2.3　计量器具和测量方法

2.3.1　计量器具的分类

计量器具是测量仪器和测量工具的总称。通常把没有传动放大系统的计量器具称为量具，如游标卡尺、90°角尺和量规等；把具有传动放大系统的计量器具称为量仪，如机械比较仪、测长仪和投影仪等。

计量器具可按其测量原理、结构特点及用途等分为以下四类。

1.标准量具

以固定形式复现量值的计量器具称为标准量具。通常用来校对和调整其他计量器具，或作为标准量与被测工件进行比较，如量块、直角尺、各种曲线样板及标准量规等。

2.通用计量器具

通用计量器具通用性强，可测量某一范围内的任一尺寸（或其他几何量），并能获得具体读数值。按其结构又可分为以下几种：

①固定刻线量具。是指具有一定刻线，在一定范围内能直接读出被测量数值的量具。如钢直尺、卷尺等。

②游标量具。是指直接移动测头实现几何量测量的量具。这类量具有游标卡尺、深度游标卡尺、游标高度卡尺以及游标量角器等。

③微动螺旋方式量仪。是指螺旋方式移动测头来实现几何量测量的量仪。如外径千分尺、内径千分尺、深度千分尺等。

④机械式量仪。是指用机械方法来实现被测量的变换和放大，以实现几何量测量的量仪。如百分表、杠杆百分表、杠杆齿轮比较仪、扭簧比较仪等。

⑤光学式量仪。是指用光学原理来实现被测量的变换和放大，以实现几何量测量的量仪。如光学计、测长仪、投影仪、干涉仪等。

⑥气动式量仪。是指以压缩气体为介质，将被测量转换为气动系统状态（流量或压力）的变换，以实现几何量测量的量仪。如水柱式气动量仪、浮标式气动量仪等。

⑦电动式量仪。是指将被测量变换为电量，然后通过对电量的测量来实现几何量测量的量仪。如电感式量仪、电容式量仪、电接触式量仪、电动轮廓仪等。

⑧光电式量仪。是指利用光学方法放大或瞄准，通过光电元件再转换为电量进行检测，以实现几何量测量的量仪。如光电显微镜、光栅测长机、光纤传感器、激光准直仪、激光干涉仪等。

3.专用计量器具

是指专门用来测量某种特定参数的计量器具，如圆度仪、渐开线检查仪、丝杆检查仪、极限量规等。

极限量规是一种没有刻度的专用检验工具，用以检验零件尺寸、形状或相互位置。用这种工具不能得出被检验工件的具体尺寸，但能确定被检验工件是否合格。

4.检验夹具

它是指量具、量仪和定位元件等组合的一种专用的检验工具。当配合各种比较仪时，能用来检验更多和更复杂的参数。

2.3.2　计量器具的基本度量指标

度量指标是选择和使用计量器具、研究和判断测量方法正确性的依据，是表征计量器具的性能和功能的指标。基本度量指标主要有以下几项：

①刻度间距c。计量器具标尺或刻度盘上两相邻刻线中心线间的距离。通常是等距刻线。为了适于人眼观察和读数，刻线间距一般为0.75～2.5mm。

②分度值（刻度值）i。计量器具标尺上每一刻线间距所代表的量值即分度值。一般长度量仪中的分度值有0.1mm、0.01mm、0.001mm、0.0005mm等。图2-4所示的计量器具i=1μm。有些计量器具（如数字式量仪）没有刻度尺，就不称分度值而称分辨率。分辨率是指量仪显示的最末一位数所代表的量值。例如，F604坐标测量机的分辨率为1μm，奥普通（OPTON）光栅测长仪的分辨率为0.2μm。

③测量范围。计量器具所能测量的被测量最小值到最大值的范围称为测量范围。图2-4所示计量器具的测量范围为0～180mm。测量范围的最大、最小值称为测量范围的“上限值”“下限值”。

④示值范围。由计量器具所显示或指示的最小值到最大值的范围。图2-4所示的示值范围为±100μm。

⑤灵敏度S。计量器具反映被测几何量微小变化的能力。如果被测参数的变化量为ΔL，引起计量器具的示值变化量为Δx，则灵敏度S=Δx/ΔL。当分子分母是同一类量时，灵敏度又称放大比K。对于均匀刻度的量仪，放大比K=c/i。此式说明，当刻度间距c一定时，放大比K越大，分度值i越小，可以获得更精确的读数。

