各种物理量的测试计量中.ppt

第第9章章 各种物理量的测试计量（中）各种物理量的测试计量（中）9.1 几何量计量几何量计量9.1.1   几何量计量技术的发展概况    几何量计量技术的发展，源远流长，是最先形成的计量科学领域的一个部分现代几何量计量技术发展很快，与过去相比，无论计量标准器、工作用计量器具或测量方法都有很大的进展， 甚至是根本性的变化 1． 量具和量仪早期的机械加工件的形状较为简单,其精度要求也不高,那时所采用的测量器具是以线纹竹木尺或钢直尺为代表性的计量器具,其分度值最小只能达到0.5 mm随着加工件形状的逐渐复杂化及其精度的提高,这种低精度线纹尺就不能适应测量要求了到19世纪初出现了游标卡尺,用游标卡尺估读主尺刻线的小数部分,使分度值减小到0.1 mm,进而减小到0.05 mm,乃至0.02 mm1867年出现了基于螺旋微动原理的千分尺,其分度值达到0.01 mm为了校对器具,以求量值统一,1895年出现了量块量块的出现,大大促进了各种以比较测量为基础的量具和量仪的发展20世纪初,生产出了分度值为0.01 mm的百分表,分度值为0.001 mm的千分表和测微表到20世纪30年代出现了0.2 μm的扭簧表和扭簧比较仪。

随即又研制和生产出了各种不同类型的光学机械式仪器,如读数显微镜、工具显微镜、投影仪、光学计、测长机等等20世纪60年代末、70年代初研制出了电动量仪,如电动测微仪、电动轮廓仪、三坐标测量机等而20世纪80年代以光、机、电及计算机结合为特征的测量仪器的出现、推广和应用则使几何量计量发展到了一个完全崭新的阶段2．米基准    1889年米制公约国际计量大会上,通过了用铂铱合金米尺上两条刻线间的距离作为 1 m 的定义值,这根米尺被称为国际米原器国际米原器作为长度单位的实物基准,一直沿用了71年,它的相对精度为千万分之一左右,即1 m的测量精度为0.1 μm左右到了20世纪中叶，这个精度显得不够用了,不仅影响了自然科学的发展,也不能满足机械制造,特别是精密机械制造等行业的要求1960年国际计量大会通过了“米等于86Kr原子在2P10和5d6能级间跃迁所对应的辐射真空波长的1 650 763.73倍的长度”的定义,同时,废除了1889年确定的以米原器为依据的米定义根据这个定义,1 m的精度为十亿分之四这意味着在长度为5 cm的固定物质内不差一个原子的距离,或在1000 km的长度测量中不差4 mm。

显然,以原子辐射的单色波长为依据的新的米定义比实物原器米定义要优越得多因为,原子辐射的波长是物质本身的一种属性,是自然现象,能保证量值的高度稳定; 另外,自然界中的氪原子是取之不尽、用之不竭的,任何地方都可以实现米定义,不必像实物基准那样担心被损坏1960年,单色性好,相干能力强,能量高度集中和方向性好的激光问世1969年以后,利用激光得到的真空光速值为299 792 458 m/s,这一数值的准确性比过去提高了100倍1983年10月20日,在法国巴黎举行的第十七届国际计量大会上,正式通过了米的新定义: 米是光在真空中,在1/299 792 458 s的时间间隔内通过的距离的长度将真空中的光速作为一个固定不变的基本物理常数,使长度测量可通过时间或频率测量导出,从而使长度单位和时间单位结合了起来第十七届国际计量大会闭幕的当天,国际计量委员会就召开了会议,通过了推行新的米定义的实施方案，并推荐了5条激光辐射作为波长标准它们都是以真空光速c=299 792 458 m/s为出发点,用直接频率测量或间接频率测量方法测出谱线的频率f,再按λf=c这个公式导出波长λ5条谱线中,由CH4饱和吸收稳频的He-Ne激光辐射谱线的复现精度最高,其波长为3 392 231 397.0 fm,相对不确定度为±1.3×10-10。

国际计量委员会同时强调指出,复现新的米定义并不排斥已经使用的86Kr、198Hg和114Cd谱线,不过它们的不确定度要低得多例如，86Kr的不确定度为±4×10-99.1.2   几何量计量的基本原则为了保证正确可靠的测量,人们在测量实践中总结出了几何量计量的基本原则,即阿贝原则、封闭原则、最小变形原则、测量链最短原则和基准统一原则  1.阿贝原则    阿贝原则是几何量计量中最基本的原则对于长度量值的测量而言,主要是两点之间的最短直线距离,或是点、线、面和线或面之间的最短距离连接两点的直线或最短距离的线,对于被测量而言称为被测线; 对于标准量而言称为测量线因此,长度测量实质上是被测物体上被测线的长度量与测量线上的长度标准量进行比较的过程因此在长度测量时,被测线与测量线的方位必须按一定的测量原则来确定,这个原则就是阿贝原则阿贝原则是由德国科学家阿贝提出的,所以称为阿贝原则该原则指出： 被测线应与测量线重合,或者应在其延长线上, 或者说被测线与测量线应串连布置,因此阿贝原则又称为串连原则在一般的计量过程中,应尽可能不违背阿贝原则可以证明,凡是遵守阿贝原则的长度计量所引起的计量误差皆为二次微小误差; 而不符合阿贝原则的长度计量所引起的计量误差则为一次线性误差,通常称为阿贝误差。

2.封闭原则    圆周分度误差的测量是角度测量的一个重要内容在圆周分度中,起始刻线（0°）与最末刻线（360°）总是重合的,即圆周分度是封闭的,这就是圆周分度的封闭特性圆周分度是通过对整圆360°的等分而得来的圆周分度误差利用圆周分度具有的封闭特性而求得圆周分度首尾相接的间隔误差的总和为零,这是分度误差的闭合条件由圆周分度的封闭特性可得测量的封闭原则为: 在测量中,如果能满足封闭条件,则圆周分度间隔误差的总和必然为零    封闭原则为许多测量,特别是角度测量带来了方便例如,在检定多面棱体时,利用封闭原则,不需要高精度标准即可实现自我检定在万能测齿仪上测量齿轮周节累积误差时,利用封闭原则,比绝对测量方便且简单3.变形最小原则   在测量中,被测物体和测量仪器部分的零部件由于受重力、热膨胀及内应力等影响而变形时,会影响测量结果的准确度例如,在接触式测量中,由测量力产生的接触变形、大尺寸物体水平安放时的自重产生的弯曲变形、不均匀受热产生的局部热变形等都会带来测量误差因此,为使测量结果准确可靠,在测量过程中应使各种原因引起的变形为最小,这便是长度测量的变形最小原则  4.测量链最短原则    在精密测量中,被测量的微小变化不能直接被人眼观察到,需要借助于测量仪器,将被测量的微小变化变换为可观察的测量信号才能实现测量。

测量系统中提供与输入量有给定关系的输出量的部件称为测量变换器或计量器具的变换单元构成测量信号从输入到输出量通道的一系列单元所组成的完整部件称为测量链测量信号的每一变换环节称为测量链的环节测量链各个环节不可避免地会引入误差,测量链越长,转换环节越多,误差因素就越多因此,为了保证一定的测量精度,组成仪器测量链环节的构件数目应最少,即测量链应最短,这就是测量链最短原则 5.基准统一原则    设计基准、加工（工艺）基准和测量基准重合,称为三基准统一原则在测量中应力求三基准统一,这样可以减少测量误差9.1.3   几何量计量标准器    任何物体都有一定的几何形状,如直线、平面、曲面、多面棱体、锥体、球体等表征物体这些几何形态的参量可以归纳为普通参量、形位参量和微观参量及波度等普通参量有长、宽、高、曲率半径、直径、距离和角度; 形位参量有直线度、平面度、圆度、圆柱度、轮廓度、平行度、同轴度、对称度及跳动等; 微观参量主要指微观几何形状误差,即表面粗糙度  几何量计量是指对上述参量进行的计量为保证参量量值的统一,需建立相应的量值传递系统从近代几何量传递系统的建立来看,又可将上述参量分为长度、线纹、角度、平面度和粗糙度等五类。

