第一章计量仪器的基本知识长成

第一章计量仪器的根本知识学习目的:1、明确量仪的定义及其丈量对象；2、熟习量仪的主要技术目的和分类；3、了解光学量仪的根本组成和常用光学元件。1第一节量仪的定义及其丈量对象量具定义为：“以固定方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、规范电池、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量具的构造比较简单，没有指示器，没有可以运动的丈量元件，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，丈量参数单一。而量仪的构造比较复杂，普通都有传感、转换放大、显示等几个主要环节。仪器所适用的丈量对象较多，操作过程比较复杂。

3二、量仪的丈量对象从广义讲应该包括一切物理量，本书所引见的几何量计量仪器的丈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第二节量仪的主要技术目的仪器的技术目的是仪器任务性能的标志，是运用者选择和运用仪器的根据。量仪主要技术目的有：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间隔对于刻尺为相邻两刻线中心间的间隔；对于度盘为相邻刻线中心间的弧线长度。思索：为使察看读数方便，分度间隔普通应在1--2.5mm范围内。？52、分度值分度值——是对应于一个分度间隔的被丈量值，它是一台仪器能够读出的最小读数值〔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，普通不称作分度值，而将仪器所能测得的被丈量的最小增量称为分辨力。63、丈量范围和示值范围丈量范围——是指在允许误差极限内仪器所能测出的被丈量值的范围。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，而丈量范围还包括横臂沿立柱的调理范围，为180mm。74、示值误差示值误差——是指仪器示值与被丈量的真值之差。由于真值普通无法知道，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。(示值误差的大小可经过对仪器的检定来得到)示值稳定性——是指在丈量条件不变的情况下，对同一量延续多次反复丈量时仪器示值的最大变化范围。5、示值稳定性86、回程误差回程误差——是在一样条件下，仪器正反行程在同一点被丈量示值之差的绝对值。产生回程误差的主要缘由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丈量结果上的值，叫做修正值。修正值的大小等于未修正丈量结果的绝对误差，但正负号相反。98、灵敏度和放大比灵敏度——是指仪器对被丈量变化的反响才干，即被观测到的变量的增量与其相应的被丈量的增量之比。式中：S——灵敏度；——被观测到的变量的增量；——被丈量的增量。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。109、灵敏阈引起仪器示值可觉察变化的被丈量的最小变化值，叫作灵敏阈，也称灵敏限。10、丈量力丈量力——是在接触丈量过程中发生在仪器测头和被测工件外表间的接触力。测力过大时，会引起被测件或测头的弹性变形，呵斥丈量误差；但测力过小，丈量时不能可靠接触，会呵斥示值不稳定。1111、仪器误差和丈量误差仪器误差——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实际值，或经过实测检定获得其实践值。丈量误差——是指丈量结果和被丈量值之间的差别，它包括仪器误差、丈量方法误差、外界环境条件偏离规范形状和丈量人员主客观要素等缘由呵斥的误差。12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展分类；二是按量仪的用途进展分类。一、按原始信号转换原理分类不同信号转换原理在丈量仪器中的实践运用，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，任务原理的概念比较突出。13〔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：构造简单、本钱低、操作维护方便缺点：精度不高14〔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一切型号和规格的投影仪都属于这一类15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细丈量的接触式干涉仪、干涉显微镜、小孔干涉丈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托近期开展起来的光栅、激光新技术，与现代的光、机、电综合运用技术相结合，实现了丈量的数字化和自动化如：光栅式三坐标丈量机、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优点：准确度高、性能稳定、丈量方式灵敏、丈量对象广泛在整个量仪体系中，光学式量仪不断占有非常重要的位置。

缺点：制造本钱高、要求环境条件较严、操作运用复杂。因此在消费车间里很少采用，多用在计量部门的精细丈量和量值传送上。光学式量仪特点：17〔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、能自动进展参数运算易于实现自动丈量、自动记录、自动显示等。缺点：与光学量仪相比稳定性较差18〔四〕气动式量仪气动式量仪是以紧缩空气为介质，靠气动系统形状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、不同参数和不同丈量范围需求不同型式和规格的丈量头。故气动量仪只适于大批量消费的丈量。19二、按量仪的用途分类1、测微仪类这类量仪普通包括传感、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，因此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运用。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、三坐标丈量机等3、公用量仪主要指那些丈量参数固定的量仪：如外表粗糙度丈量仪、齿轮参数丈量仪、丝杠检查仪、圆度仪、线纹比长仪、螺纹参数丈量仪等。20三、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、按对丈量结果的显示方式：可分为指示式、投影式和数字式量仪3、按计量功用：可分为规范量仪和任务量仪21第四节光学量仪的根本组成部分