⑥示值误差。计量器具显示的数值与被测量的真值之差为示值误差。它主要由仪器误差和仪器调整误差引起。一般可用量块作为真值来检定计量器具的示值误差。

⑦校正值（修正值）。为消除计量器具系统测量误差，用代数法加到测量结果上的值称为校正值。它与计量器具的系统测量误差的绝对值相等而符号相反。

⑧回程误差。在相同的测量条件下，当被测量不变时，计量器具沿正、反行程在同一点上测量结果之差的绝对值称为回程误差。回程误差是由计量器具中测量系统的间隙、变形和摩擦等原因引起的。测量时，为了减少回程误差的影响，应按一个方向进行测量。

⑨重复精度。在相同的测量条件下，对同一被测参数进行多次重复测量时，其结果的最大差异称为重复精度。差异值越小，重复性就越好，计量器具精度也就越高。

⑩测量力。在接触式测量过程中，计量器具测头与被测工件之间的接触压力。测量力太小影响接触的可靠性；测量力太大则会引起弹性变形，从而影响测量精度。

灵敏阀（灵敏限）。它是指引起计量器具示值可觉察变化的被测量值的最小变化量。或者说，是不致引起量仪示值可觉察变化的被测量值的最大变动量。它表示量仪对被测量值微小变动的不敏感程度。灵敏阀可能与噪声、摩擦、阻尼、惯性、量子化有关。

允许误差。技术规范、规程等对给定计量器具所允许的误差的极限值称为允许误差。

稳定度。在规定工作条件下，计量器具保持其计量特性恒定不变的程度称为稳定度。

分辨力。它是计量器具指示装置可以有效辨别所指示的紧密相邻量值的能力的定量表示。一般认为模拟式指示装置其分辨力为标尺间距的一半，数字式指示装置其分辨力为最后一位数的一个字。

仪器不确定度。指在规定条件下，由于测量误差的存在，被测量值不能肯定的程度。一般用误差限来表征被测量所处的量值范围。仪器不确定度也是仪器的重要精度指标。仪器的示值误差与仪器不确定度都是表征在规定条件下测量结果不能肯定的程度。

2.3.3　测量方法的分类

广义的测量方法，是指测量时所采用的测量原理、计量器具和测量条件的总和。但是在实际工作中，往往单纯从获得测量结果的方式来理解测量方法，它可按不同特征分类。

1.按所测得的量（参数）是否为欲测之量分类

①直接测量。直接测量是无须对被测量与其他实测量进行一定函数关系的辅助计算而直接从计量器具的读数装置上得到欲测之量的数值或对标准值的偏差的测量方法。例如用游标卡尺、千分尺测量外圆直径，用比较仪测量欲测尺寸。

②间接测量。间接测量是指欲测量的几何量的量值由几个实测几何量的量值按一定的函数关系式运算后获得。例如，在测量大的圆柱形零件的直径D时，可以先量出其圆周长L，然后通过D=L/π计算零件的直径D。

直接测量的测量过程简单，其测量精度只与这一测量过程有关。而间接测量的测量精度不仅取决于有关参数的测量精度，还与所依据的计算公式及计算的精度有关。因此，间接测量通常用于直接测量不易测准，或由于被测件结构限制，或由于计量器具限制而无法直接测量的场合（例如对某些圆弧样板的曲率半径只能用间接测量）。

2.按测量结果的读数值不同分类

①绝对测量。在仪器刻度尺上读出被测参数的整个量值的测量方法称为绝对测量。例如用游标卡尺、千分尺测量零件的直径。

②相对测量。相对测量是由仪器刻度尺指示的值指示被测量参数对标准参数的偏差的测量方法。由于标准值是已知的，因此，被测参数的整个量值等于仪器所指偏差与标准量的代数和。例如用量块调整标准比较仪测量直径。

相对测量时，仪器的零位或起始读数常用已知的标准量（量块、调整棒等的尺寸）来调整，仪器读数装置仅指示出被测量对标准量的偏差值，因而仪器的示值范围大大缩小，有利于简化仪器结构，提高仪器示值的放大比和测量精度。在绝对测量中，温度偏离标准温度（20℃）以及测量力的影响可能会引起较大的测量误差。而在相对测量中，由于是在相同条件下将被测量对标准量进行比较，故可大大缩小由于温度、测量力的变化造成的误差。一般而言，相对测量易于获得较高的测量精度，尤其是在量块出现后，为相对测量提供了有利条件，所以在生产中得到广泛应用。

