机械测量丨测量仪器类型与技术指标

正确选择计量器具， 是每个机械工程技术人员， 特别是机械设计人员和工艺人员必须掌握的技术。 因为设计一个机械零件时， 为了保证零件的使用功能，在确定其形状后， 还必须提出相应的技术条件和各种功能参数； 为了能加工制造出该零件和保证其质量， 在绘制图样时， 必须考虑到生产中如何加工和如何测量各种参数值。 不考虑这些， 就无法测量， 绘出的图样等于 “纸上谈兵”， 更无法生产。

对专职质量检验人员来说， 有责任检查工艺文件中规定的计量器具是否符合科学和合理的原则， 有权监督、 检查加工工人使用的计量器具是否符合工艺文件中的规定。 而且有责任指导加工工人正确使用计量器具。 质检员须熟悉有关器具的结构、 性能、 功能及参数， 掌握计量器具的选择技术， 熟练地使用计量器具。

---

1.测量仪器分类与简介

测量仪器又称计量器具，是一种单独或与其他设备一起使用进行测量工作的器具或设备。它可将被测量转换成可直接观察的示值或等效信息。测量仪器在质量检验工作中具有相当重要的作用，全国量值的统一首先反映在测量仪器的准确和一致上，所以测量仪器是确保全国量值统一的重要手段，是计量部门加强监督管理的主要对象，也是质量检验部门提供计量保证的技术基础。

测量仪器可以按仪器输出方式进行分类，也可以按测量仪器的结构原理进行分类。

1.按测量仪器输出方式分类

· 显示式测量仪器：也称指示式测量仪器，是指显示量值的测量仪器。

· 记录式测量仪器：是指提供示值记录的测量仪器。

· 累计式测量仪器：是指通过对来自一个或多个测源同时或依次得到的被测量的部分值求和，以确定被测量值的测量仪器。

· 积分式测量仪器：是指通过一个量对另一个量积分，以确定被测量值的测量仪器。

· 模拟式测量仪器（即模拟式指示仪器）：是指其输出或显示为被测量或输入信号为连续函数的测量仪器。

· 数字式测量仪器（即数字式指示仪器）：是指提供数字化输出的测量仪器。

2.按测量仪器的结构原理进行分类

· 机械量仪：用机械方法实现计量原始信号放大和转换的测量仪器称为机械式量仪。

· 光学量仪：以光学方法为主，将计量原始信号转换和放大的测量仪器称为光学量仪。

· 电动量仪：将计量原始信号变化转换成电信号变化的测量仪器称为电动量仪。

· 气动量仪：气动量仪是以压缩空气为介质，把被测量的变化转换成空气压力或流量的变化，然后用各种形式的压力计或流量计进行指示的测量仪器。因此，气动量仪分压力计式和流量计式两种。通常压力计式气动量仪为高压式，而流量计式气动量仪为低压式。

---

3.与机械测量相关的计量器具

与机械测量相关的计量器具按照计量器具的特点和构造可以将它们分为以下四类：

（1） 标准量具　标准量具是按基准复制出来的代表某个固定尺寸的量具。用它可以校正或调整其他计量器具， 也可用于精密测量， 如量块、 角度块等。

（2） 通用量具和量仪　通用量具和量仪可以测量一定范围内的数值， 测量数值的连续程度取决于量具或量仪的精度。 按结构上的特点， 通用量具或量仪可分为以下几种：

1） 固定刻线量具， 如钢直尺、 卷尺等。

2） 游标量具， 如游标卡尺、 游标量角器等。

3） 螺旋测微量具， 如内外径千分尺、 深度千分尺、 螺纹千分尺及公法线千分尺等。

4） 机械式量仪， 如百分表、 千分表、 杠杆百分表、 杠杆千分表及杠杆千分尺等。

5） 光学量仪， 如立式和卧式光学计、 立式和万能测长仪、 投影仪、 干涉仪及工具显微镜等。

6） 气动量仪， 如水柱式气动量仪和浮标式气动量仪等。

7） 电动量仪， 如电接触式量仪、 电感式量仪、 电容式量仪和光电式量仪等。

（3） 极限量规　极限量规是无刻度的专用量具， 它无法测量工件的实际尺寸， 但可检验工件尺寸是否超过某一极限， 以判断工件是否合格。 极限量规一般成对使用： 一是 “通规”， 按最大实体尺寸制造， 一是 “止规”， 按最小实体尺寸制造。 它们分别控制工件的作用尺寸和局部实际尺寸。

（4） 检验夹具　检验夹具是量具、 量仪及一些定位元件的组合体， 一般应用于大批量生产中， 以提高测量效率和测量精度。

附表　常用计量器具的分类及结构特征

---

2.测量仪器及其技术性能指标

（1）分度值与分度间距

分度值——测量仪器的标尺上相邻两刻线所代表的量值之差。一般来说，分度值越小，测量仪器的精度越高。

分度间距——标尺或圆刻度盘上相邻两刻线中心的距离或圆弧长度。一般量仪的分度间距为1～2．5mm。

（2）示值范围与测量范围

示值范围——由测量仪器所显示或指示的最低值到最高值的范围。表示示值范围时，应标示最低值（起始值）和最高值（终止值）。

测量范围——使测量仪器误差处于规定极限内的一组被测量值。测量范围也可称为工作范围，指测量仪器的误差处于规定的极限范围内的这一被测量值的范围，在这一规定的测量范围内使用，其示值误差应处在允许误差限内，超出测量范围使用，则示值误差将超出允许误差限。

