计量仪器的基本知识

计量仪器的基本知识1第一页，共五十一页，编辑于2023年，星期一第一节量仪的定义及其测量对象

量具定义为：“以固定形式复现量值的计量器具”；

量仪定义为：“将被测的量转换成可直接观测的指示值或等效信息的计量器具”。

因此，量仪和量具又统称为计量器具。量具可分为：单值量具（如砝码、量块、量规、标准电池、固定电容等）

多值量具（如线纹尺、分度盘等）

成套量具（如砝码组、量块组等）

一、量仪的定义

2第二页，共五十一页，编辑于2023年，星期一

量具的结构比较简单，

没有指示器，没有可以运动的测量元件，没有放大功能，细分程度也很有限，或干脆没有细分。操作简单，测量参数单一。

而量仪的结构比较复杂，一般都有传感、转换放大、显示等几个主要环节。仪器所适用的测量对象较多，操作过程比较复杂。

3第三页，共五十一页，编辑于2023年，星期一二、量仪的测量对象

从广义讲应该包括一切物理量，本书所介绍的几何量计量仪器的测量对象主要包括长度、位移、角度、粗糙度等几何量及其复合量。

4第四页，共五十一页，编辑于2023年，星期一第二节量仪的主要技术指标

仪器的技术指标是仪器工作性能的标志，是使用者选择和应用仪器的依据。

量仪主要技术指标有：

1、分度间隔分度间隔—是刻尺或度盘上相邻两刻线中心之间的距离

对于刻尺为相邻两刻线中心间的距离；对于度盘为相邻刻线中心间的弧线长度。

思考：为使观察读数方便，分度间隔一般应在1--2.5mm范围内。？

5第五页，共五十一页，编辑于2023年，星期一2、分度值

分度值——是对应于一个分度间隔的被测量值，它是一台仪器可能读出的最小读数值（不包括估读值）。

对于指示式仪器，分度值是指刻尺或度盘上相邻两刻线所代表的量值之差。如光学计的分度值为0.001mm。

对于数字式仪器来说，一般不称作分度值，而将仪器所能测得的被测量的最小增量称为分辨力。6第六页，共五十一页，编辑于2023年，星期一3、测量范围和示值范围

测量范围——是指在允许误差极限内仪器所能测出的被测量值的范围。

示值范围——是指仪器所显示或指示的最低值到最高值的范围。例如，立式光学计的示值范围为±0.1mm，而测量范围还包括横臂沿立柱的调节范围，为180mm。

7第七页，共五十一页，编辑于2023年，星期一4、示值误差

示值误差——是指仪器示值与被测量的真值之差。

由于真值一般无法知道，通常是以高一级精度的计量器具测得的量值来近似地代表真值。(示值误差的大小可通过对仪器的检定来得到)

示值稳定性——是指在测量条件不变的情况下，对同一量连续多次重复测量时仪器示值的最大变化范围。5、示值稳定性8第八页，共五十一页，编辑于2023年，星期一6、回程误差回程误差——是在相同条件下，仪器正反行程在同一点被测量示值之差的绝对值。

产生回程误差的主要原因是仪器有关零件之间存在有间隙和磨擦。7、修正值

为消除系统误差用代数法加到测量结果上的值，叫做修正值。

修正值的大小等于未修正测量结果的绝对误差，但正负号相反。9第九页，共五十一页，编辑于2023年，星期一8、灵敏度和放大比

灵敏度——是指仪器对被测量变化的反应能力，即被观测到的变量的增量与其相应的被测量的增量之比。式中：S——灵敏度；——被观测到的变量的增量；——被测量的增量。在分子分母是同一类量的情况下，灵敏度也称放大比或放大倍数。10第十页，共五十一页，编辑于2023年，星期一9、灵敏阈

引起仪器示值可察觉变化的被测量的最小变化值，叫作灵敏阈，也称灵敏限。

10、测量力

测量力——是在接触测量过程中发生在仪器测头和被测工件表面间的接触力。测力过大时，会引起被测件或测头的弹性变形，造成测量误差；但测力过小，测量时不能可靠接触，会造成示值不稳定。11第十一页，共五十一页，编辑于2023年，星期一11、仪器误差和测量误差

仪器误差——是指仪器本身固有的误差通常是用仪器精度分析的方法求得其理论值，或通过实测检定取得其实际值。

测量误差——是指测量结果和被测量值之间的差异，它包括仪器误差、测量方法误差、外界环境条件偏离标准状态和测量人员主客观因素等原因造成的误差。12第十二页，共五十一页，编辑于2023年，星期一第三节量仪的分类

