第一章計量儀器的根本知識學(xué)習(xí)目的:1、明確量儀的定義及其丈量對象；2、熟習(xí)量儀的主要技術(shù)目的和分類；3、了解光學(xué)量儀的根本組成和常用光學(xué)元件。1第一節(jié)量儀的定義及其丈量對象量具定義為：“以固定方式復(fù)現(xiàn)量值的計量器具〞；量儀定義為：“將被測的量轉(zhuǎn)換成可直接觀測的指示值或等效信息的計量器具〞。因此，量儀和量具又統(tǒng)稱為計量器具。量具可分為：單值量具〔如砝碼、量塊、量規(guī)、規(guī)范電池、固定電容等〕多值量具〔如線紋尺、分度盤等〕成套量具〔如砝碼組、量塊組等〕一、量儀的定義2量具的構(gòu)造比較簡單，沒有指示器，沒有可以運動的丈量元件，沒有放大功能，細分程度也很有限，或干脆沒有細分。操作簡單，丈量參數(shù)單一。而量儀的構(gòu)造比較復(fù)雜，普通都有傳感、轉(zhuǎn)換放大、顯示等幾個主要環(huán)節(jié)。儀器所適用的丈量對象較多，操作過程比較復(fù)雜。

3二、量儀的丈量對象從廣義講應(yīng)該包括一切物理量，本書所引見的幾何量計量儀器的丈量對象主要包括長度、位移、角度、粗糙度等幾何量及其復(fù)合量。4第二節(jié)量儀的主要技術(shù)目的儀器的技術(shù)目的是儀器任務(wù)性能的標志，是運用者選擇和運用儀器的根據(jù)。量儀主要技術(shù)目的有：1、分度間隔分度間隔—是刻尺或度盤上相鄰兩刻線中心之間的間隔對于刻尺為相鄰兩刻線中心間的間隔；對于度盤為相鄰刻線中心間的弧線長度。思索：為使察看讀數(shù)方便，分度間隔普通應(yīng)在1--2.5mm范圍內(nèi)。？52、分度值分度值——是對應(yīng)于一個分度間隔的被丈量值，它是一臺儀器能夠讀出的最小讀數(shù)值〔不包括估讀值〕。對于指示式儀器，分度值是指刻尺或度盤上相鄰兩刻線所代表的量值之差。如光學(xué)計的分度值為0.001mm。對于數(shù)字式儀器來說，普通不稱作分度值，而將儀器所能測得的被丈量的最小增量稱為分辨力。63、丈量范圍和示值范圍丈量范圍——是指在允許誤差極限內(nèi)儀器所能測出的被丈量值的范圍。示值范圍——是指儀器所顯示或指示的最低值到最高值的范圍。例如，立式光學(xué)計的示值范圍為±0.1mm，而丈量范圍還包括橫臂沿立柱的調(diào)理范圍，為180mm。74、示值誤差示值誤差——是指儀器示值與被丈量的真值之差。由于真值普通無法知道，通常是以高一級精度的計量器具測得的量值來近似地代表真值。(示值誤差的大小可經(jīng)過對儀器的檢定來得到)示值穩(wěn)定性——是指在丈量條件不變的情況下，對同一量延續(xù)多次反復(fù)丈量時儀器示值的最大變化范圍。5、示值穩(wěn)定性86、回程誤差回程誤差——是在一樣條件下，儀器正反行程在同一點被丈量示值之差的絕對值。產(chǎn)生回程誤差的主要緣由是儀器有關(guān)零件之間存在有間隙和磨擦。7、修正值為消除系統(tǒng)誤差用代數(shù)法加到丈量結(jié)果上的值，叫做修正值。修正值的大小等于未修正丈量結(jié)果的絕對誤差，但正負號相反。98、靈敏度和放大比靈敏度——是指儀器對被丈量變化的反響才干，即被觀測到的變量的增量與其相應(yīng)的被丈量的增量之比。式中：S——靈敏度；——被觀測到的變量的增量；——被丈量的增量。