然後移動工作檯(或橫向滑架)﹐以同一標線瞄準被測長度的另一邊﹐再作第二次讀數。兩次讀數值之差即被測長度的量值。圖2 用影象法測量樣板尺寸 為利用影像法測量樣板的L 尺寸。軸切法﹕測量過程與影像法相同﹐但瞄準方法不同。測量時分劃板上的標線不直接瞄準被測長度的兩邊﹐而瞄準與被測長度相切的測量刀上寬度為3微米的刻線﹐以此來提高瞄準精度

精度評定

主要是評定測量工具在規定條件下的測量精確度。常見的評定方法有檢定法、比對法和誤差分離法。

檢定法

測量工具按檢定規程檢定合格後，方能使用。一般是利用長度標準器檢定，例如：用量塊檢定千分尺和卡尺；用標準線紋尺檢定比長儀和測長機等。

比對法

利用兩台以上相同精度等級的測量工具相互對比，以確定其精確度。這種方法適用於評定一些精度等級很高的測量工具，例如雷射干涉儀、雷射干涉比長儀等，因為對於這類高精度的測量工具，沒有合適精度的長度標準器可供檢定之用。

誤差分離法

適用於一些高精度（形狀誤差小）和具有封閉圓周角的測量工具。例如檢定1級平晶,如待檢的三塊平晶1、2、3的平面度誤差分別為x、y、z，則把它們按1與2,2與3,3與1組合起來互檢平面度。得出的量值分別為a、b、c。列出方程式x+y=a，y+z=b，x+z=c。解方程式後即可求出x、y、z的量值。此外,檢定圓度儀和多齒分度台也可用這種方法。常用石英玻璃球圓度儀和多齒分度台也可用這種方法。常用石英玻璃球檢定圓度儀，因玻璃球等也有誤差，所以利用多次轉位方法分離出玻璃球和圓度儀精密軸系各自的誤差。多齒分度台也是利用其具有封閉圓周的特性，把兩台多齒分度圓台重疊在一起，各自向相反方向依次轉動一個相同的角度，從單色光自準直儀中讀出其量值，把一系列測得的量值處理後從中求得每台各自的分度誤差。