主要分类方法：一是按其对原始信号的转换原理进行分类；二是按量仪的用途进行分类。

一、按原始信号转换原理分类

不同信号转换原理在测量仪器中的实际运用，促成了仪器的更新换代。所以按原始信号转换原理分类的仪器，其时代感很鲜明，工作原理的概念比较突出。

13第十三页，共五十一页，编辑于2023年，星期一（一）机械式量仪

用机械方法实现原始信号转换的量仪称为机械式量仪。包括千分尺、百分表、杠杆比较仪、扭簧比较仪等。按传动原理不同，又把机械式量仪分为以下几种：

1、纯杠杆传动测微仪2、齿轮传动测微仪3、杠杆齿轮传动测微仪4、弹性元件传动测微仪等机械式量仪特点

优点：

结构简单、成本低、操作维护方便

缺点：

精度不高14第十四页，共五十一页，编辑于2023年，星期一（二）光学式量仪用光学的方法实现对原始信号的转换和放大。

根据光学系统的不同又将光学式量仪分为以下几种：

1、望远系统的光学式量仪如平行光管、准直仪和以准直系统为主的光学计等2、显微系统的光学式量仪属于这类的有工具显微镜、测长机、测长仪、光学分度头等3、投影系统的光学式量仪所有型号和规格的投影仪都属于这一类

15第十五页，共五十一页，编辑于2023年，星期一

这类仪器中有复现长度基准光波的绝对光波干涉仪还有作为精密测量的接触式干涉仪、干涉显微镜、小孔干涉测量仪等由于这类量仪以光波作为测长的基准，所以它们的准确度在光学式量仪中最高

这类量仪依靠近期发展起来的光栅、激光新技术，与现代的光、机、电综合应用技术相结合，实现了测量的数字化和自动化如：光栅式三坐标测量机、光栅式光学分度头、光电光波比长仪、激光量块干涉仪等5、光栅、激光原理的数显式光学量仪4、干涉原理的光学式量仪16第十六页，共五十一页，编辑于2023年，星期一

优点：

准确度高、性能稳定、测量方式灵活、测量对象广泛在整个量仪体系中，光学式量仪一直占有十分重要的地位。

缺点：制造成本高、要求环境条件较严、操作使用复杂。因此在生产车间里很少采用，多用在计量部门的精密测量和量值传递上。

光学式量仪特点：17第十七页，共五十一页，编辑于2023年，星期一（三）电动式量仪将原始信号的变化转换成电信号的变化的量仪称为电动量仪。按其传感原理的不同又分为以下几种：

1、电接触式比较仪2、电感式比较仪3、电容式比较仪

电动量仪特点：

优点：

准确度较高、体积较小、能自动进行参数运算易于实现自动测量、自动记录、自动显示等。

缺点：与光学量仪相比稳定性较差18第十八页，共五十一页，编辑于2023年，星期一（四）气动式量仪

气动式量仪是以压缩空气为介质，靠气动系统状态的变化实现对原始信号的转换。气动式量仪可分为两大类：

1、压力式气动量仪2、流量式气动量仪。

气动量仪特点：

示值范围小、示值稳定时间长、不同参数和不同测量范围需要不同型式和规格的测量头。故气动量仪只适于大批量生产的测量。

19第十九页，共五十一页，编辑于2023年，星期一二、按量仪的用途分类

1、测微仪类

这类量仪一般包括传感、转换放大和显示等几个组成部分，如指示式、数显式测微表等由于体积比较小巧，因而可以把它们安装在各种用途的量仪上作测微仪用，也可安装在表架或仪器座上单独使用。

2、通用量仪主要指一些通用性较强的量仪：

如各种工具显微镜、光学分度头、三坐标测量机等

3、专用量仪主要指那些测量参数固定的量仪：

如

表面粗糙度测量仪、齿轮参数测量仪、丝杠检查仪、圆度仪、线纹比长仪、螺纹参数测量仪等。20第二十页，共五十一页，编辑于2023年，星期一三、按量仪的其它特征分类1、按自动化程度：可分为手动、半自动量仪和自动量仪2、按对测量结果的显示方式：可分为指示式、投影式和数字式量仪3、按计量功用：可分为标准量仪和工作量仪21第二十一页，共五十一页，编辑于2023年，星期一第四节光学量仪的基本组成部分

及其常用光学元件

光学量仪发展较早，品种、规格都比较齐全，应用很广泛。近年来出现了许多机、光、电等先进技术综合为一体的现代量仪。

本书所介绍的一些光学量仪尽管有的属于较早的产品，但还是当前广泛应用的检测仪器设备，从进一步了解现代量仪所必须的基本知识来看，也需要先了解和掌握这些仪器。22第二十二页，共五十一页，编辑于2023年，星期一一、光学量仪的基本组成部分