在分子分母是同一類量的情況下，靈敏度也稱放大比或放大倍數(shù)。109、靈敏閾引起儀器示值可覺察變化的被丈量的最小變化值，叫作靈敏閾，也稱靈敏限。10、丈量力丈量力——是在接觸丈量過程中發(fā)生在儀器測頭和被測工件外表間的接觸力。測力過大時，會引起被測件或測頭的彈性變形，呵斥丈量誤差；但測力過小，丈量時不能可靠接觸，會呵斥示值不穩(wěn)定。1111、儀器誤差和丈量誤差儀器誤差——是指儀器本身固有的誤差通常是用儀器精度分析的方法求得其實際值，或經(jīng)過實測檢定獲得其實踐值。丈量誤差——是指丈量結(jié)果和被丈量值之間的差別，它包括儀器誤差、丈量方法誤差、外界環(huán)境條件偏離規(guī)范形狀和丈量人員主客觀要素等緣由呵斥的誤差。12第三節(jié)量儀的分類主要分類方法：一是按其對原始信號的轉(zhuǎn)換原理進展分類；二是按量儀的用途進展分類。一、按原始信號轉(zhuǎn)換原理分類不同信號轉(zhuǎn)換原理在丈量儀器中的實踐運用，促成了儀器的更新?lián)Q代。所以按原始信號轉(zhuǎn)換原理分類的儀器，其時代感很鮮明，任務(wù)原理的概念比較突出。13〔一〕機械式量儀用機械方法實現(xiàn)原始信號轉(zhuǎn)換的量儀稱為機械式量儀。包括千分尺、百分表、杠桿比較儀、扭簧比較儀等。按傳動原理不同，又把機械式量儀分為以下幾種：1、純杠桿傳動測微儀2、齒輪傳動測微儀3、杠桿齒輪傳動測微儀4、彈性元件傳動測微儀等機械式量儀特點優(yōu)點：構(gòu)造簡單、本錢低、操作維護方便缺點：精度不高14〔二〕光學(xué)式量儀用光學(xué)的方法實現(xiàn)對原始信號的轉(zhuǎn)換和放大。根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的不同又將光學(xué)式量儀分為以下幾種：1、望遠系統(tǒng)的光學(xué)式量儀如平行光管、準直儀和以準直系統(tǒng)為主的光學(xué)計等2、顯微系統(tǒng)的光學(xué)式量儀屬于這類的有工具顯微鏡、測長機、測長儀、光學(xué)分度頭等3、投影系統(tǒng)的光學(xué)式量儀一切型號和規(guī)格的投影儀都屬于這一類15這類儀器中有復(fù)現(xiàn)長度基準光波的絕對光波干涉儀還有作為精細丈量的接觸式干涉儀、干涉顯微鏡、小孔干涉丈量儀等由于這類量儀以光波作為測長的基準，所以它們的準確度在光學(xué)式量儀中最高這類量儀依托近期開展起來的光柵、激光新技術(shù)，與現(xiàn)代的光、機、電綜合運用技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了丈量的數(shù)字化和自動化如：光柵式三坐標丈量機、光柵式光學(xué)分度頭、光電光波比長儀、激光量塊干涉儀等5、光柵、激光原理的數(shù)顯式光學(xué)量儀4、干涉原理的光學(xué)式量儀16優(yōu)點：準確度高、性能穩(wěn)定、丈量方式靈敏、丈量對象廣泛在整個量儀體系中，光學(xué)式量儀不斷占有非常重要的位置。

