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1、第一章 长度计量概述第一节 长度计量的任务和内容长度计量(又称几何量计量 )是一项历史悠久、基础性很强的技术。长度计量与人们生活、生产活动、国民经济各个部门、科学技术各个领域有着十分密切的联系。在日常生活中，做衣服要用尺子量体裁衣，盖房要丈量土地；在工业生产中，长度计量是保证加工零件的尺寸和形状符合设计要求，保证装配的零部件和整机达到质量指标的技术手段；科学的进步更离不开长度计量，许多科学实验往往是通过长度计量来获得实验结果的。如研究宏观世界，测量天体间距离；研究微观世界，测量分子结构等。长度计量的重要任务是：研究和确定长度单位；研究建立和保存长度计量基准、标准；建立长度各项计量检定系统，组织
2、量值传递，开展计量检定与修理，以保证量值的准确一致；研究新的长度计量测量方法和手段，确定测量准确度；应用新的科学技术理论，开拓长度计量的新领域。长度计量按其测量对象来分，可包括以下几个方面的内容：(1)长度尺寸如端度、轴孔直径、坐标尺寸、线纹间尺寸、箱体结构尺寸等；(2)角度一如平面角(斜率等 )、圆分度、空间位置角(如两轴交错的夹角) 、锥度等；(3)表面形状和位置平面度、直线度、圆度、垂直度、平行度等；(4)表面粗糙度(微观不平度 )和波度；(5)齿轮。螺纹、花键及各类加工刀具等的各种工程参量。第二节 长度计量的单位几何量表征物体的大小、长短、形状和位置，其基本参量是长度和角度。长度的单位
3、是“米”(m)。角度量分为平面角和立体角，其单位分别为弧度(rad)和球面度(sr)。“米”的倍数单位和分数单位按 SI 规定，是在“米”前加十进制词头构成。如常用单位有毫米(mm)、微米( m)、千米(km)等。平面角在日常应用中，保留使用以度()、角分()、角 秒()为单位的 60 进制。它们与弧度的换算关系为 1=(/180)rad，1 =(/10800)rad ，L =(/648000)rad。“米”定义为：“光在真空中于(1299792458)s 时间间隔内所经路径的长度 ”。国际计量委员会推荐了三种实现这个新定义的方法，即时间法、频率法和辐射波长法。它们都是建立在真空中光速 c 为
4、确定值，(即 c=299792458m/s)的基础上，而当前主要实现途径是以辐射稳定波长的激光为基准。长度计量单位的特点：(1)基本性 长度单位“米”在 SI 中被列为第一个基本单位，许多导出单位都含有长度单位因子，如：速度(ms) 、密度(kg/m 3)、磁场强度(Am)等，因此不少导出单位计量基准的准确度在很大程度上取决于长度单位量值的准确度。 (2)多维性物体的形状和位置都可以用坐标空间( 如三维空间)中的若干点表示。但用若干点的坐标值来表示某些物体的几何特性会十分烦琐，所以，为了简化，在几何量中除了使用长度和角度两个基本参量外，还必须引入一些工程参量，如锥度、渐开线、螺旋线等。这些参量
5、都是多维的复合参量，又称之为工程参量。(3)广泛性几何量是客观世界中最广泛的物质形态，绝大部分物理量( 如力学、热学、电磁学的一些量等)都是以几何量信息的形式进行定量描述的。第三节 长度计量的基准、标准、量值传递及计量检定系统表计量工作的基本任务之一，就是保证量值的准确一致。为此，必须做好两项工作：一是建立国家基准(包括国家计量基准、副 计量基准、工作计量基准)和计量标准，这是统一量值的物质基础；二是为了使“标准长度单位量值”能够准确地传递到生产、科研工作中去，必须在管理上和技术上建立全国统一的科学的量值传递体系。(1)长度计量基准 长度计量基准是用以复现和保存计量单位米的量值，经国家鉴定并批