光学量仪种类繁多，但我们仍可按它的功能将其划分为若干个基本组成部分

为便于说明，先举一个在万能工具显微镜上测量工件尺寸的例子

如图1—1所示：测量过程可用图1-2表示。

由这个例子分析可知，光学量仪可分为以下几个主要组成部分：

23第二十三页，共五十一页，编辑于2023年，星期一1-底座2-纵向移动工作台3-被测工件4-瞄准显微镜5-刻度尺6-读数显微镜图1-1在工具显微镜上测量示意图24第二十四页，共五十一页，编辑于2023年，星期一图１—２测量过程框图25第二十五页，共五十一页，编辑于2023年，星期一1、标准量部件进行测量，就是将被测量与标准量进行比较。

光学量仪必须有一个或一个以上的提供标准量的部件,因此,标准量部件是仪器的重要组成部分，是决定仪器精度的主要环节。光学量仪的标准量部件主要有：

（1）量块

在光学量仪中，量块可用来扩大量程，如大型工具显微镜纵、横向量程的扩大。量块也可用作微差比较测量的标准量，如在光学计上测量工件时。26第二十六页，共五十一页，编辑于2023年，星期一

精密螺纹作为标准量便于细分，应用较广泛如:自准直仪、光切显微镜等光学量仪测微目镜中的测微螺杆

缺点:是长度及精度均有限。

（3）全属刻尺金属刻尺的线膨胀系数与被测件接近，500mm以上的长刻尺通常是用金属制作。但由于金属的塑性，金属刻尺上的刻线往往两头细中间粗。另外在光学系统中，只能反射，不能透射，视场亮度受限制，因而应用不如玻璃刻尺广泛。（2）精密螺纹27第二十七页，共五十一页，编辑于2023年，星期一（4）玻璃刻尺较短的（如300mm以下）刻尺通常用光学玻璃制作。缺点:其线膨胀系数与钢相差甚远。此外，在光电式量仪中，还可应用光栅尺、磁栅尺、感应同步器以及光波等作为标准量部件。28第二十八页，共五十一页，编辑于2023年，星期一2、感受转换部件

其作用是感受被测的量，拾取原始信号（有时也起信号的一次转换作用）。

感受转换部件分接触式和非接触式两大类：接触式感受转换部件一般指各种机械式测头；非接触式感受转换部件如光学量仪中的各种物镜。29第二十九页，共五十一页，编辑于2023年，星期一3、转换放大部件

其作用是将感受到的微小信号，通过机、光、电、气等原理进行转换和放大，成为可使观察者直接接收的信息如机械杠杆、光学镜头、电路中的光敏元件和放大器等4、瞄准部件其主要要求是指零瞄准或对被测工件轮廓影像瞄准，一般不作读数用。如图１—１中，瞄准显微镜４虽然具有对被测原始信号的感受转换和放大功用，但由于它在这里主要是对被测量起瞄准作用，所以把这类部件习惯地称之瞄准部件。

30第三十页，共五十一页，编辑于2023年，星期一5、显示部件显示部件的作用是显示测量结果。

其种类很多，如机械测微中的指针表盘、光学量仪中的读数目镜和影屏以及数字显示器等等。

6、机械结构部件机械结构部件主要有——基座与支架、导轨与工作台、轴系及其它如微调、锁紧、限位和保护等机构。31第三十一页，共五十一页，编辑于2023年，星期一二、常用的光学元件常用的光学元件可分为两大类：一类是平面光学元件一类是球面光学元件

（一）平面光学元件

1、分划板分划板是一种在光学平板玻璃上刻制各种线条、数字或标志的光学元件。

分划板广泛应用于光学计量仪器的瞄准和读数系统中。如光学计中的微米标尺分划板，万能工具显微镜中的阿基米德螺旋线分划板等等。32第三十二页，共五十一页，编辑于2023年，星期一2、线纹尺在光学计量仪器中，线纹尺常作为长度测量的标准元件

常用的线纹尺有毫米玻璃刻尺，就是在光学平板玻璃上，以mm为单位，精确地刻制出若干条毫米刻线。如测长仪上0～100mm的玻璃线纹尺，万能工具显微镜上的0～

200mm的玻璃刻尺等。3、滤色片滤色片是一种带有颜色的平板玻璃。在计量仪器的光学系统中，通常是选用“绿色”或“橙色”因为这两种颜色的光线比较柔和，在这两种颜色的光线下能提高人眼的分辨力。从而可提高测量精度，并适宜人眼长时间观察。33第三十三页，共五十一页，编辑于2023年，星期一4、平面镜