缺點：制造本錢高、要求環(huán)境條件較嚴、操作運用復(fù)雜。因此在消費車間里很少采用，多用在計量部門的精細丈量和量值傳送上。光學(xué)式量儀特點：17〔三〕電動式量儀將原始信號的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化的量儀稱為電動量儀。按其傳感原理的不同又分為以下幾種：1、電接觸式比較儀2、電感式比較儀3、電容式比較儀電動量儀特點：優(yōu)點：準確度較高、體積較小、能自動進展參數(shù)運算易于實現(xiàn)自動丈量、自動記錄、自動顯示等。缺點：與光學(xué)量儀相比穩(wěn)定性較差18〔四〕氣動式量儀氣動式量儀是以緊縮空氣為介質(zhì)，靠氣動系統(tǒng)形狀的變化實現(xiàn)對原始信號的轉(zhuǎn)換。氣動式量儀可分為兩大類：1、壓力式氣動量儀2、流量式氣動量儀。氣動量儀特點：示值范圍小、示值穩(wěn)定時間長、不同參數(shù)和不同丈量范圍需求不同型式和規(guī)格的丈量頭。故氣動量儀只適于大批量消費的丈量。19二、按量儀的用途分類1、測微儀類這類量儀普通包括傳感、轉(zhuǎn)換放大和顯示等幾個組成部分，如指示式、數(shù)顯式測微表等由于體積比較小巧，因此可以把它們安裝在各種用途的量儀上作測微儀用，也可安裝在表架或儀器座上單獨運用。2、通用量儀主要指一些通用性較強的量儀：如各種工具顯微鏡、光學(xué)分度頭、三坐標丈量機等3、公用量儀主要指那些丈量參數(shù)固定的量儀：如外表粗糙度丈量儀、齒輪參數(shù)丈量儀、絲杠檢查儀、圓度儀、線紋比長儀、螺紋參數(shù)丈量儀等。20三、按量儀的其它特征分類1、按自動化程度：可分為手動、半自動量儀和自動量儀2、按對丈量結(jié)果的顯示方式：可分為指示式、投影式和數(shù)字式量儀3、按計量功用：可分為規(guī)范量儀和任務(wù)量儀21第四節(jié)光學(xué)量儀的根本組成部分

及其常用光學(xué)元件光學(xué)量儀開展較早，種類、規(guī)格都比較齊全，運用很廣泛。近年來出現(xiàn)了許多機、光、電等先進技術(shù)綜合為一體的現(xiàn)代量儀。本書所引見的一些光學(xué)量儀雖然有的屬于較早的產(chǎn)品，但還是當前廣泛運用的檢測儀器設(shè)備，從進一步了解現(xiàn)代量儀所必需的根本知識來看，也需求先了解和掌握這些儀器。22一、光學(xué)量儀的根本組成部分光學(xué)量儀種類繁多，但我們?nèi)钥砂此墓δ軐⑵鋭澐譃榧僭O(shè)干個根本組成部分為便于闡明，先舉一個在萬能工具顯微鏡上丈量工件尺寸的例子如圖1—1所示：丈量過程可用圖1-2表示。由這個例子分析可知，光學(xué)量儀可分為以下幾個主要組成部分：231-底座2-縱向移開任務(wù)臺3-被測工件4-瞄準顯微鏡5-刻度尺6-讀數(shù)顯微鏡圖1-1在工具顯微鏡上丈量表示圖24圖１—２丈量過程框圖251、規(guī)范量部件進展丈量，就是將被丈量與規(guī)范量進展比較。光學(xué)量儀必需有一個或一個以上的提供規(guī)范量的部件,因此,規(guī)范量部件是儀器的重要組成部分，是決議儀器精度的主要環(huán)節(jié)。光學(xué)量儀的規(guī)范量部件主要有：〔1〕量塊在光學(xué)量儀中，量塊可用來擴展量程，如大型工具顯微鏡縱、橫向量程的擴展。量塊也可用作微差比較丈量的規(guī)范量，如在光學(xué)計上丈量工件時。26精細螺紋作為規(guī)范量便于細分，運用較廣泛如:自準直儀、光切顯微鏡等光學(xué)量儀測微目鏡中的測微螺桿缺點:是長度及精度均有限。