3.按被测工件表面与计量器具测头是否有机械接触分类

①接触测量。接触测量指仪器的测量头与工件被测表面直接接触，并有机械作用的测量力存在，如用千分尺、游标卡尺测量工件。接触测量对零件表面油污、切削液、灰尘等不敏感，为了保证接触的可靠性，测量力是必要的，但由于有测力的存在，可能会引起零件表面、测头以及计量仪器传动系统的弹性变形，从而造成测量误差。尤其是在绝对测量时，对于软金属或薄结构易变形工件，接触测量可能因变形造成较大的测量误差或划伤工件表面。

②非接触测量。计量器具的敏感元件与被测工件表面不直接接触，没有机械作用的测量力。此时可利用光、气、电、磁等物理量关系使测量装置的敏感元件与被测工件表面联系。例如用光学投影测量、干涉显微镜、磁力测厚仪、气动量仪等的测量。

非接触测量没有测量力引起的测量误差，因此特别适用于薄结构易变形工件的测量。但这种测量方法对工件形状有一定要求，同时要求工件定位可靠，没有颤动，并且表面清洁。

4.按测量在工艺过程中所起作用分类

①主动测量。主动测量指零件在加工过程中进行的测量。此时，测量结果直接用来控制零件的加工过程，决定是否需要继续加工或判断工艺过程是否正常、是否需要进行调整或采取其他措施，故能及时防止与消灭废品，所以主动测量又称为积极测量。主动测量的推广应用将使技术测量和加工工艺紧密地结合起来，从根本上改变技术测量的被动局面。一般自动化程度高的机床具有主动测量的功能，如数控机床、加工中心等先进设备。

②被动测量。即零件加工完成后进行的测量。其结果仅用于发现并剔除废品，所以被动测量又称为消极测量。

5.按零件上同时被测参数的多少分类

①单项测量。单项测量是指单个地、彼此没有联系地测量工件或测量零件的单项参数。例如，测量圆柱体零件某一剖面的直径，分别测量螺纹的螺距或者半角等。这种方法一般用于量规的检定、工序间的测量，或者为了工艺分析、调整机床等目的。分析加工过程中造成次品的原因时，多采用单项测量。

②综合测量。测量零件几个相关参数的综合效应或综合参数，从而综合判断零件的合格性。其目的是限制被测工件在规定的极限轮廓内，测量效率高，以保证互换性的要求，特别用于成批或大量生产中。例如，用极限量规检验工件，用花键塞规检验花键孔等。

6.按被测工件在测量时所处状态分类

①静态测量。测量时被测零件表面与计量器具的测头处于相对静止状态。例如用千分尺测量零件直径，用齿距仪测量齿轮齿距，用工具显微镜测量丝杆螺距等。

②动态测量。测量时被测零件表面与计量器具的测头处于相对运动状态，或测量过程是模拟零件在工作或加工时的运动状态，它能反映生产过程中被测参数的变化过程。例如用激光比长仪测量精密线纹尺，用电动轮廓仪测量表面租糙度等。

在动态测量中，往往有振动等现象，故对测量仪器有其特殊要求。例如，要消除振动对测量结果的影响，测头与被测零件表面的接触要安全、可靠、耐磨，对测量信号的反应要灵敏等。动态测量也是技术测量的发展方向之一，它能较大地提高测量效率并能保证测量精度，因此，在静态测量中使用情况良好的仪器，在动态测量中，不一定能得到满意结果，有时往往不能应用。

7.按测量中测量因素是否变化分类

①等精度测量。即在测量过程中，决定测量精度的全部因素或条件不变。例如，由同一个人，用同一台仪器，在同样条件下，以同样的方法，仔细测量同一个量，求测量结果平均值时所依据的测量次数也相同。因而可以认为每一测量结果的可靠性和精确程度都是相同的。在一般情况下，为了简化测量结果的处理，大都采用等精度测量。实际上，绝对的等精度测量是做不到的。

②不等精度测量。即在测量过程中，决定测量精度的全部因素或条件可能完全改变或部分改变。例如，用不同的测量方法，不同的计量器具，在不同的条件下，由不同的人员，对同一被测量进行不同次数的测量。显然，其测量结果的可靠性与精确程度各不相同。由于不等精度测量的数据处理比较麻烦，因此一般用于重要的科研实验中的高精度测量。另外，当测量的过程和时间很长，测量条件变化较大时，也应按不等精度测量对待。

以上测量方法分类是从不同角度考虑的。对于一个具体的测量过程、可能兼有几种测量方法的特征。例如，在内圆磨床上用两点式测头进行检测，属于主动测量、直接测量、接触测量和相对测量等。测量方法的选择应考虑零件结构特点、精度要求、生产批量、技术条件及经济效果等。