及其常用光学元件光学量仪开展较早，种类、规格都比较齐全，运用很广泛。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。本书所引见的一些光学量仪虽然有的属于较早的产品，但还是当前广泛运用的检测仪器设备，从进一步了解现代量仪所必需的根本知识来看，也需求先了解和掌握这些仪器。22一、光学量仪的根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假设干个根本组成部分为便于阐明，先举一个在万能工具显微镜上丈量工件尺寸的例子如图1—1所示：丈量过程可用图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：231-底座2-纵向移开任务台3-被测工件4-瞄准显微镜5-刻度尺6-读数显微镜图1-1在工具显微镜上丈量表示图24图１—２丈量过程框图251、规范量部件进展丈量，就是将被丈量与规范量进展比较。光学量仪必需有一个或一个以上的提供规范量的部件,因此,规范量部件是仪器的重要组成部分，是决议仪器精度的主要环节。光学量仪的规范量部件主要有：〔1〕量块在光学量仪中，量块可用来扩展量程，如大型工具显微镜纵、横向量程的扩展。量块也可用作微差比较丈量的规范量，如在光学计上丈量工件时。26精细螺纹作为规范量便于细分，运用较广泛如: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造。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，因此运用不如玻璃刻尺广泛。〔2〕精细螺纹27〔4〕玻璃刻尺较短的〔如300mm以下〕刻尺通常用光学玻璃制造。缺陷:其线膨胀系数与钢相差甚远。此外，在光电式量仪中，还可运用光栅尺、磁栅尺、感应同步器以及光波等作为规范量部件。282、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普通指各种机械式测头；非接触式感受转换部件如光学量仪中的各种物镜。293、转换放大部件其作用是将感遭到的微小信号，经过机、光、电、气等原理进展转换和放大，成为可使察看者直接接纳的信息如机械杠杆、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，普通不作读数用。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丈量起瞄准作用，所以把这类部件习惯地称之瞄准部件。305、显示部件显示部件的作用是显示丈量结果。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、机械构造部件机械构造部件主要有——基座与支架、导轨与任务台、轴系及其它如微调、锁紧、限位和维护等机构。31二、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。分划板广泛运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。322、线纹尺在光学计量仪器中，线纹尺常作为长度丈量的规范元件

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，准确地刻制出假设干条毫米刻线。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〞由于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。从而可提高丈量精度，并适宜人眼长时间察看。334、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。即假设物是左手坐标，那么其像是右手坐标。(3)转镜规那么：即在入射光线的方向坚持不变，而将平面镜绕和入射面垂直转动α角时，那么反射光线就转动2α角，且转动方向一样。如图1—3所示34这是由于入射角和反射角同时增大〔或减少〕α角所引起的这一转镜规那么广泛运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355、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：不需求镀反射膜，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，耗光学资料较多36使光轴转机90ｏ，减少了仪器体积和分量，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〕使光轴转机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〔2〕五角棱镜〔如图1—6所示〕具有夹角为45ｏ的两个反射面，使光轴转机90ｏ，对于五角棱镜，只需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坚持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规范。〔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机以减少仪器外形体积和使观测方便外，还具有转象的作用。运用于各种工具显微镜中的转向棱镜。图1—6五角棱镜38图1—7施密特屋脊棱镜39〔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，其他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〔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〕它可未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〔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，只需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双像棱镜的构造〕42图1—10双象棱镜43〔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〔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，彼此相隔一定间隔放置的透镜组成的系统〔如精细光学量仪中的物镜、目镜及聚光镜〕452、透镜的性质虽然在仪器中见到的透镜外形和构造各式各样，但都具有共同的性质。透镜的这个性质就是：能将一物点发出的同心光束重新聚集于一点，这些点构