〔3〕全屬刻尺金屬刻尺的線膨脹系數(shù)與被測件接近，500mm以上的長刻尺通常是用金屬制造。但由于金屬的塑性，金屬刻尺上的刻線往往兩頭細中間粗。另外在光學(xué)系統(tǒng)中，只能反射，不能透射，視場亮度受限制，因此運用不如玻璃刻尺廣泛。〔2〕精細螺紋27〔4〕玻璃刻尺較短的〔如300mm以下〕刻尺通常用光學(xué)玻璃制造。缺陷:其線膨脹系數(shù)與鋼相差甚遠。此外，在光電式量儀中，還可運用光柵尺、磁柵尺、感應(yīng)同步器以及光波等作為規(guī)范量部件。282、感受轉(zhuǎn)換部件其作用是感受被測的量，拾取原始信號〔有時也起信號的一次轉(zhuǎn)換作用〕。感受轉(zhuǎn)換部件分接觸式和非接觸式兩大類：接觸式感受轉(zhuǎn)換部件普通指各種機械式測頭；非接觸式感受轉(zhuǎn)換部件如光學(xué)量儀中的各種物鏡。293、轉(zhuǎn)換放大部件其作用是將感遭到的微小信號，經(jīng)過機、光、電、氣等原理進展轉(zhuǎn)換和放大，成為可使察看者直接接納的信息如機械杠桿、光學(xué)鏡頭、電路中的光敏元件和放大器等4、瞄準部件其主要要求是指零瞄準或?qū)Ρ粶y工件輪廓影像瞄準，普通不作讀數(shù)用。如圖１—１中，瞄準顯微鏡４雖然具有對被測原始信號的感受轉(zhuǎn)換和放大功用，但由于它在這里主要是對被丈量起瞄準作用，所以把這類部件習(xí)慣地稱之瞄準部件。305、顯示部件顯示部件的作用是顯示丈量結(jié)果。其種類很多，如機械測微中的指針表盤、光學(xué)量儀中的讀數(shù)目鏡和影屏以及數(shù)字顯示器等等。6、機械構(gòu)造部件機械構(gòu)造部件主要有——基座與支架、導(dǎo)軌與任務(wù)臺、軸系及其它如微調(diào)、鎖緊、限位和維護等機構(gòu)。31二、常用的光學(xué)元件常用的光學(xué)元件可分為兩大類：一類是平面光學(xué)元件一類是球面光學(xué)元件〔一〕平面光學(xué)元件1、分劃板分劃板是一種在光學(xué)平板玻璃上刻制各種線條、數(shù)字或標志的光學(xué)元件。分劃板廣泛運用于光學(xué)計量儀器的瞄準和讀數(shù)系統(tǒng)中。如光學(xué)計中的微米標尺分劃板，萬能工具顯微鏡中的阿基米德螺旋線分劃板等等。322、線紋尺在光學(xué)計量儀器中，線紋尺常作為長度丈量的規(guī)范元件

常用的線紋尺有毫米玻璃刻尺，就是在光學(xué)平板玻璃上，以mm為單位，準確地刻制出假設(shè)干條毫米刻線。如測長儀上0～100mm的玻璃線紋尺，萬能工具顯微鏡上的0～200mm的玻璃刻尺等。3、濾色片濾色片是一種帶有顏色的平板玻璃。在計量儀器的光學(xué)系統(tǒng)中，通常是選用“綠色〞或“橙色〞由于這兩種顏色的光線比較柔和，在這兩種顏色的光線下能提高人眼的分辨力。從而可提高丈量精度，并適宜人眼長時間察看。334、平面鏡平面鏡是在平面玻璃板的磨光平面上鍍一層反射膜而得，反射膜通常是鋁膜和銀膜。平面鏡的成像特性：〔1〕能使整個物空間理想成像，物點和象點與鏡面對稱，且為虛象；〔2〕物、象大小相等，但為鏡像。即假設(shè)物是左手坐標，那么其像是右手坐標。(3)轉(zhuǎn)鏡規(guī)那么：即在入射光線的方向堅持不變，而將平面鏡繞和入射面垂直轉(zhuǎn)動α角時，那么反射光線就轉(zhuǎn)動2α角，且轉(zhuǎn)動方向一樣。