6、准，作为统一全国量值最高依据的计量器具。在实际应用中，从激光波长基准到长度实物基准的过渡，一般使用光波干涉仪。利用光的干涉原理将距离和光波波长之间建立函数关系，从而使作为长度基准的波长的量值，通过干涉仪传递给实物标准器。(2)长度计量标准长度计量标准是按国家规定的准确度等级，实际用于长度检定工作的计量器具。如端度实物标准器是量块。量块按使用要求，其精度分为 1，2，3，4，5，6；等。线纹标准器有标准线纹米尺、200 mm 短标尺等。角度实物标准是端面角度标准正多面棱体，角度块；线纹角度标准如刻线度盘、圆光栅、编码盘等；机械分度标准如多齿分度盘、分度台等；电子测角标准主要是环行激光器。平面度的
7、实物标准器是平面平晶。粗糙度的实物标准器是标准单刻线样板、标准多刻线样板和磨削样板。实际工作中，还采用了工程计量标准，如渐开线标准样板、螺旋线样板等等。有了国家基准、计量标准这一统一量值的物质基础， 。我国建立了从长度基准到计量标准，最后到生产、科研中使用的各种工作计量器具、工件尺寸、形状的量值传递体系。量值传递被定义为：通过对计量器具的检定或校准，将国家基准所复现的计量单位量值通过各等级计量标准传递到工作计量器具，以保证对被测对象所测得的量值的准确和一致。为什么要进行量值传递呢?我们知道任何计量器具，由于加工、装配等原因，都存在不同程度的误差。新制造的计量器具，由于设计、加工、装配等各种原因
8、引起的误差是否在允许范围内，必须用一定等级的计量标准来检定，判断其是否合格；使用过程中的计量标准器和工作计量器具，-由于使用中的磨损、环境影响或使用不当等原因，：也会引起其计量参数的变化，也需要定期地采用一定等级的计量标准对其进行检定，根据检定结果作出继续使用、进行修理或报废的判断；经过修理的计量标准器或工作计量器具是否达到计量参数指标的要求，也须用相应的计量标准进行检定。否则，由于各级计量标准器不标准：(不合格 )、工作计量器具合格与否便无从谈起，就不能保证对被测对象所测得的量值的准确和。致，就必然造成量值传递的混乱。由此可见，建立量值传递体系是统一计量器具量值的重要手段，是保证计量结果准确
9、可靠的基础，是保证全国量值的准确可靠而采取的具体措施和技术保证。国家计量检定系统表(简称检定系统 )被定义为：国家对计量基准到各等级的计量标准直至工作计量器具的检定程序所作的技术规定。检定系统由文字和框图构成，内容包括：基准各等级计量标准、工作计量器具的名称、测量范围、准确度(或不确定度或允许误差) 和捡定的方法等。制定检定系统的根本目韵，是为了保证工作计量器具具备应有的准确度。在此基础上，考虑量值传递的合理性。即制定检定系统时，各等级计量标准的准确度要求，必须从工作计量器具的准确度要求开始，由下向上地逐级确定。检定系统基本上是按各类计量器具( 如：量块。线纹尺、表面粗糙度参数值样板等 )分别
10、制定的。在我国，每项国家计量基准对应一种检定系统。检定系统表例详见以后有关章节。第四节 长度计量器具的维护保养长度计量用的量具和仪器，大多都是精度要求高、使用条件要求严格、且价格昂贵。为了保证量值传递和计量检定、检测的准确度，除按计量检定规程定期检定外，还必须十分注意对量具和仪器的维护、保养。由于长度计量器具大部分是由金属零件和光学零件组成，所以主要应做好以下几项工作。1防止锈蚀(1)工作室(计量室 )除温度要求外，要保持相应湿度。一般以 50%60% 为宜。(2)检定操作过程中，不得用手直接触摸标准器及计量器具的各工作面，应戴上细纱手套进行操作。(3)标准器、计量器具使用后，应及时清洗。清洗
11、后用洁净绸布擦拭干净。标准器、仪器测量附件(如量块、测量刀、三针等 )如不涂油，应收入有干燥剂的密封容器里保存。短时间( 一、两日)不使用的计量仪器各工作面可涂上无水变压器油；标准器、量仪如较长时间不用，应涂上纯净无水的凡士林油，油层不宜太厚。(4)防锈油的酸碱度应符合规定要求。一般宜采用中性油脂。2清洗对标准器、计量器具必须持时地萨纤擦洗、保养，它是防止锈蚀、划伤、霉斑的重要措施。清洗金属表面可使用航空汽油(1 级) ，纯度 99.5的无水酒精或乙醚。 (清洗一般通用量具亦可使用工业汽油)。擦洗材料应使用脱脂棉、白细布、绸布或高级卫生纸。清洗光学玻璃零件可使用航空汽油(1 级) 、无水酒精或