因此,几何量量值传递也可分为五个传递系统,即长度、线纹、角度、平面度、粗糙度等传递系统下面着重介绍各个传递系统中的主要标准器1.长度标准器——量块   量块又称为块规,其横截面为矩形或圆形,是由两个相互平行的测量平面之间的距离来确定其工作长度的一种高精度单值量具,是长度量值传递系统中作为基础的基准器 图9.1.1   矩形量块量块的种类很多,有圆柱形的和矩形的,我国制造的量块皆为矩形长方块（如图9.1.1所示）量块有钢制量块、石英量块和玛瑙量块,最常用的是钢制量块量块不仅作为长度测量工具使用,而且是保存和传递长度单位的基准器之一,通过它把机械制造中各种成品和零件的尺寸与国家的以至国际的米定义基准所复现的长度联系起来,从而达到全国乃至全世界长度量值统一,实现互换的目的1） 量块的基本特性量块的基本特性包括：(1)   稳定性稳定性是指量块的实际长度随时间的变化程度在一定时期内,量块长度的变化不应超过一定的范围它以1 m长的量块在一年内的变化来表示稳定性量块制造的技术要求中,对各级量块的稳定性都有具体规定比如: 0级1 m量块的长度年变化量不得超过±0.5 μm,1级1 m量块的长度年变化量不得超过±1 μm等等。

(2) 耐磨性量块在使用中经常与其他物体接触或量块之间相互研合等都会使测量面磨损,量块测量面的磨损将降低量块的尺寸精度,缩短量块的使用寿命为了减少量块的磨损,要求其计量面具有足够的耐磨性耐磨性主要取决于原材料和热处理工艺常用的原材料为铬锰钢、铬钢和轴承钢等石英的稳定性、耐磨性和抗腐蚀性都很好,但是价格较贵,而且加工困难,加之温度膨胀系数较小（与通常的计量对象——钢相比）,因此不宜用于制作工作量块 (3) 研合性    量块与量块或量块与平晶相互推合或贴合而形成一体的性能,称为研合性由于量块具有良好的研合性,可以用多个量块组成所需的尺寸,从而将单值量具变成多值量具,扩大了量块的计量范围    (4) 线膨胀系数    在相对测量中,量块作为标准量与被测工件相比较进行测量,一般被测工件由钢制成,其线膨胀系数约为(11.35±3)×10-6/℃,这就要求量块的线膨胀系数与之相近,以减少相对测量时因环境温度与标准温度20℃之差而产生的测量误差为此,我国规定,在温度为10～30℃范围内,钢质量块的线膨胀系数应为(11.35±1)×10-6/℃ 2） 量块的等与级    根据量块测量面的平面度、平行度、表面粗糙度、研合性及中心长度允许偏差等主要技术指标,量块可以分为00,0,1,2,（3）和标准级K六个级别。

    根据量块测量面的平面度、平行度、表面粗糙度、研合性及中心长度测量的极限误差等主要技术指标,量块可以分为1,2,3,4,5,6六个等别    量块的级表征的是量块的制造精度,等表征的是量块的测量精度量块之所以分级又分等,是因为量块的测量精度比量块的制造精度高得多利用高精度的测量方法确定量块的实测尺寸（或尺寸偏差）,使用时加修正量,提高了量块的测量精度 3） 量块的使用量块的使用分为以下几项：(1)  按等使用:     使用量块的长度实测值,即按量块的标称值,从检定证书上查看此量块的实测值在精密测量中,按等使用可以提高测量精度(2)  按级使用:    使用量块的标称值,只要查看检定证书上量块属于哪一级,把级的允许偏差当作不确定度来处理就可以了由于使用方便,按级使用常用在精度要求不高的测量中 (3)  组合使用:    将几块量块通过研合组合在一起按等或级使用组合测量时,一般应从所需长度的最小位数起,在备用量块组（套）中依次进行挑选,并使选用的量块数最少组合后按级使用时,量块的尺寸等于各单块量块标称值之和; 组合后按等使用时,量块长度的偏差为各单块量块偏差的代数和2.线纹标准器——线纹尺    线纹标准中,最常用的是线纹尺。

线纹尺是一种具有等分刻度的多值量具,是以尺面上任意两条刻线或纹印间的垂直距离复现长度的高精度基准器和标准器线纹尺的截面形状有X型、H型和U型三种（如图9.1.2所示）图9.1.2   X型、H型和U型线纹尺    (a) X型； (b) H型； (c) U型（1） 标准玻璃线纹尺    标准玻璃线纹尺分为1等和2等,采用光学玻璃F6制成,在使用中为了保护刻线的清晰,附有同样大小的保护玻璃由于1等和2等线纹尺担负着对高精度的测量仪器和精密机床的量值传递,因此对线膨胀系数、稳定性及准确度都有较高的要求（2） 标准金属线纹尺 标准金属线纹尺分为1等、2等和3等1等和2等标准金属线纹尺的横截面为H型1等和2等标准金属线纹尺推荐使用殷钢或低炭钢（镀镍或镀铬）制造3等标准金属线纹尺主要用来检定钢直尺、管尺等低精度的线纹计量器具 3.角度标准器——正多面棱体、多齿分度台和角度块    角度和长度相比有本质上的不同,一个整圆所对应的圆心角是360°,这就是客观存在的角度自然基准,通过等分圆周可以得到任意大小的角度角度的标准器有正多面棱体、多齿分度台和角度块1） 正多面棱体多面棱体是一种常用的圆分度标准器,它以棱体圆柱面上各工作面法线所组成的夹角为工作角（如图9.1.3所示）。

各相邻工作面法线间夹角的名义值相同的多面体,称为正多面体在角度计量中,一般只用正多面棱体 图9.1.3   正多面棱体多面棱体结构简单,使用方便; 使用中不要求与被测件严格同心; 棱体本身具有圆周封闭特性,容易获得较高的测量精度    正多面棱体主要用于检定测角仪、光学分度头、低精度的多齿分度台等仪器的分度误差正多面棱体的常用规格有8、12、24、36和72面,根据制造精度（偏差大小）和检定准确度的高低分为1级正多面棱体和2级正多面棱体 2） 多齿分度台    多齿分度台是一种端面齿盘,齿形大多为梯形,齿数有360、720、1440个等一对齿盘在一定的轴向力作用下达到紧密啮合,由于多齿啮合平均效应的特点,对齿盘各齿的分度误差有平均的作用,因而可以达到高的分度精度装有齿盘的分度台称为多齿分度台多齿分度台是准确度较高的角度量值标准器多齿分度台根据最大间隙误差的大小,通常分为0.2″级、0.5″级和1″级三个级别,各级允许的偏差分别为0.2″、0.5″和1″ 图9.1.4   角度块3） 角度块角度块是一种精密的标准角度量具,一般是钢制的棱形块（如图9.1.4所示）,它以相邻两个工作面的夹角组成工作角。

由于两工作面存在形状误差,因此将两工作面的中部与交棱相垂直的两直线的夹角定义为角度块的工作角角度块是游标角度规、光学角度规及角度样板的标准器通常使用的角度块有三种： 库什尼克夫型角度块、约翰逊型角度块和NPL型角度块库什尼克夫型角度块适合于角度规内角的检定, 我国生产的角度块都属于这种类型这类角度块在使用中,除了单块使用外,也可以由多块进行组合使用为了便于使用,与长度量块一样,角度块也由各种不同工作角的角度块组合成套通常使用的成套的角度块有7块组、36块组和94块组三种规格成套的角度块附有专用的夹持器、销丁和直角尺等 4.平面度标准器——平晶    平晶既是用来传递表面平直度量值的标准器,也是用来直接评定工件平面度的工作计量器具平晶按形状分为圆柱形和长方形两种,按准确度等级分为标准平晶、1级平晶和2级平晶5.粗糙度标准器——单刻线样板和多刻线样板    粗糙度标准器分为单刻线样板和多刻线样板单刻线样板主要用于检定干涉显微镜示值误差多刻线样板主要用于检定光切显微镜的示值误差和触针式电动轮廓仪的示值误差 9.1.4   几何量量具和计量仪器1.通用量具 1） 游标量具    游标量具是应用游标读数原理进行读数的测量器具。

游标量具有游标卡尺、高度游标卡尺、深度游标卡尺及厚齿游标卡尺等用于测量内、外直径,长度、深度和高度尺寸以及厚齿等2） 测微量具（螺旋副量具）    测微量具是应用螺旋副传动原理进行读数的测量器具其原理是利用精密测微螺杆与螺母配合,将螺杆的旋转运动变为直线运动,并利用直线移动量与旋转角之间的正比关系进行读数  测微量具除最常用的外径千分尺之外,还有内径千分尺、深度千分尺、公法线千分尺等加上杠杆齿轮转动机构还可以构成杠杆千分尺另外,在不少测量仪器中,也利用这种精密螺旋副作为读数装置,如大、小工具显微镜,万能测长仪工作台移动的读数装置,双管显微镜中的目镜读数装置等为了保证精密螺杆的精度,这类量具的量程只有25 mm3） 表类量具   表类量具借助于杠杆、齿轮、齿条等传动放大机构,将测杆的微小直线位移转变为指针的角位移, 最后由刻度盘读出相应的示值表类量具与仪器相比,有轻、小、简、廉等特点,不需附加电源、光源或气源等装置,因而在生产中应用很广    通常使用的表类量具有百分表、杠杆百分表、内径百分表等 4） 角度量具       常用的角度量具有直角尺、方箱、正弦尺和水平仪。