如圖1—3所示34這是由于入射角和反射角同時增大〔或減少〕α角所引起的這一轉(zhuǎn)鏡規(guī)那么廣泛運用于光學(xué)計量儀器中，如光學(xué)計中的光學(xué)杠桿原理等。圖1—3平面鏡轉(zhuǎn)角時反射光線變化情況355、反射棱鏡反射棱鏡是由多個反射平面所圍成的透明體。產(chǎn)生全反射的條件：〔1〕光線由光密射向光疏〔2〕入射角大于臨界角與平面鏡相比具有以下特點：優(yōu)點：不需求鍍反射膜，無光能損失，也不存在膜層受腐蝕，且不易變形缺點：體積較大，耗光學(xué)資料較多36使光軸轉(zhuǎn)機90ｏ，減少了儀器體積和分量，并使觀測比較方便〔如光學(xué)計中的轉(zhuǎn)向棱鏡〕〔1〕直角棱鏡一次反射直角棱鏡〔如圖1—4所示〕二次反射直角棱鏡〔如圖1—5所示〕使光軸轉(zhuǎn)機180ｏ，在儀器光學(xué)系統(tǒng)中取倒象作用圖1—4一次反射直角棱鏡圖1—5二次反射直角棱鏡幾種常用的反射棱鏡：37〔2〕五角棱鏡〔如圖1—6所示〕具有夾角為45ｏ的兩個反射面，使光軸轉(zhuǎn)機90ｏ，對于五角棱鏡，只需兩反射面的夾角是準確45ｏ，無論入射光線的方向如何，其出射光線與入射光線的夾角總堅持90ｏ。因此五角棱鏡又被稱之為“光學(xué)直角器〞，常用作檢定垂直度的規(guī)范?！?〕施密特屋脊棱鏡〔如圖1—7所示〕它除了使光軸發(fā)生預(yù)定的轉(zhuǎn)機以減少儀器外形體積和使觀測方便外，還具有轉(zhuǎn)象的作用。運用于各種工具顯微鏡中的轉(zhuǎn)向棱鏡。圖1—6五角棱鏡38圖1—7施密特屋脊棱鏡39〔4〕分光棱鏡分光棱鏡是由兩個等腰直角棱鏡膠合而成?！踩鐖D1—8所示〕斜面是膠合面，鍍有析光膜〔也稱為分光膜〕，其作用是把一束光線的光能量分成兩部分，50%光能透過析光膜，其他50%光能被析光膜反射常用于光學(xué)量儀的各種分光光路。圖1—8分光棱鏡

析光膜40〔5〕合象棱鏡合象棱鏡是由五塊直角棱鏡膠合而成〔如圖1—9所示〕它可未來自兩個相對方向的兩束光線合二為一，即能將兩個物點合為一個象點。如“光學(xué)找象器〞中的合象棱鏡。圖1—9合象棱鏡41〔6〕雙象棱鏡雙象棱鏡是由五塊棱鏡膠合而成一個物點經(jīng)過雙象棱鏡后分為兩個象點，只需當該物點和光軸重合時，這兩個物點才重合為一個象點?！矆D1—10雙像棱鏡的構(gòu)造〕42圖1—10雙象棱鏡43〔二〕球面光學(xué)元件——透鏡透鏡是儀器光學(xué)系統(tǒng)中重要的一種光學(xué)元件。1、透鏡的分類〔1〕按透鏡的性質(zhì)分〔如圖1—12所示〕圖1—12透鏡分類正透鏡負透鏡①正〔凸〕透鏡②負〔凹〕透鏡44〔2〕按透鏡的復(fù)雜程度分：①單透鏡僅由兩個球面構(gòu)成的透鏡〔如普通光學(xué)量儀中的聚光鏡〕②復(fù)透鏡由兩個以上單透鏡膠合而成的透鏡〔如普通光學(xué)量儀中的物鏡或目鏡〕③組合透鏡由兩個以上，彼此相隔一定間隔放置的透鏡組成的系統(tǒng)〔如精細光學(xué)量儀中的物鏡、目鏡及聚光鏡〕452、透鏡的性質(zhì)雖然在儀器中見到的透鏡外形和構(gòu)造各式各樣，但都具有共同的性質(zhì)。透鏡的這個性質(zhì)就是：能將一物點發(fā)出的同心光束重新聚集于一點，這些點構(gòu)