平面镜是在平面玻璃板的磨光平面上镀一层反射膜而得，反射膜通常是铝膜和银膜。

平面镜的成像特性：

（1）能使整个物空间理想成像，物点和象点与镜面对称，且为虚象；（2）物、象大小相等，但为镜像。即如果物是左手坐标，则其像是右手坐标。(3)转镜规则：即在入射光线的方向保持不变，而将平面镜绕和入射面垂直转动α角时，则反射光线就转动2α角，且转动方向相同。如图1—3所示

34第三十四页，共五十一页，编辑于2023年，星期一这是因为入射角和反射角同时增大（或缩小）α角所引起的这一转镜规则广泛应用于光学计量仪器中，如光学计中的光学杠杆原理等。

图1—3平面镜转角时反射光线变化情况35第三十五页，共五十一页，编辑于2023年，星期一5、反射棱镜反射棱镜是由多个反射平面所围成的透明体。

产生全反射的条件：

（1）光线由光密射向光疏（2）入射角大于临界角与平面镜相比具有以下特点：

优点：不需要镀反射膜，无光能损失，也不存在膜层受腐蚀，且不易变形

缺点：体积较大，耗光学材料较多36第三十六页，共五十一页，编辑于2023年，星期一使光轴转折90ｏ，缩小了仪器体积和重量，并使观测比较方便（如光学计中的转向棱镜）

（1）直角棱镜一次反射直角棱镜（如图1—4所示）二次反射直角棱镜（如图1—5所示）

使光轴转折180ｏ，在仪器光学系统中取倒象作用

图1—4一次反射直角棱镜

图1—5二次反射直角棱镜

几种常用的反射棱镜：37第三十七页，共五十一页，编辑于2023年，星期一（2）五角棱镜

（如图1—6所示）具有夹角为45ｏ的两个反射面，使光轴转折90ｏ，对于五角棱镜，只要两反射面的夹角是准确45ｏ，无论入射光线的方向如何，其出射光线与入射光线的夹角总保持90ｏ。因此

五角棱镜又被称之为“光学直角器”，常用作检定垂直度的标准。

（3）施密特屋脊棱镜

（如图1—7所示）它除了使光轴发生预定的转折以缩小仪器外形体积和使观测方便外，还具有转象的作用。应用于各种工具显微镜中的转向棱镜。图1—6五角棱镜

38第三十八页，共五十一页，编辑于2023年，星期一图1—7施密特屋脊棱镜39第三十九页，共五十一页，编辑于2023年，星期一（4）分光棱镜分光棱镜是由两个等腰直角棱镜胶合而成。（如图1—8所示）

斜面是胶合面，镀有析光膜（也称为分光膜），其作用是把一束光线的光能量分成两部分，50%光能透过析光膜，其余50%光能被析光膜反射常用于光学量仪的各种分光光路。图1—8分光棱镜

析光膜40第四十页，共五十一页，编辑于2023年，星期一（5）合象棱镜

合象棱镜是由五块直角棱镜胶合而成（如图1—9所示）它可将来自两个相对方向的两束光线合二为一，即能将两个物点合为一个象点。如“光学找象器”中的合象棱镜。

图1—9合象棱镜

41第四十一页，共五十一页，编辑于2023年，星期一（6）双象棱镜双象棱镜是由五块棱镜胶合而成

一个物点经过双象棱镜后分为两个象点，只有当该物点和光轴重合时，这两个物点才重合为一个象点。（图1—10双像棱镜的结构）

42第四十二页，共五十一页，编辑于2023年，星期一

图1—10双象棱镜

43第四十三页，共五十一页，编辑于2023年，星期一（二）球面光学元件——透镜

透镜是仪器光学系统中重要的一种光学元件。1、透镜的分类

（1）按透镜的性质分（如图1—12所示）

图1—12透镜分类

正透镜

负透镜

①正（凸）透镜②负（凹）透镜

44第四十四页，共五十一页，编辑于2023年，星期一（2）按透镜的复杂程度分：

①单透镜仅由两个球面构成的透镜（如普通光学量仪中的聚光镜）

②复透镜由两个以上单透镜胶合而成的透镜（如普通光学量仪中的物镜或目镜）

③组合透镜由两个以上，彼此相隔一定距离放置的透镜组成的系统（如精密光学量仪中的物镜、目镜及聚光镜）

45第四十五页，共五十一页，编辑于2023年，星期一2、透镜的性质

尽管在仪器中见到的透镜形状和结构各式各样，但都具有共同的性质。透镜的这个性质就是：

能将一物点发