    直角尺是检验和划线中常用的量具,在安装和调整设备时,用来检验零部件有关表面的相互垂直度,也用于量具、量仪的检定工作直角尺按结构形式可分为圆柱角尺、刀口形角尺、矩形角尺、铸铁角尺及宽座角尺等五种    方箱是一个具有六个工作面的正方体,由铸铁或钢材制成外形方箱内为空腔,其中一面有V型槽方箱主要用于机械零件平行度、垂直度的检验及划线 正弦尺是利用正弦原理测量工件角度和圆锥度的间接测量的常用量具它的结构简单,使用方便,对小角度的测量可以达到较高的准确度    水平仪是用来测量水平位置或垂直位置的微小角度偏差的一种量具常用于检验和调整设备安装的水平位置和垂直位置,也可以用来测量机床导轨的直线度、平面度、平行度,以及测量平板、平尺的平面度等5） 平直量具    常用的平直量具有平板、样板直尺和平尺    平板在量具检定、精密测试及划线中作为基准定位面或辅助工具平板有钢制平板和岩石平板两种 样板直尺是以光隙法检定精密平面的直线度及平面度的量具,也可以用光隙法与量块比较测量零件的尺寸样板直尺分刀口直尺、三棱直尺及四棱直尺三类    平尺是用来测量工件的直线度和平面度的量具,一般与水平仪结合使用。

平尺按结构可分为矩形平尺、工型平尺及桥型平尺三类2.专用量具    量规是一种没有刻度的专用检验工具用量规检验零件时,只能判断零件是否合格,而不能给出具体的数值量规的结构简单,使用方便可靠,检验效率高,因此在机械制造中得到广泛的应用    通常使用的量规有检验孔、轴的光滑极限量规、直线尺寸量规（包括高度规和深度规）、形状位置量规、键槽量规、花键量规及螺纹量规等3.机械式量仪机械式量仪主要指用于长度和角度测量的纯机械仪器这类测量仪器结构简单,调整方便,精度也能满足部分被测工件或器具的要求,所以至今仍然被广泛应用,如各种机械式比较仪、测微仪、直角尺检定仪、水平检定器等  4.光学式量仪    光学式量仪是利用光学原理与机械原理相结合设计的仪器这类仪器在医疗卫生、环境监测、航空航海、天文气象、大地测量、桥梁建筑、机械加工等领域得到了广泛的应用    光学式量仪按用途可分为长度测量仪、线纹测量仪、角度测量仪、平面度测量仪; 按光学系统可分为自准直式、显微镜式、光波干涉式和投影式    自准直式光学量仪有目镜式自准直仪,光电准直仪,测微平行光管,立、卧式光学计    显微镜式光学量仪有测长机、测长仪、工具显微镜、光学分度头、测角仪等。

投影式光学量仪有立、卧式投影仪光波干涉式光学量仪有接触式干涉仪、干涉显微镜、等厚干涉仪、等倾干涉仪等5.电动式量仪    电动式量仪是基于电学原理,将被测参量转换为电信号,再经过电子线路放大或运算,最后进行显示或打印处理的计量仪器这类仪器具有使用方便、效率高、适应性强等突出特点    电动式量仪按用途分为电动测微仪、电动轮廓仪、圆度仪、三坐标测量机等; 按传感器原理可分为电感式、电容式、电压式、光栅式等; 按电路原理可分为模拟式和数字式  6.气动式量仪    气动式量仪是以压缩空气为介质,靠气动系统状态的变化（压力或流量）实现对被测参量的转换的气动式量仪可分为压力式气动量仪和流量式气动量仪两类气动式量仪具有结构简单、容易制造、使用维护方便等特点,可实现多参数、不接触、远距离测量,易于和电测量仪、电子控制系统组合,实现自动化测量9.1.5   长度尺寸的计量    在几何量的计量中,长度尺寸是最基本、最重要的参数由于长度尺寸处于被测对象之中,而被测对象大小不一、种类繁多,即使同一个被测对象,有时也含有多个被测尺寸,因此长度尺寸的测量方法是多种多样的长度尺寸的计量主要包括轴径、孔径、大尺寸和微小尺寸的测量。

1.轴径的测量    对于轴径的测量,在大批量生产的车间,为提高检验效率,多采用极限量规（卡规）来检验; 对于单件或小批量生产通常采用游标卡尺、外径千分尺、指示千分尺等测量工具当被测对象精度要求较高时,可选用机械式比较仪、测长仪、万能工具显微镜等量仪测量 2.孔径的测量    孔径的测量和轴径的测量相似,但是孔和轴比起来,孔径的测量更困难,特别是小孔、深孔、盲孔等,难度更大例如, 对于直径小于3 mm的深孔,当采用接触式测量仪时,测头直径必须比孔径还要小,这时,测杆的弹性变形会造成很大的测量误差在大批量生产的车间,多采用极限量规（塞规）来检验; 对于单件或小批量生产,则多采用游标卡尺、内径千分尺和内径指示表等量具测量当被测对象精度要求较高时,可选用浮标式气动量仪、卧式光学计、万能工具显微镜、卧式测长仪、表面反射式测量仪、小孔径干涉测量仪等量仪测量3.大尺寸的测量    大尺寸测量一般指500 mm以上的长度测量在大尺寸的测量过程中,测量方法和测量精度问题显得更为突出,出现误差的规律也和普通尺寸有所不同影响测量精度的主要误差通常有温度误差、量仪误差、量具或被测对象因自重引起的变形误差等。

其中,温度误差的影响最为显著,因此,在测量中,应尽量避免量仪与被测对象的温度差大尺寸的测量方法可分为直接测量法和间接测量法,利用大尺寸的内、外径千分尺、卡尺等量具进行测量属于直接测量,采用辅助基准法、弦高法和经纬仪法等进行测量属于间接测量4.小尺寸的测量    随着科学技术和工业生产的发展,产品的小型化和微型化越来越成为一个重要的分支,因而微小尺寸的测量也越来越多,被测对象也越来越多样化,精度要求也越来越高例如集成电路中的氧化层厚度、计算机中磁头与磁盘间的微小间隙等小尺寸的测量方法有激光衍射法和激光能量法等 9.1.6   角度和锥度的计量    角度是组成机械零件的一个重要的几何参数,角度计量在几何量计量中有着重要的地位角度计量将被测角度与标准角度相比较,从而得到被测角度的实际值或偏差值标准角度可以是仪器的度盘及其细分度,也可以是标准器件角度计量方法分为直接测量、间接测量和组合测量,直接测量又可分为绝对测量和相对测量1.直接测量法    角度的直接测量,实质上是用圆周角或其他的标准角度与被测角度相比较,直接读出被测角的实际值用于直接测量角度的量具和量仪很多,如机械式的万能角度尺、光学象限仪、光学式或光栅式分度头、测角仪等,以及某些通用测量仪上的角度测量装置,如工具显微镜上的分度工作台、分度头和测角目镜等都可对被测角度进行直接测量。

一般角度可以用机械式角度尺测量,较高精度的角度可用工具显微镜、光学分度头和测角仪测量2.间接测量法    角度的间接测量是根据角度和长度之间存在着一定的函数关系,对某些较复杂工件的角度,用直接测量较困难时,可直接测量若干个长度量,再通过角度与长度之间的函数关系将被测角度计算出来常用的量具有正弦尺、滚柱或钢球3.小角度的测量    对于小角度,一般是指10°以下,几分甚至几秒的角度在对角度的相对测量中,常需要测出被测角度相对于标准角度的微小偏差,实际上该角度的微小偏差便是微小角度的测量,因此,小角度测量是角度测量中很重要的一部分内容实现小角度测量的方法,主要有正弦法、水准法、反射法等正弦法测量小角度是在正弦臂为一定长度的情况下,其一端转过的小角度与另一端的位移量成正比,利用测量长度的方法求得小角度值如正弦尺、小角度发生器、激光小角度测量仪等都是应用正弦法测量小角度的器具水准法测量小角度是用水平仪对水平或垂直的被测物实现相对于水平面或垂直面的倾斜角反射法测量小角度是用光学自准直仪（或光电自准直仪）对具有较高反射率的被测物的测量9.1.7   形状和位置误差的计量    形状和位置误差是指被测实际要素对其理想要素的变动量。

