长度的测量和量具量仪

·44·如，用光纤传感器测量温度、压力、形变、电容等。在转换测量中，传感器往往是最关键的器件，因此传感器的研究是一项重要的工作。七、示波法通过示波器将人眼看不见的电信号在示波管的荧屏上形成形象直观、清晰可见的图像，然后进行测量的方法称为示波法。将此法与各类传感器结合，就可以对各种非电学量进行测量。以上对物理实验中常用的几种基本测量方法作了简要介绍。实际上，在物理实验中这些方法往往是相互交叉、相互配合的。所以，在实验时应认真思考所进行的实验应用到哪些测量方法，有意识地使自己对物理实验的基本思想、基本方法有更多的了解。第二节长度的测量和量具量仪长度是七个基本物理量之一，也是三个基本力学量中的一个。长度的计量方法是取一个标准长度作为长度的计量标准，称为单位量。物体的长度即为它与这个单位量之间的倍率与其后附上的单位。在国际单位制（S1）中，长度的单位是“米”。为了适应科学技术的迅速发展，“米”的定义经历了数次更新，其准确度愈来愈高。最早的“米”定义为经过巴黎的子午线的四千万分之一；1889年19个国家开会议定以“米原器”为基准，定义1米为在用Pt做成X形横截面的尺子上两条刻线之间的距离，其精度可达10-6；1960年国际计量大会废除了“米原器”，重新定义1米等于Kr86原子的2P10和55d两能级之间跃迁所发射电磁波在真空中波长的1650763.73倍，这样定义米的精度可达5×10-9；1983年10月国际计量大会通过决议，承认米定义咨询委员会在1979年6月提出的以时间定长度的建议，规定“米”的长度等于平面电磁波在真空中每（1／299792458）s内所传播的距离。现在各国均采用此定义，且可表示为1米＝1m。长度的常用单位还有：毫米（1mm＝10-3m）、微米（1µm=10-6m）、纳米（1nm＝10-9m）、皮米（1pm＝10-12m）、千米（1km＝103m）、兆米（1Mm＝106m）、亿米（1Ym＝109m）和光年等。由于长度的测量具有基本性和普遍性，在生产和科学实验中需要大量的长度测量，在仪器中，除数字显示仪表外，几乎所有的其他仪表最终也转化为长度进行读数，所以，长度测量在测量中尤为重要。长度测量的基本方法是比较法。通过各种各样的量具量仪，提供不同精度的单位量，让被测量分别与这些单位量进行比较，得到具有不同精度的长度测量值。常用的量具量仪有米尺、游标尺、千分尺、移测显微镜、测距仪和比长仪等。此外，测量长度的方法也比较多，常用的有放大法、衍射法、干涉法、转换法和莫尔条纹技术等。以下介绍几种常用·45·的长度量具量仪。一、米尺米尺是最简单、最常用的测长量具，它包括直尺和卷尺。它们的最小分度值是1mm，测量时可估读至0.1mm。较准确的米尺是用较稳定的受环境影响小的材料，如不锈钢、铟钢、铁镍合金等制成。用米尺测量长度时，要让被测物体紧贴米尺，一端与米尺的零刻线对齐，另一端面正投影在米尺上得到一线段，此线段与米尺相交，即可读出在米尺上的刻度数。注意：应以毫米为单位读一位小数。二、游标尺这里介绍的游标尺系指测长的游标尺，又称为直游标尺或游标卡尺。它由主尺和附在米尺上一段能滑动的副尺（游标）构成。主尺是米尺的刻度，副尺上常有10、20或50个等分格，它是一种比米尺精确的测长量具，可用来测量物体的长度、内径、外径和测量孔的深度等。常用游标尺的量程是0~125mm。1．构造直游标尺的构造如图2-2-1所示。A是主尺，B是游标，CE是与主尺相连的固定量爪，DF是和游标固连的活动量爪，它们与固定量爪一起组成测量卡口（钳口和刀口），螺丝H用来锁定游标。钳口E、F用于测量内径，刀口C、D用来测量长度和外径，G用来测量深度。图2-2-1测长游标尺的构造2．原理设游标上每个分格的长度为nL，共有n个分格；主尺上每个分格的长度为mL；游标上n个分格的长度和主尺上1−n个分格的长度相等，即·46·mnLnnL)1(−=（2-2-1）于是游标上每个分格的真实长度为mmnLnLnnL−=−=111（2-2-2）若用a表示主尺上一个分格与游标上一个分格的长度之差，则mnmLnLLa1=−=（2-2-3）式中，a为游标尺准确读数的最小单位，即游标上一个分格的读数值，它由mL和n决定。