12、乙醚、无水酒精与乙醚的混合溶剂，擦洗材料应使用脱脂长丝棉(为防止在光学零件上沾上绒毛) 和脱脂纱布。3防止划痕由于计量室、实验室空气中不可避免地含有灰尘，被测件被测表面缺陷(毛刺、划痕、碰伤) 等，被测件、标准器、量仪在使用中不小心发生碰撞等原因，都可能导致在测量中因相对运动而产生划痕。为此，在检测前对要使用的标准器、计量器具、被测零件进行目测检查，在零件被测面、标准器工作面、计量器具工作面(台 )，不得有目视可见的缺陷，并应将测量面、被测面擦拭干净。检测过程中要细心操作，避免碰撞和跌落。4润滑对计量器具中的相对运动表面，应定期加注仪表油，以使各部分相对运动自如，不致产生阻滞现象。5预防变形对
13、一些大尺寸标准器(标准线纹尺、大量块、大干分尺校对杆等) 、大尺寸量具(大卡尺等) 、大尺寸待检零件(丝杠、细长件等)等，要注意由于其自重且支承点位置不正确所引起的变形。为此，计量检定前要正确确定其支承点，在不使用时应放置在专用盒里或悬吊起来。6其他计量仪器要有相对固定位置，不要经常搬动，尤其是光学计量仪器或大型仪器设备；若必须搬运时，要产防震动；要远离磁场、震动源、热源等；要有严格的管理制度和定期检查制度。第五节 长度计量技术的发展当前，长度计量技术总的发展趋势是由中小量程向大量程，由一般分辨率向高分辨率，由静态向动态，由目测、手动、笔算向自动检测、记录、数据处理等方向发展，计算机技术的应用
14、又使长度计量技术朝着实时控制和人工智能化方向发展。从工业生产的发展历史可以看出，机械加工精度的每一步提高总是与长度测量技术的发展水平紧密相关、相辅相成的。一种新的更高准确度的计量器具，总是伴随着工业发展的需求而产生，而一种新的更高准确度的计量器具的产生，也促进加工精度的进一步提高。从游标卡尺产生的时代，即加工精度为 0.1 mm 量级的时代，经过了加工精度为 0.01 mm 量级( 千分尺类量具产生)的时代、加工精度为 0.001mm 量级(测微比较仪类产生)的时代，加工精度为 0.0001 mm (0.1 m) (圆度仪等产生) 的时代到目前加工精度为0.001 m 高精度表面粗糙度测量仪产
15、生 )的时代，长度计量伴随着工业的发展在不断提高其相对测量的准确度。从整个长度计量领域来看，无论是对宇宙空间的星球间距离计量还是微观世界极小尺寸的计量，都在不断探求提高其相对测量的准确度。如：目前测量地球到月球表面之间的距离，其不确定度仅为几厘米；微观计量方面，高度细分的光干涉和电容式测微仪已可达到 10 pm(0.00001 m)量级的分辨率，比原子直径还小一个量级。目前，我国长度计量为提高测量准确度、检测速度，减少误判率，实现大量程高分辨率、动态、自动化测量，改变以往的陈旧的测量方式，广泛采用激光、光栅、光电、 传感以及计算机控制、处理等技术改造传统仪器设备、研制新的测量仪器。我国长度计量
16、在建立基准、标准方面，在仪器研制和某些高精度零部件的测试方面，有些项目已达到或接近国际先进水平。尤其在近年来，长度计量技术在许多方面有较快的发展。(1)不断应用新技术，如光电、光栅、激光、激光干涉、全息电视图像分析等新技术。(2)采用电子技术 L 不断改进测量仪器的瞄准、读数及定位系统的精度。在通用量具和仪器上广泛应用了数字显示技术。(3)采用计算机技术除采集和处理测量数据外，正在向实时控制和人工智能方向发展。如：带计算机的三坐标测量机，既可模拟手动操作进行自动测量，又可根据被测零件的状况选择布置测量点的方案。(4)实施在线测量。将加工与测量组成一个统一的系统，对加工过程中工艺参数的变化进行连续监控测量，使之保持在预定的最佳范围内。第二章长度测量基础第一节 测量的基本概念一、有关测量的名词在实际工作中，人们经常会用到有关测量的名词，如测量、计量、测试、检定、检验、比对、校准等。它们有相近的含义，但又有所区别，分别适用于不
