测量基准和尺寸传递系统的优化方案

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：在几何量计量领域内，测量基准包括长度基准和角度基准。图3-1是国家标准规定的长度量值的传递系统，通过线螺纹和量块这两个主要媒介把基准波长向下传递，传递的媒介不同，基准要求也不相同。在实际应用中，为了测量方便，角度基准的实物基准常采用特殊合金钢和石英玻璃制成的多面棱体，并建立了角度量值的传递系统。图3-4所示为角度量值传递系统。量块主要用作尺寸传递系统中的中间标准量具，或作为标准件调整仪器的零位。

在生产和科学实验中，为了保证测量的准确性就必须建立起统一、可靠的计量基准。所谓计量基准是指为了定义、保存或者复现计量单位的量值用作参考的实物、测量仪器、物质和测量系统。在几何量计量领域内，测量基准包括长度基准和角度基准。

1.长度基准

在国际单位和我国法定计量单位中，长度的基本单位都为“米”，单位符号为“m”。“米”起源于法国，18世纪末法国科学家组成的特别委员会，建议以通过巴黎的地球子午线全长的四千万分之一作为长度单位，选取古希腊文中“metron”一词作为这个单位的名称，后来演变为“meter”，中文译成“米突”或“米”。1875年5月由法国政府出面，召开了20个国家政府代表会议，正式签署了米制公约，公认米制为国际通用的计量单位。同时决定成立国际计量委员会和国际计量局。到1985年10月，米制公约成员国已有47个，我国于1977年参加。1983年第十七届国际计量大会通过了米的新定义：“米是光在真空中1/299792458s的时间间隔内所经路程的长度”。新的“米”定义有重大科学意义，从此光速c成了一个精确数值，把长度单位统一到时间上。国际大会推荐用稳频激光辐射来复现“米”，1985年3月我国用碘吸收稳频的0.633μm氦氖激光辐射波长来复现“米”定义，其频率的稳定度为1×10-9，到20世纪90年代初由于采用单粒子存储技术，我国已将氦氖激光频率的稳定度提高到1×10-17的水平。

在生产和科研中，通常都是用高精度的计量器具对基准的量值进行传递。所用的计量器具必须经过更高准确度的计量标准进行计量，而该计量标准又需受到上一级计量标准的检定，直至国家计量标准和国际计量标准。因此，无论“米”的基准如何修改，对长度计量工作者来说影响都不大，他们能关注的是如何进行长度量值的统一和传递。图3-1是国家标准规定的长度量值的传递系统，通过线螺纹和量块这两个主要媒介把基准波长向下传递，传递的媒介不同，基准要求也不相同。在实际应用中可根据不同要求选择不同精度的测量基准。

pagenumber_ebook=50,pagenumber_book=43

图3-2　国家标准规定的长度量值传递系统

2.角度基准

常用的角度单位是基于圆周角360°来定义的，且弧度与度、分、秒有确定的换算关系，因此角度测量不需要建立自然基准。在实际应用中，为了测量方便，角度基准的实物基准常采用特殊合金钢和石英玻璃制成的多面棱体，并建立了角度量值的传递系统。

多面棱体的工作面数有4、6、8、12、24、36、72等几种，图3-3所示的多面棱体为正八面棱体，相邻工作面法线间的夹角均为45°，用它作为基准可以测量任意n×30°的角度（n为正整数）。图3-4所示为角度量值传递系统。

pagenumber_ebook=50,pagenumber_book=43

图3-3　正八面棱体

pagenumber_ebook=50,pagenumber_book=43

图3-4　以多面棱体作为基准的角度量值传递系统

3.量块

量块是一种没有刻度的长方六面体结构，又称块规，是保证长度量值统一的一种端面长度标准。它用耐磨材料制造而成，六个面中有两个相互平行的测量面和四个侧面。量块的测量面经研磨而成，所以与侧面相比，尺寸精度和表面粗糙度都要高很多，能够很容易区别开来，如图3-5所示。量块主要用作尺寸传递系统中的中间标准量具，或作为标准件调整仪器的零位。

pagenumber_ebook=51,pagenumber_book=44

图3-5　量块

1）量块的尺寸

量块的长度是指测量面上任意点到与另一测量面相研合的辅助体表面之间的垂直距离，用符号l表示，辅助体的材料表面质量应与量块相同，量块的中心长度是指测量面上中心点的量块长度，用符号lc表示，如图3-6所示。

量块的长度标称值（又称标称长度）用ln表示，该值会在量块上标出，当标称长度ln不大于5.5mm的量块时，数码刻在上测量面上，与其相对的为下测量面，如图3-7中5mm的量块；当标称长度ln大于5.5mm的量块时，代表标称长度的数码刻在面积较大的一个非测量面上，如图3-7中30mm的量块。

pagenumber_ebook=51,pagenumber_book=44

图3-6　量块的长度定义

pagenumber_ebook=51,pagenumber_book=44

图3-7　量块的长度标称值

国家标准GB/T6093—2001《几何量技术规范（GPS）　长度标准　量块》中规定了17种成套的量块系列，制造时按一定的尺寸系列成套生产，表3-1为从标准中摘录的几套量块尺寸系列。

表3-1　成套量规的组合尺寸（摘自GB/6093—2001）

pagenumber_ebook=52,pagenumber_book=45

2）量块的精度

国家计量局标准JJG146—2011《量块》按检定精度将量块分为K、0、1、2、3共五个级别。量块的分级主要是按测量面上任一点的长度相对于标称长度的极限偏差te和长度变动量（量块长度的最大值和最小值之差）的允许值tv，量块测量面的平面度、粗糙度及量块的研合性等质量指标来划分的。其中K级精度最高，依次降低，3级精度最低，具体数值参见表3-2。

表3-2　量块测量面上任意点的长度极限偏差te和长度变化量最大允许值tv（摘自JJG146—2011）（单位：μm）

pagenumber_ebook=52,pagenumber_book=45

续表

pagenumber_ebook=53,pagenumber_book=46

注：距离测量面边缘0.8mm范围内不计。

根据JJG146—2011中的规定，量块按长度测量不确定度和长度变动量分为5等，即1、2、3、4、5等，其中1等精度最高，5等精度最低。各等量块精度指标的最大允许值具体数值参见表3-3。

表3-3　各等量块精度指标的最大允许值（摘自JJG146—2011）（单位：μm）

pagenumber_ebook=53,pagenumber_book=46

续表

pagenumber_ebook=54,pagenumber_book=47

注：①距离测量面边缘0.8mm范围内不计；
②表内测量不确定度置信概率为0.99。

3）量块的使用

量块的使用方法分为按“级”使用和按“等”使用。

量块按“级”使用时，以量块的标称长度作为工作尺寸，不考虑量块的制造误差和磨损误差，因测量不需要考虑修正值，因此使用较为方便，但是制造误差和磨损误差会被引入测量结果，影响最终的测量精度。

量块按“等”使用时，以量块检定后给出的实际中心长度尺寸作为工作尺寸。例如，某一标称长度为20mm的量块，经检定后其实际中心长度与标称长度差值为-0.4μm，则其工作尺寸为19.9996mm，测量时要对测量结果加以修正，这样就消除了量块制造误差和磨损误差的影响，提高了测量精度。但是，检定量块时，测量方法造成的误差还是会不可避免地被引入测量结果。

测量基准和尺寸传递系统的优化方案

相关推荐