因为形状和位置误差不仅与被测要素有关,而且与理想要素的方向和位置有关,因此形状和位置误差的计量比较复杂形状和位置误差包括直线度误差、平面度误差、圆度误差、轮廓度误差1.直线度误差的测量    直线度误差的测量方法有光隙法、测微仪法、平晶基准法和光束基准法光隙法是用刀口尺作为理想直线测量直线度误差的一种方法,这种方法通常用于对尺寸较小的磨削或研磨表面进行测量测微仪法通常以平板、导轨或平尺作为测量基准,理想直线由直尺、平台或导轨等形成在测量高精度光亮表面的直线度误差时,可采用平晶基准法,它是直接测量法中精度最高的一种方法光束基准法是以一几何光束作为测量基准进行直线度误差测量的一种基准方法采用这种方法时,使用的仪器一般有两种,准直望远镜和激光准直仪,在精度要求较高时,可用激光准直仪测量2.平面度误差的测量    平面度误差是指被测表面对其理想表面的变动量平面度误差的测量可分为直接测量法和间接测量法直接测量法多用于尺寸较小的平面或尺寸较大但精度要求不高的平面,间接测量法适合于精度要求较高的大平面的平面度误差测量    对于尺寸较小,精度要求较高的被测表面可采用平晶基准法进行测量这种方法以高精度光学平晶的工作面作为基准平面,使其与被测表面直接接触,根据平晶上观察到的干涉条纹的弯曲程度或条纹数目可以评定被测表面的平面度误差。

光平面基准法是用由光束旋转形成的光平面作为测量基准面来测量平面度误差的一种方法,常用的仪器有经纬仪、平面扫描仪等光学仪器平晶基准法和光平面基准法都属于直接测量法 常用的间接测量法有水平面基准法和对角线法水平面基准法用水平仪类仪器进行测量,其测量基准平面为通过被测表面上的某给定点且与水平面平行的几何平面用对角线法测量平面度误差时,不存在基准平面,而是以准直光束为基准直线,以此来测量一些截面上的直线度误差,然后根据不同截面上各测点之间的关系,把相对于各自基准直线的直线度误差值转换成相对于一个基准平面的平面度误差值这种方法常用的仪器为自准直仪类仪器 3.圆度误差的测量    圆度误差是实际圆轮廓度对理想圆的变动量测量圆度误差时常使用的方法有比较检验法、特征参数测量法和坐标测量法等    比较检验法是把被测圆轮廓直接与标准圆（如标准圆图形、标准半球、标准圆盘、钢珠等）进行比较常用的方法有投影仪法和测微仪比较法投影仪法适用于被测工件比较小且边缘较规整的情况,在测量大型工件的圆度误差时,可采用测微仪比较法特征参数测量法是在理论上假定被测圆轮廓具有某种正弦波动性,但实际上,被测表面状况是很复杂的,因此基于这种假定所测得的圆度误差值是一种近似值。

但是由于这种测量方法简单、方便,尤其是对某些大尺寸的工件,更显示出其优越性,因此在精度要求不太高的情况下,这种方法被广泛应用 极坐标测量法又称半径测量法,是通过被测横截面的实际轮廓与某点绕轴心回转时所形成的测量基准圆沿半径方向进行比较来反映被测工件圆度误差的一种方法测量时,被测圆轮廓中心与仪器的回转中心同心,被测圆轮廓相对测量基准圆在半径方向的变化量可由传感器测得用极坐标测量法测量工件的专用仪器是圆度仪,用圆度仪测量圆度误差,不仅测量精度高,而且测量效率高,还可以获得被测圆轮廓上的全部误差成分在没有圆度仪且测量精度要求不高的情况下,可利用通用仪器,如光学分度头和带有转台的仪器进行测量 4.轮廓度误差的测量    轮廓度误差分为线轮廓度误差和面轮廓度误差,面轮廓度误差的测量通常是以线轮廓度误差的测量为基础的常用的线轮廓度误差的测量方法有样板检验法、投影比较法和坐标测量法等     用作检验的标准样板有间隙式样板和叠合式样板间隙式样板的工作轮廓外形与被测轮廓外形相反,而叠合式样板的工作轮廓外形与被测轮廓外形一致用间隙式样板测量线轮廓度误差时,误差值的大小是用测量样板的轮廓外形与被测轮廓间的缝隙大小来获得的。

用叠合式样板测量线轮廓度误差时,要使样板的工作面紧贴于被测工件上且使两轮廓同向,取被测轮廓相对样板轮廓的最大偏离量的两倍作为线轮廓度的误差值 对于工件尺寸较小且边缘整齐的轮廓,可采用投影比较法测量,其测量方法与用投影法测量圆度误差的方法相同测量时,用预先绘制好的极限轮廓图与被测轮廓的放大影像进行比较,被测轮廓影像位于极限轮廓之内时,为合格    坐标测量法有极坐标测量法和直角坐标测量法对于平面回转类工件的线轮廓度误差,理想轮廓通常可用极坐标的形式表示,可采用极坐标测量法直角坐标测量法不仅可用来测量各种回转类工件的线轮廓度误差,而且可用来测量其他类型工件的线轮廓度误差这种方法所使用的仪器有各种工具显微镜和坐标测量机 9.1.8   表面粗糙度的计量    一个实际加工表面通常包含表面形状误差、波度和表面粗糙度三种成分表面粗糙度计量就是要从实际加工表面中测取表面粗糙度,并用适当的评定参数进行评定在机械加工过程中,由于刀痕、切屑分离时的塑性变形、工艺系统中的高频振动以及刀具与被加工表面的摩擦等原因,致使在被加工表面上留下微观加工痕迹,使被加工表面产生微小的峰谷,这些微小的峰谷和间距所组成的微观几何形状称为表面粗糙度,表面粗糙度又称为微观几何形状误差。

表面粗糙度的计量方法多种多样,典型的计量方法有标准样板比较法、光切法、干涉法、针描法、激光反射法等 (1) 标准样板比较法: 是将被测表面与已知其评定参数值的粗糙度样板相比较,如被测表面较光滑时,可借助于放大镜、比较显微镜等进行比较,以提高检测精度比较样板的选择应使其材料、形状和加工方法与被测表面尽量相同这种方法简便实用,但测量精度较低,只能作为比较检验和定性分析,适合于大批量生产中较粗糙表面的检验(2) 光切法: 是采用平面光照明,并利用显微镜放大被测表面轮廓来测量表面粗糙度的一种方法,主要适用于测量加工纹路比较规则且显著的表面,还可用来观察木材、塑料和电镀层的表面根据光切原理设计的仪器称为光切显微镜,又称双管显微镜 (3) 干涉法: 是利用光波干涉原理,把被测表面的微观轮廓转换成对应的弯曲干涉条纹,并利用显微镜的放大作用测量其表面粗糙度的一种方法根据干涉法设计制造的仪器称为干涉显微镜(4) 针描法: 是一种接触式测量方法测量时,仪器的触针在被测表面上轻轻地划过,被测表面的微观起伏将使触针作垂直方向的位移,其位移量经机械、电子或光学装置加以放大,再由计算机处理显示出被测表面粗糙度的评定参数值,或由记录器绘制出被测表面轮廓的误差图形。

针描法的典型仪器是轮廓仪 (5) 激光反射法: 当激光以一定角度照射工件表面时,除了一部分光被吸收以外,大部分被反射和散射,反射光与散射光的强度及其分布与被照射表面的微观不平度状况有关反射光较为集中,形成光斑,散射光则分布在光斑的周围形成较弱的光带光洁的表面,光斑较强、光带较弱且宽度较小,粗糙的表面则光斑较弱、光带较强且宽度较大 9.1.9   螺纹的计量    为了保证螺纹的几何精度,必须对螺纹进行计量,普通螺纹几何参数的计量方法分单项计量与综合计量螺纹的综合计量是用光滑极限量规和螺纹量规检验螺纹在各参数具有误差的情况下,能否保证互换性的要求这种方法只能判断被测螺纹是否合格,而不能得出螺纹参数的具体数值综合计量的优点是计量效率高,操作简单,使用方便,适用于大批量生产单项计量是对螺纹的各种参数如中径、螺距、牙型半角等参数分别进行计量,主要用于精密螺纹,如螺纹量规、测微螺杆及精密丝杠等在加工过程中,为分析工艺因素对各参数加工精度的影响,也要进行单项计量单项计量主要用于单件、小批量生产单项计量螺纹各参数的计量器具很多,最常用的是工具显微镜 9.1.10   齿轮的计量     为了保证齿轮传动质量和进行齿轮加工精度的工艺分析,需要对齿轮的加工误差进行测量。