例如，1=mLmm，当n分别为10、20、50时，游标上一个分格的读数值分别为0.1mm、0.05mm、0.02mm。如图2-2-2所示的两种游标尺，游标分格数均为20，但主尺分别为19mm和39mm，等分为游标的20格。显然，它们的最小分度值均为0.05mm。图2-2-2两种二十分游标3．测量和读数如图2-2-3所示，使用n分度游标测量某物体长度L时，若游标的零刻线过主尺的第k条刻线，游标的第m条刻线与主尺的某一刻线对准，则游标（副尺）读数为nLmLm=∆（2-2-4）物体的长度为mmmLnmkLnmkLL+=+=1（2-2-5）（a）(b)图2-2-3游标尺的读数·47·测量时，根据游标0线所对主尺的位置，如图2—2—3所示，可在主尺上读出毫米位的准确数，毫米以下的尾数由游标读出。一般分为三步进行：第一，读整数。读出游标“0”线的左边主尺上最近的刻线数值mAL。第二，读小数。看游标上“0”线的右边游标上的第m条刻线与主尺上的刻线对齐，将对齐的刻线m与最小分度a相乘，ma即为小数部分mLnm。第三，根据式（2-2-5）得出最后的测量结果。为了便于读数，二十分游标在游标上刻有0、25、50、75、1等标度。如游标上第5条刻线与主尺刻线对齐，则读数的尾数为25.05=a（mm），并可直接读出。二十分游标的估读误差〔＜（1/2）α〕可认为在百分之一毫米位上，如读数等于10.75mm，就不能再在后面加“0”。4．注意事项（1）用游标卡尺测量之前，应先将卡口合拢，检查游标尺的“0”线与主尺的“0”线是否对齐。如不能对齐，应记下零点读数，予以修正。（2）测量外尺寸时，应先把卡口开得比被测尺寸稍大。测量内尺寸时，钳口开得比被测尺寸稍小，然后慢慢推或拉游标，使刀口（或钳口）轻轻地接触被测件表面。测量内尺寸时，不要使劲转动卡尺，可轻轻摆动，以便找出最大值。（3）用游标尺测量时，用力的大小应正好使量爪刚好能接触被测物表面。若用力过大，量出的尺寸会偏小，而且易损坏刀口。（4）不得用游标尺去测量表面粗糙的物体。物体被夹住后，不要在钳口挪动物体，以免磨损卡口。随着传感技术和大规模集成电路技术的发展，目前已出现了数字化长度测量器具。电子数字显示卡尺就是其中之一，其结构如图2－2－4所示。图2－2－4数显卡尺1－刀口内量爪2－尺框3－制动螺钉4－显示器5－数据输出端口·48·6－尺身7－外量爪8－公、英制转换钮9－置零按钮10－深度尺11－更换电池盖板数显卡尺由容栅测量系统和读数数字显系统组合而成。容栅传感器是数显卡尺的关键器件，它由固定容栅和可动容栅构成，其结构如图2－2－5和2－2－6所示。图2－2－5固定容栅可图2－2－6动容栅固定容栅（简称定栅）粘于卡尺尺身6上，在测量过程中位置保持不变，它是测量的基准部件。可动容栅（简称动栅）用螺钉固定在尺框2内，它是在测量过程中与尺框一起发生位置变动的测量元件。定栅和动栅组成容栅副，即通常所说的容栅传感器。如图2－2－5所示，定栅栅片为有规律排列的金属铜片，其节距为D＝5.08mm，其中公共板和独立的定栅片宽度各为总宽度的一半，即2.54mm。动栅片和定栅片一样，也是有规律排列的金属铜片，节距d＝D/8＝0.635mm。如图2－2－6所示，每块动栅由48片独立的栅片构成，对应定栅的1个节距有8个动栅片（A,B,C,D,E,F,G,H），这是为了连接电子线路的8路激励信号所设置的，所以称这些栅片为发射极板。每8个栅片为1组，布置6组栅片并联是为了提高测量精度及降低对传感器制造精度的要求。接收极板J与发射极板做在同一平·49·面内，在极板移动的过程中，它始终与不同的小电极组成差动电容器，通过适当的电路，就能得到与极板位移成线性关系的输出信号，最后在数字显示屏上将位移量显示出来。