（3）灵敏度与鉴别力阈

灵敏度——测量仪器的响应变化Δy 与相应激励变化Δx 之商。

在分子、分母是同一类物理量的情况下，灵敏度也称放大比。带有等分刻度标尺的线性量仪，其灵敏度为常数。它等于分度间距与分度值之比。

鉴别力阈——使测量仪器的响应产生可感知的变化的最小激励变化，也可以说是量仪对被测量值微小变化的不敏感程度，故习惯上也称其为灵敏阈或灵敏限。鉴别力阈与诸如内部或外部的噪声、摩擦、阻尼、惯性等因素有关。

（4）滞后与滞后误差

滞后——测量仪器对给定激励的响应与先前激励顺序有关的一种特性。

滞后误差——当激励恒定时，在相同条件下，测量仪器沿正、反行程在同一点上响应的变化量，习惯上也称为回程误差。

（5）稳定性与漂移

稳定性——测量仪器保持其测量特性恒定的能力。通常稳定性是相对时间而言的。

漂移——测量仪器的测量特性随时间的缓慢变化。例如，线性测量仪器静态响应特性（y=kx）的漂移，表现为零点和斜率随时间的缓慢变化，前者称为仪器的零漂，后者称为仪器的灵敏度漂移，如图所示。

（6）准确度与示值误差

准确度——测量仪器给出接近于被测量真值的示值的能力。

示值误差——测量仪器的示值与被测量的（约定）真值之差。示值误差是测量仪器本身各种误差的综合反映。

（7）测量力

测量力——在测量过程中，量具或量仪触端作用在被测零件表面接触处的力叫做测量力。测量力将引起被测零件和测量装置的弹性变形，从而影响测量精度。

（8）视差

视差——检测者眼睛相对于指针或刻线变动位置时，其读数也随之不同。视觉读数与正确读数之差叫做视差。

（9）校正值

校正值——指大小与误差相等，但符号相反的值。

（10）安全裕度

安全裕度——因任何测量结果都存在误差，故国家标准要求在判断产品合格与否时将轴或孔的公差带两头均内缩一个尺寸，这个尺寸就是“安全裕度”，如图所示。图中A为安全裕度。国家标准规定安全裕度A 为公差带宽度T 的1/10。

---

3.计量器具的选择原则

选择计量器具时， 要同时兼顾科学原则和合理原则：一是所选择的计量器具要满足被测件的精度要求， 保证产品质量； 二是保证测量经济性。 测量经济性是从计量器具的成本、 寿命、 使用的方便性、 对使用人员技术水平的要求以及修理和检定的复杂程度等进行综合考虑。

例如，用分度值为0. 02mm、 0 ～300mm 游标卡尺测量 Φ23（0/-0.014mm） 轴的直径， 这是不科学的。 因为这种卡尺的示值误差为 ±0. 02mm， 用它测量 Φ23（0/-0.014mm） 轴不能得出正确的结果。

例如， 用分度值为0. 001mm、 0 ～25mm 的杠杆卡规， 测量 Φ23. 5mm 轴的直径。 23. 5mm 是未注公差尺寸， 查GB/T 1804《一般公差　未注公差的线性和角度尺寸的公差》可知， 中等 m 精度的 23. 5mm 的极限偏差是 ±0. 2mm。 而分度值为0. 001mm、 0 ～25mm 的杠杆卡规的示值误差为 ±1μm， 用它去测量 Φ23. 5mm尺寸是 “大材小用”， 造成浪费。

1. 合理使用器具的一般原则

1） 对绝对测量来说， 要求计量器具的测量范围要大于被测量的量的大小，但不要相差太大。 因为用测量范围大的计量器具测量小型工件， 不仅不经济， 而且测量精度还难以保证。

2） 对比较测量来说， 计量器具的示值范围一定要大于被测件的参数公差。例如， 被测件的尺寸公差为 ±0. 05mm， 就不能用示值范围为 ±0. 05mm 的测微 计去测量。

3） 在测量形状误差（例如圆跳动等）时， 计量器具的测量头要做往复运动，因此要考虑回程误差的影响。 当零件的精度要求高时， 应当选择灵敏度高、 回程误差小的计量器具。

4） 对于薄型、 软质、 易变形的工件， 应该选用测量力小的计量器具。

5） 对于粗糙的表面， 不得用精密的计量器具去测量。 被测表面的表面粗糙度值要小于或等于计量器具测量面的表面粗糙度值。

6） 单件或小批量生产应选用通用（万能）计量器具， 大批量生产应选用专用计量器具。

2. 根据安全裕度选用计量器具

（1） 误废和误收　零件的完善检验应将尺寸计量结果和形状误差测量结果综合起来， 判断是否超过最大实体尺寸和最小实体尺寸。 而在实际检验零件时， 采用的计量器具多数只用于测量尺寸， 又常用依次测量结果作出判断， 未考虑形状误差和示值变动性对测量结果的影响； 也未考虑测量的误差， 以及测量时的温度和压陷效应产生的误差对测量结果的影响。 另外， 上述测量误差又具有不确定性（大小和正负均不确定）。 这样一来， 当零件的真值处于极限尺寸附近时， 就会产生将不合格零件或超差零件判为合格零件的现象， 即误废或误收。

（2） 内缩验收极限和安全裕度　国家标准 GB/T 3177规定： 对普通计量器具， 如游标卡尺和千分尺， 在车间条件下使用的分度值不小于0.0005mm 的比较仪等， 检验公差值大于 0. 009 ～3. 2mm， 尺寸至 1000mm 的零件时， 应按内缩验收极限来验收零件， 并选用合适的计量器具。