齿轮误差的测量方法主要分为单项测量和综合测量单项测量是对被测齿轮的单个被测项目分别进行测量,用于测量齿轮的单项误差综合测量是在被测齿轮与理想精确的测量齿轮相啮合的状态下进行测量,通过测得的数据或记录曲线,就可以综合判断被测齿轮的精度是否合格综合测量多用于批量生产的齿轮检验 9.2 温度计量温度计量 9.2.1   温度的概念在取得定量的温度量值之前的很长历史时期内,人类只是凭感觉定性地知道冷暖和一年四季寒暑的变化日常生活中,人们通常用温度来表示物体的冷热程度这种表示方法是建立在主观感觉的基础上的,感觉越热,温度越高; 反之,感觉越冷,温度越低这种通过触摸物体来判断物体温度的高低只是定性地了解,不能揭示物体的实质   要精确地、定量地定义温度,必须与热平衡状态联系起来随着热力学的发展,温度才有了科学的定义在热力学中,热力学系统在发生热量交换的条件下达到的平衡态,叫做热平衡热力学第零定律（温度存在定律）指出,如果两个热力学系统分别与第三个热力学系统处于平衡态,则这两个热力学系统彼此也必定处于热平衡从热力学第零定律可以推证,互为热平衡的系统具有一个数值相等的状态函数,这个决定系统热平衡的状态函数,定义为温度,即温度是表征热平衡系统冷热程度的物理量。

一切互为热平衡的系统都具有相同的温度实质上,温度反映了物体分子无规则热运动的剧烈程度,是物体分子运动平均动能大小的标志,分子运动的平均动能越大,分子运动越剧烈,物体的温度越高,在宏观上即表现为物体越热 9.2.2   温标    世界上第一支温度计是1597年由伽利略（G.Galileo）发明的最早发明而且有重要意义的温度计是1641年意大利的FerdinandⅡ发明的封口式的玻璃酒精温度计,它具有温度计的雏形,但因为当时还没有温标,这支温度计也就由于没有温标为依据而被淘汰    温标是温度量值的表示法, 只有在确定温标之后,温度计量才有实际意义要确定温标,首先应规定一系列恒定的温度作为固定点通常用纯物质的三相点、沸点、凝固点和超导转变点等作为温度计量的固定点,并赋予固定点一个确定的温度然后选择一个随温度变化而呈线性或一定函数关系变化的物理参量作为温度指示的标志这样,由固定点、标准温度计（测温物质）以及内插公式便构成了温标的主要内容,通常称为温标的三要素温标的种类很多,历史上曾出现过华氏温标、列氏温标、摄氏温标等经验温标,还有以热力学理论为基础的热力学温标和便于实测的国际温标。

 1. 华氏温标1714年,德国的华林海特（G.D.Fahrenheit）不仅制造出了水银温度计,而且第一次提出了自己的温标,后来被人们称为华氏温标起初华林海特是将冰水加盐的混合液体的温度作为0°,把人体的温度作为100°,以这两个点为标准后来改为水的冰点为32,水的沸点为212,在两者中间分180等份,形成了华氏温标2. 列氏温标1730年法国的列奥缪尔（R′eavmur）提出: 将水的冰点作为0°R′,将水的沸点作为80°R′，创立了列氏温标3. 摄氏温标1742年瑞典的摄尔萨斯（A.Celsius）提出了摄氏温标, 他原来的方案是以水的沸点为0°,水的冰点为100°次年法国人克里斯丁（Christian）把两个温度倒过来,水的冰点为0℃,水的沸点为100℃,两者之间分100等份,就成了沿用至今的摄氏温标4. 热力学温标1848年,英国的开尔文（L.Kelvin）提出了以热力学第二定律为基础的热力学温标,即以热力学定律中的卡诺原理作为热力学温标的理论依据华氏、列氏和摄氏温标都与特定的物质有关,热力学温标则与特定的物质性质无关,并以水三相点为基准,因此具有稳定性、唯一性、复现性和客观性。

热力学温度也称为绝对温度,单位为开尔文（K）5. 1990年国际温标(ITS-90)1990年国际温标（International  Temperture  Scale-1990）,简称ITS-90, 是从一系列早期国际温标演变而来的,从1990年起代替1968年国际实用温标(IPTS-68)由热力学温标过渡到国际温标主要有两方面原因： 一是采用气体温度计虽然可以高精度地测出热力学温度,但操作非常复杂,很不实用; 二是气体温度计准确度虽高,但精密度和复现性却很差,而标准电阻温度计和标准热电偶温度计等在准确度、精密度和复现性三方面都很优越实质上,国际温标就是热力学温标 1954年第十届国际计量大会正式决定,以水三相点为273.16 K作为基本定点来定义热力学温度水三相点是确定热力学温度单位的唯一的定义定点,同时它也是ITS-90的定义定点之一图9.2.1是实现水三相点的容器示意图我国是从1991年7月正式执行1990年国际温标(ITS-90)的,这是统一我国温度量值的法定标准,一切温度计量必须以此为准图9.2.1   水三相点容器示意图各温标间数值的换算关系如下:摄氏温度与热力学温度的数值关系为TK=273.16+tC,     tC=TK-273.16      摄氏温度与华氏温度的数值关系为 摄氏温度与列氏温度的数值关系为  上面各式中, TK表示热力学温度,单位为K; tC表示摄氏温度,单位为℃; tF表示华氏温度,单位为; tR′表示列氏温度,单位为°R′。

9.2.3   常用温度计玻璃液体温度计结构如图9.2.2所示贮液泡中贮有测温介质（如水银、酒精、甲苯等）毛细管与贮液泡相溶接,测温介质充满贮液泡和毛细管中的一部分当贮液泡的温度发生变化时,毛细管中的液柱弯月面就升高或降低,升或降的数值与温度的变化大小有关,从液柱的高低就可以读出温度  图9.2.2   玻璃液体温度计结构图玻璃液体温度计按其结构可分为透明棒式、内标式和外标式三种透明棒式玻璃温度计的标尺直接刻在厚壁毛细管上,内标式玻璃温度计的标尺板放在毛细管后面封在玻璃套管中,外标式玻璃温度计是将连有玻璃温泡的的毛细管直接固定在外标尺上玻璃液体温度计按其感温液体材料可分为水银和有机液体两种玻璃水银温度计用水银或其合金（水银-铊,水银-镓）作感温液体,玻璃有机液温度计用有机液体（如乙醇、甲苯、煤油、石油醚等）作为感温液体2.压力式温度计     压力式温度计的结构如图9.2.3所示, 它由密闭温度测量系统和指示仪表两部分组成密闭温度测量系统由温泡、毛细管及弹簧管构成压力式温度计利用气体、液体或低沸点液体作为感温物质填充于密闭温度测量系统内,当温泡内的感温物质受到温度作用时,密闭系统内的压力产生变化,同时引起了弹簧管弯曲率的变化并使其自由端发生位移,然后通过连杆和传动机构带动指针,在刻度盘上直接显示出温度的变化值。

 图9.2.3   压力式温度计结构图压力式温度计可以用于测量并可直接显示工业生产过程的介质-100～＋600℃范围的温度常用的压力式温度计有气体压力式温度计、液体压力式温度计和蒸汽压力式温度计三种气体压力式温度计通常填充氮气,用氮气作为感温物质的压力式温度计的温度测量上限为500℃液体压力式温度计一般填充二甲苯、甲醇、甘油和水银等,其温度测量下限不能低于感温液体的凝固点蒸汽压力式温度计一般填充氯甲烷、氯乙烷、苯或丙酮等低沸点液体,这种温度计不适于测量室温附近的温度3.电阻温度计    电阻温度计包括金属（如铂、铟、铜等）、合金（如铑铁、铂钴、金钴等）和半导体（如锗、硅等）温度计纯金属和合金制成的温度计具有正的电阻温度系数,而半导体温度计具有负的电阻温度系数实验证明,当温度升高1℃时,大多数的金属导体的阻值增加0.4%～0.6%,而半导体的阻值要减小3%～6%一般,电阻温度计的计量范围宽,从0.1 K到1000℃,都可以找到合适的温度计; 不确定度小,通常可达1～10 mK; 灵敏度高,在600℃以下,输出信号比热电偶大得多1） 金属电阻温度计  在金属中,导电的自由电子由于晶格缺陷和晶格的热振动散射,限制了金属的导电性能,形成金属的电阻率ρ。