数字卡尺与机械卡尺比较，具有精度高、功能多、测量效率高、并可实现相对测量等优点，可作为标准计量器具使用。但它对环境和使用条件的要求相对较高，例如需防潮、怕摔碰等，使用时需注意。三、千分尺（螺旋测微计）千分尺又叫螺旋测微计，是用来测长度和外径的。它的测量精度比游标尺高一个数量级，比米尺高两个数量级。常用千分尺的量程是0~25mm。1．构造螺旋测微计主要由一个装在蹄形架上的精密螺杆D、作为主尺的螺母外套A和螺杆套筒——副尺B构成。如图2—2—7所示，精密螺杆的螺距为0.5mm，主尺上有一条平行于螺杆螺线的横线，是副尺的圆周刻度读数准线。横线上面刻有表示整毫米数的刻线，下面刻有表示半毫米数的刻线。作为副尺的圆形截口套筒B与螺杆相连，其圆周上有50条刻线，将该圆周等分为50格。副尺B的圆周刻度线与主尺A上的读数准线垂直相交，是主尺的读数准线。螺杆的伸缩靠旋转副尺来实现。C是量砧，其右端面是垂直于螺轴的平面，是两个量面之一。螺杆的左端面也是垂直于螺轴的平面，是又一个量面。被测物就放在这两个平行的量面间。E为锁紧手柄，用来固定螺杆的位置，即两量面的间距。F是棘轮，又称摩擦帽，靠摩擦力与螺杆D相连。旋转F也可以使D杆伸缩。图2-2-7千分尺的结构示意图2．原理·50·螺杆的运动始终是旋转运动，当螺距为t，旋转角度是ϕ时，螺杆沿其轴线方向的线位移l是tlπϕ2=（2-2-6）式（2-2-6）表明：千分尺的测微原理是一种机械线性放大原理。若t＝0.5mm，副尺旋转一周，πϕ2=，l亦为0.5mm。因为副尺为50分度，所以，副尺的分度值是0.01mm，下一位还可以再作估计，读数达到以毫米为单位的千分位。3．测量与读数读数时，观察主尺读数准线所在的位置。如果半毫米刻度线尚未露出，则千分尺所表示的读数应是主尺上整毫米刻度数加上副尺的读数；若主尺横线下方的半毫米线已露出，千分尺的主尺读数至0.5mm的整倍数再加上副尺的读数。图2-2-8的读数分别为5.380mm和5.883mm。测量前先读的零读数又称零差，就是被测量为零时千分尺的读数。它是一种系统误差。为此，用左手握住蹄形架，右手徐徐转动棘轮F使螺杆D前进。当发出“喀喀”声时，表明两个量面已接触良好，此时千分尺的读数就是零读数。如图2-2-9所示，零读数分别为+0.014mm和一0.026mm。注意：千分尺的零读数是可以调整的。图2-2-8千分尺的读数图2-2-9千分尺的零读数零读数记录后，便可进行测量了。将被测物放在两个测量面之间，徐徐转动棘轮，听见“喀喀”声后立刻停止转动棘轮，读出此时千分尺的读数，将此读数减去零读数，所得之差即为被测物体的长度。4．注意事项（1）千分尺系精密量具，应轻拿轻放，不得乱扔。（2）检测零读数和测量时，不准直接转动螺杆套筒，使螺杆快速前进。应徐徐轻转棘轮使螺杆缓慢前进，当听见“喀喀”声后，必须立即停止转动，以免损坏量面和精密螺杆。（3）千分尺使用后，两个量面间应留有一定空隙，方能放回盒内。四．移测显微镜·51·1．构造移测显微镜是显微镜和测微螺旋的组合体。显微镜可放大被测物，以便观测。测微螺旋是测量读数系统。显然，移测显微镜是用作精密测量长度的仪器，测量精度与千分尺一样，可达0.001mm，量程通常为0~80mm。常见的一种移测显微镜的结构如图2-2-10所示。它由光学系统、机械系统和测量读数系统组成。光学部分是一个长焦距的显微镜，旋转调焦手轮可使显微镜上、下移动，达到调焦的目的。显微镜的位置由滑动台上主尺读出的整毫米数与测距手轮上的副尺读数之和确定。转动测距手轮能够左右平移与显微镜相连的拖板，带动显微镜的左右平移。读数亦随之改变。2．测量与读数（1）根据被测物的具体情况，转动测距手轮，将显微镜调至适当位置，正确放置被测物。（2）调目镜使视场中的十字分划线清晰无视差，并使十字叉丝的一臂平行于主尺，另一臂与主尺垂直。（3）显微镜调焦。调节调焦手轮，将显微镜徐徐放下至接近被观测物，然后通过显微镜观察，同时缓