电阻率ρ是每个原子的自由电子数n、电子速度v、电子电荷e和电子的有效平均自由程l的函数,即ρ=f(n, v, e, l)           (9.2.1)实际上,n、v、e都与温度无关,只有l部分地受热振动的限制,它的大小与温度有关如果晶格缺陷散射所引起的“剩余”电阻率为ρr,由晶格热振动散射引起的“理想”电阻率为ρi (T) ，则总的电阻率ρ可以写成下面的马提生法则的表达式:          ρ(T)=ρi (T)+ρr          (9.2.2)虽然大多数金属（导体）的电阻随温度而变化,但并不是所有的金属都能作为测温元件,特别是作为计量基准器具和标准器具    理想的测温金属应满足下列要求: ·金属的纯度要高,使剩余电阻在较宽的温区内不受影响;    ·电阻温度系数α要大,使能达到比较高的灵敏度α的定义是: 温度T变化1℃时,电阻值R的相对变化量,即    (9.2.3)·电阻率要比较大因为电阻率大,电阻体的体积就可以相对缩小,从而使得元件的热容量和热惯性相对减小,改善响应时间    ·电阻与温度的函数关系应尽可能接近线性,使得计算温度的程序简化    ·应易于加工,也就是能够拉制成丝状,并能够绕成一定形状。

 (1) 铂电阻温度计    铂电阻温度计是用高纯铂丝制成的温度计它的准确度高,稳定性好,性能可靠,所以被选作1990年国际实用温标13.80K～961.78℃温区内的内插仪器按ITS-90规定,铂电阻必须是用退过火的、无应力的纯铂制成,其电阻比W（T90）的定义为(9.2.4)式中,R为电阻值,在T90=273.16K时,比值不应小于1.118 07测量0℃以上温度用的杆式铂电阻温度计长约为61cm, 其丝材直径为0.075mm测量0℃以下温度用的套管式铂电阻温度计长约为40～60mm,其丝材直径为0.075mm,铂套管的外径为5mm    标准铂电阻温度计的铂丝应该能无应力地安装在骨架上,而且随着温度的升降,电阻器应该可以自由膨胀和收缩任何意外的冲击、振动或其他形式的加速度都可能使支架或丝材弯曲,产生应力,改变电阻-温度特性应力能增加阻值,降低α值,所以对水槽、油槽等恒温槽的搅拌振动以及运输颠簸也应特别注意  (2) 铑铁电阻温度计    这是一种用铑铁合金丝制成的温度计,它的铁含量为0.5%原子百分比这种温度计可作为0.1～273 K温区温标的传递标准器之一,其在水三根、点电阻分为100 Ω和50 Ω两种。

    (3) 铂钴电阻温度计铂钴电阻温度计是利用磁性杂质和钴的自旋脉动的一种温度计它与铂电阻比较在低温时优点多, 它比铑铁合金稳定性好而且不会产生结构应力其缺点是由合金引起的经年变化不可避免2） 半导体电阻温度计    半导体电阻温度计广泛用于在低温环境下计量温度半导体温度计一般具有负的电阻温度系数（热敏电阻也有正温度系数的）,所以温度越低,电阻越大,且随指数曲线的上升而上升因此,对电阻的精密计量十分有利半导体电阻温度计的感温物质有两种： 一种是热敏电阻,另一种是锗温度传感器1) 锗电阻温度计    常见的半导体感温材料为锗锗中掺砷补镓后制成温度计,其中,掺砷浓度为9×1016～1.5×1017 cm-3,再补偿7%～10%的镓这种温度计往往可以用到10 mK～100 K的温区硅材料的半导体温度计用得比较少一些   在高温下半导体的电导率是本征的,也就是说受激发的电子将由价带移到导带在本征区半导体的导电率是载流子数和迁移率的函数,并可以表示为式中,A几乎与温度无关; E是价带和导带之间的能隙宽度,锗的E为0.72 eV,硅的E为1.12 eV    低温下,半导体的本征激发是极其弱的,因此它的电阻率太大,对温度不够灵敏。

如果作为温度计用,则必须掺加杂质,一般掺铟、砷、铅均可(9.2.5)4． 热电偶温度计    用热电偶测量温度具有优点多、用途广的特点,随着技术的发展,目前热电偶的品种较多,可以测量-271～＋2800℃以至更高的温度1） 热电偶的测温原理    当两种不同的金属连接形成一个闭合回路时,如果两接点处温度不同,则将产生一个净的热电势,导致一个持续电流在零电流条件下,在热电偶回路中建立起一个净热电势,称为赛贝克电压此热电势的大小可用来衡量温度的高低 金属中都含有自由电子,自由电子在不断地快速运动自由电子要想从金属中挣脱出来必须克服金属本身的电场力即电子具有的动能大于金属的逸出功时,电子才能挣脱出来,才能形成电流两根相连的金属,其逸出功不同,自由电子密度也不相同,正是由于这两个原因,才产生了接触电位差闭合回路的两根金属丝如图9.2.4 所示图9.2.4   塞贝克效应设  为逸出电位不同引起的接触电势, 为电子密度不同引起的接触电势,且有总的接触电势为(9.2.7)(9.2.8)(9.2.9)式中,k为玻尔兹曼常数,e为电子电荷,nA为金属A的电子密度,nB为金属B的电子密度,T为接点温度。

当两金属丝为闭合回路时,产生的总电势应为由式(9.2.10)可以得出下述结论:     (1） 当材料一定时（即nA、nB已知时）,热电势E是T1（热接点温度）和T2（冷接点温度）的函数; 当冷接点温度T2固定时,则热电势E是热接点温度的单值函数(9.2.10) (2）  闭合回路两根金属丝的两个接点处于相同温度（T1=T2）时,热电势E=0    (3） 两根金属丝为相同材料（ nA=nB ）,即使冷热接点处于不同温度下（ T1 ≠ T2 ）,也不能产生热电势        (4）  nA/ nB     1时,E较大2） 热电偶的分类    目前,我国广泛使用的标准化热电偶有以下几种: (1) 铂铑-10-铂热电偶,即S型热电偶其热电性能稳定,抗氧化性能好,宜在氧化性、中性环境中使用其长期使用温度为1300℃,短期使用温度为1600℃(2) 铂铑-30-铂铑-6热电偶,即B型热电偶它的两个热电极均为铂铑合金,因而熔点和机械强度较高其长期使用温度为1600℃,短期使用温度为1800℃与S型热电偶相比,这种热电偶的热电特性在高温下更为稳定   (3) 镍铬-镍硅（镍铬-镍铝）热电偶,即K型热电偶。

该热电偶在500℃以下可在还原性、中性和氧化性环境中可靠地工作,而在500℃以上只能在氧化性或中性环境中工作 (4) 铜-康铜热电偶,即T型热电偶由于这种热电偶的铜热电极易氧化,故在氧化性环境中使用时不宜超过300℃,工业上通常用它来测量300℃以下的温度T型热电偶还用于-200℃以下的低温测量,热电特性良好另外,还有一些非标准化的热电偶,包括铂铑丝、铱铑丝、钨铼丝及钨钼丝热电偶等,其中使用比较普遍的有铂铑丝与钨铼丝热电偶5． 辐射温度计1） 辐射温度计的测温原理    当我们接近热源时,例如冬季在暖气或火炉旁时,有温暖的感觉,这就是物体的辐射,物体只要不是处于绝对零度（零“开尔文”）,就会放射出辐射能,温度越高,辐射也越大一般热辐射是肉眼看不到的红外辐射,但当温度升高时肉眼能看到可见光,物体开始变为暗红色物体辐射能量的大小与波长、温度有关,它们的关系由一系列辐射基本定律所描述,而辐射温度计就是以这些基本定律为工作原理而实现辐射测温的通过观察被测物体在全波长或某一波段的辐射能量,并由此确定物体温度的测量装置,统称为辐射温度计即辐射温度计是应用热辐射和温度的关系,通过检出热辐射来求出温度的非接触式的测温仪器。

2） 辐射测温法分类     辐射测温法分亮度法、比色法和全辐射法    (1) 亮度法: 是指被测对象投射到仪表检出元件上的是被限制在某一特定波长下的光谱辐射能量,而能量的大小与被测对象温度之间的关系是由维恩公式（或普朗克公式）来描述的一种辐射测温方法亮度法是辐射测温法中最常用的一种,使用的温度范围一般为800～4000℃常用的有光学高温计、光电高温计、红外高温计等窄带光谱光电高温计是目前间接计量温度仪表中最准确的一种, 在金凝固点温度（1064.43℃）,它的不确定度可达0.04℃,分辨率为0.005℃,2000℃时的不确定度为0.25℃ (2) 比色法: 是指被测对象的两个不同波长的光谱辐射能量交替地投射到仪表的一个检出元件上,或同时投射到两个检出元件上,根据它们的比值与被测对象温度之间的关系实现辐射测温的方法常用的为比色高温计       (3) 全辐射法: 是指被测对象投射到仪表检出元件上的是对应全波长范围的辐射能量,而能量的大小与被测对象之间的关系是由斯蒂芬-玻尔兹曼定律来描述的一种辐射测温方法接收器响应不随辐射波长变化的温度计称为全辐射温度计这种温度计在工业中得到广泛应用,其特点是简单方便,价格便宜,示值相对稳定,可以自动显示和记录,作为生产工艺中的温度指示器是很合适的。

但是由于受周围环境影响较大,其准确度常常不如光学高温计、光电高温计和比色高温计利用亮度法测温时,仪表所指示的温度称为亮度温度; 利用比色法测温时,仪表所指示的温度称为比色温度; 利用全辐射法测温时,仪表所指示的温度称为辐射温度 9.2.4   温度计量    当我们要知道某物体的冷热程度时,只是定性地知道它是冷还是热是不够的,要定量地知道它的冷热程度,就需要用到温度计量技术温度计量就是研究制定和实施温度标准、测温方法、测温装置以及如何将热变为温度量值或作为控制信号,保证温度量值统一、准确可靠,满足各种工程温度计量的需要自18世纪热机发展以后,人们对温度的重视逐渐扩大和加强,之后在化工、金属热加工、消除热障碍等方面对温度测量和控制的要求越来越多   到了20世纪温度计量已扩展至更多的领域,科学研究、生产事业以及人民生活等现代社会中需要各种水平的温度计量尤其是技术开发的要求对温度计量的要求就更加紧迫例如在发电站尤其是核电站,测温不仅是项重要的工作参数,而且往往是安全保险工作中的重要一环又如集成电路或大规模集成电路的发热问题关系到集成度的界限问题,要求测出电路板的温度分布图,根据温度分布图改善并提高集成度。

 从温度计量对象的种类看,可以说是多种多样,包括气体、液体、固体、等离子体和生物体等空间范围为从微生物到地球或天体这样广大的空间从时间范围看,从10年以上的长期温度监测到纳秒或皮秒级的温度计量从温度范围看,从20 K的超低温到热核反应堆的108 K，跨越了一亿度在测量精度方面,现在最精密的测量在室温附近0.1×10-3K是完全可以达到的,相对精度高于10-6 1． 常用温度计量方法        温度计量方法通常可以分为两大类: 接触法和非接触法 从热平衡态的理论可以知道,若干个物体处于热平衡时,它们的温度是一样的; 如果两个物体分别与第三个物体处于热平衡,那么这两个物体也必然处于热平衡,它们的温度必然相等因此,当比较两个物体的温度时,不必使它们接触,只要用另外一个物体与它们接触就行了第三个物体可以当作温度计    接触法测温是使被测物体与温度计或与温度计的感温元件进行良好的接触,使其温度相同,这样便可知被测物体的温度采用接触法测温所用的温度计有玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计和热电偶温度计 非接触法测温是温度计的感温元件不直接与被测物体相接触,而是利用物体的热辐射原理或电磁性质求得被测物体的温度。

辐射温度计常常被用于非接触法测温    接触法测温可用于任意场所的温度测量,测温范围一般为1000℃以下采用这种方法时,温度计的感温元件与被测物体相接触,吸收被测物体的热量,往往使被测物体的热平衡受到破坏所以对感温元件的结构要求很高,如对耐热、膨胀、震动等都有较严格的要求,因此不适用于热容量小的物体和动态温度的测量非接触法测温的应用表现在许多情况下,如在特殊环境下、超高温条件下、不能破坏温度场或正在移动的对象的前提下只能应用非接触法,而不能用直接接触法采用这种方法时,温度计的感温元件与被测物体有一定距离,不破坏被测物体的热平衡态,因此不需要对感温元件的耐热性等提出类似直接测温的要求,而且对动态温度响应较好,但非接触法测温通常比接触法测温精度低非接触法测温具有下列优点:     (1）由于被计量物体与计量温度元件不直接接触,因而可用来计量较高温度    (2）非接触计量温度方法中常常采用光电元件作为接收器,其响应时间可达毫秒级或微秒级, 因此动态特性很好(3） 可以对物体温度场进行快速扫描,能给出精确的热图像和物体的温度分布    (4） 可以计量热容量小的物体,如细丝、金属薄片等。

非接触计量温度的方法不会干扰被计量对象原来的热状态,更不会引起温度场的畸变,因此它的示值能够反映实际热状态    (5） 可以计量导热系数很小的物体表面温度,如玻璃、塑料制品等的表面温度    (6） 可计量移动物体的温度,如计量移动着的热钢锭的温度 (7） 可以计量远距离目标的温度,如几十米高的高压电缆接头处的温度2． 超高温、超低温计量     原子能和宇航事业的发展促进了高温工程和低温工程的迅速发展并取得了巨大的成就耐高温合金的冶炼、金属气化精制、热核控制及防护、太阳能利用等均属高温工程的范畴,都需要高温计量技术相配合氟利昂冷冻机（-90℃）、空气液化机（-190℃）、氢液化机（-253℃）等都是有代表性的低温技术的应用,氦稀释冷冻机（-273℃）所能达到的最低温度已非常接近绝对零度石油精制、食品药品冷冻、液体天然气的输送和储藏、低温合金、超导技术等都属于低温工程的范畴  超高温一般是指不能用接触式温度计测温的区域,即2000℃以上在工程上常把3000℃作为超高温的起点太阳炉辉度温度计和太阳炉亮度温度计是超高温计量时常用的温度计超低温一般是指氧的露点（90.188 K）温度以下的温域。

常磁性物质的磁化率在低温时随温度变化很大,利用这一性质制成的磁性温度计可用于测量超低温9.3 力学计量力学计量 9.3.1   质量计量    人们在社会活动中,经常要进行物质交换, 这些交换活动都离不开质量计量工作质量计量是力学计量中最基础的计量项目之一,因为它与密度、力值、压力、流量等力学计量密不可分质量计量的根本任务是保证各级质量标准准确可靠,确保质量计量精度; 分析质量计量中的各种影响因素; 研究和改进衡量方法,提高工作效率; 简化质量传递系统,便于质量传递,保证全国质量量值的统一 质量是物体最重要和最基本的属性之一只要有物质存在,就必然会有质量质量可以表征物体的惯性及其引力场中相互作用的能力,它是没有方向的,是标量静止物体的质量是一个不变的量,它不随时间地点而变,当物体的运动速度远远小于光速时,认为物体的质量与运动速度的大小无关    质量计量,就是采用适当的仪器和方法,确定被测物体与作为质量单位的国际千克原器之间的质量对应关系 1． 天平和砝码1） 天平    天平是物质质量计量的重要仪器,又是进行质量量值传递的重要器具为保证质量量值传递和衡量工作的正常进行,天平应具有稳定性、正确性、灵敏性和不变性四个主要计量性能。

对于天平来说,其横梁可以看做是杠杆,杠杆的支点就是中刀刃的圆柱包络面的轴线当杠杆平衡时,作用于杠杆上的所有外力对转轴的力矩之和为零所以天平的工作原理是利用杠杆平衡原理,而所得的结果是物体的质量       天平按结构可分为等臂天平、不等臂天平、单盘天平、双盘天平、电光天平和摆动天平等天平的精度有高低之分,精度在10-3以上的天平称为精密天平,精度在10-5以上的天平称为微量天平2） 砝码    砝码是一种以固定形式复现一给定质量值的“从属的实物量具”为什么称砝码为“从属的实物量具”呢? 因为光靠砝码不能测出质量值,它必须和天平、秤这一类计量仪器配合才能进行质量的计量    一般说来,用90％铂和10％铱所做的铂铱合金材料是目前最理想和最好的砝码材料,但是由于这些原材料价格很高,因此作为砝码材料造价会很高稳定性好的非磁性不锈钢是一种比较好的常用砝码材料黄铜和青铜是传统的砝码材料,目前在国际上及我国都在广泛使用,用这种材料所做的砝码一般磁化率都很小另外,钛、铝、水晶、优质石英玻璃和铂也可以用作砝码材料钛、铝、铂等材料主要用来做毫克组和微克组砝码对于精度更低一些的砝码,常用铸钢、锻钢或铸铁制造。

  为了衡量各种不同质量的物体,就需要配备一套质量从大到小,能组成任何量值的一组砝码,这就是砝码组砝码组通常以十进位为一个组合单元,按5、3、2、1; 5、2、2、1或5、2、1、1等系列进行组合我国一般采用5、2、2、1系列根据质量的大小,砝码组分为千克组（1～20 kg）、克组（1～500 g）和毫克组（1～500 mg）此外,还有20 kg以上到数吨的大砝码,用来检定各种大型衡器我国制造的砝码一般选用没有磁性的不锈钢和铜合金等,大砝码也有选用铸钢和铸铁的2. 衡量原理和衡量方法1)  衡量原理    被称物体的重力与已知质量的标准砝码的重力在衡器上进行比较的过程称为衡量衡量原理可分为杠杆原理、传感原理及液压原理三种1) 杠杆原理    杠杆是一种在外力作用下绕固定轴转动的机械装置,平衡时作用在杠杆上的所有外力矩之和为零天平就是根据这一原理而制成的计量器具如图9.3.1所示,mQ和mP分别表示被称物和标准砝码的质量,L1和L2表示两臂长假设L1= L2,由于杠杆两端的重力加速度相等,故平衡时下式成立: mP=mQ   (9.3.1)图9.3.1所示 (2) 传感原理。

    传感原理可以电阻应变式称重传感器为例它由电阻应变计、弹性体和某些附件组成当被称物或标准砝码的质量作用在传感器上时,弹性体产生变形,应变计的电阻就发生变化并通过电桥产生一定的输出信号,从而可进行比较或衡量这种称重传感器制成的质量比较仪,其计量不确定度（1σ）已达到10-7量级,而且操作简便,具有许多优于常规天平的性能    (3) 液压原理    根据帕斯卡原理,加在密封液体上的压强能够按照原来的大小由液体向各个方向传递液压秤就是用这个原理制成的如图9.3.2所示,mQ和mP分别表示被称物体和标准砝码的质量,A1和A2表示两个液压活塞的有效面积,平衡时下式成立:         因此,在液压秤上衡量时,得到的是物体的质量        2) 衡量方法        在质量计量工作中,常用衡量方法分为直接称量法和精密称量法精密称量法包括替代称量法、门捷列夫称量法及交换称量法对被测物体进行质量计量时,被测物体和砝码都是在空气中进行衡量的,所以在空气中衡量时,被测物体和砝码必然要受到空气浮力的作用,因此,必须考虑由空气浮力所引入的计量误差 图9.3.2   液压秤原理图(1)  直接称量法。

直接称量法也称为比例称量法采用这种衡量方法时,要进行两次“部分称量”: 第一次是在空载天平上进行,测定出此时的平衡位置Lo; 第二次是在天平上放上被测物体时进行,对于等臂双盘天平来说,就是在一个称盘上放被测物体A,在另一个称盘上放标准砝码B,然后读取此时的天平平衡位置Lp,则被测物体在空气中的质量为mA=mB+(VA-VB)ρK±(Lp-Lo)S                     (9.3.3)式中, mA为被测物体的质量, mB为标准砝码的质量, VA为被测物体的体积, VB为标准砝码的体积,ρK为空气密度, S为天平的分度值(2)  替代称量法替代称量法是由法国科学家波尔达首先提出的,所以又称为波尔达称量法首先把被测物体A放在一个称盘上,在另一个称盘上放上配衡物,使天平平衡,并读取平衡位置LA,然后把被测物体从称盘上取下来,放上相应的标准砝码B,使天平仍然能够在LA附近实现平衡,此时读取平衡位置LB,最后为确定分度值,把一感量砝码mr添加在放标准砝码B的称盘上读取平衡位置LBr,则被测物体质量为mA=mB+(VA-VB)ρK±(LA-LB)                       (9.3.4)式中,mr为感量砝码的质量; Vr为感量砝码的体积,其他符号与前面相同。

 (3)  门捷列夫称量法该称量法是前苏联学者Д·И·门捷列夫提出来的这种方法在我国用来检定组合砝码时,常称为连续替代法门捷列夫称量法是一种改进了的替代法,采用这种方法进行衡量时,天平自始至终在某一固定的质量下进行衡量,因此,不论被测物体质量大小,都能在天平的同一分度值下进行测定首先在一个称盘上放上总质量等于该天平最大载荷的标准砝码群,并在另一称盘上放配衡重物平衡它,读取平衡位置,记为L1,然后在放着砝码群的称盘上依次放上被测物体,并同时从称盘上取下相应的标准砝码,使得每加放一次被测物体都能使天平平衡在原来的平衡位置L1附近,读取每次的相应平衡位置,分别记为L2, L3, …,最后,再用感量砝码测一下天平的分度值,则被测物体的质量为mAi=mBi+(VＡi-VBi)ρK±(Li+1-Li)SPi=1,2,…       (9.3.5)式中,mAi为序号为i的被测物体的质量,mBi为序号为i的标准砝码的质量； VAi为序号为i的被测物体的体积,VBi为序号为i的标准砝码的体积,ρK为空气密度; Li为第i次读取的平衡位置; Li +1为第i+1次读取的平衡位置; SP为天平称盘上放被测物体的总和时所测得的天平的分度值。

4) 交换称量法交换称量法是德国学者高斯首先提出来的,所以也称为高斯称量法采用交换称量法时,先把被测物体A放在天平的一个称盘上,把标准砝码B放在天平的另一个称盘上,记下此时的平衡位置LＡＢ,然后将两边称盘中的被测物体和标准砝码交换位置,如果从两称盘中对调标准砝码和被测物体后,天平的指针超出了标牌范围,则需要在较轻的称盘里添加一个小标准砝码w,使天平能在原来的平衡点附近平衡,记此时的平衡位置为LBA最后,把感量砝码加到能使天平的平衡位置更接近天平读数标尺中央的那个称盘上,读取此时的天平平衡位置LBAr,则被测物体的质量为mA=mB+(VA-VB)ρK±                                                                                   (9.3.6)式中,mw为在交换标准砝码和被测物体后,为使天平平衡,在较轻的称盘上所添加的标准小砝码在真空中的质量; Vw为砝码w的体积,其他符号同前替代称量法、门捷列夫称量法和交换称量法都属于精密衡量法,都可以消除天平不等臂误差对衡量结果的影响9.3.2   容量计量容量计量是指对容器的容积值的计量。

容积是指容器内部所包含的空间体积; 而容量是指容器所能容纳的液体或气体的体积容量的主单位是立方米（m3）,也常用其分数单位立方分米（dm3）或升（L）、立方厘米（cm3）和立方毫米（mm3）等    按容积大小,容量可分为:     小容量: 0.1～1000 mL;     中容量: 1～1000 L;     大容量: 1000 L以上    容量量器有金属结构和非金属结构两种实验室用的一等标准金属量器、油罐、油轮、槽车、罐车等均属金属结构量器; 玻璃的量瓶、量杯、量筒、滴定管、吸管、注射器等都是非金属结构量器标准金属量器一般分为三等: 一等的容量为50 mL,精度为±（0.015～0.02）%; 二等的容量为200 mL、500 mL,精度为±（0.025～0.04）%; 三等的容量为500 mL、1000 mL,精度为±（0.05～0.1）% 容量计量的方法通常可分为三种: 衡量法、比较法和尺寸计量法1． 衡量法衡量法也称为称量法,是先计量出被测量器所能容纳的工作物质（液体）的质量及其密度,然后算出量器容积的一种方法当然,所选液体的密度是已知的一般取水为工作物质,因为水在不同温度下的密度是已知的,只要计量出水的质量即可求得容积。

这种方法的计量精度较高,常用于标定一等标准金属量器和精度要求较高的玻璃量器 2． 比较法比较法是将被计量量器的容量与标准量器的容量直接进行比较,从而得出被测容量的方法根据标准量器相对于被测量器位置的不同,比较法可分为“注入法”和“排出法”两种如果工作物质是由标准量器注入到被测量器,则为“注入法”； 反之,如果工作物质从被测量器排出,并与标准量器进行比较,则为“排出法”比较法一般用于检定二等标准量器或形状规则的较大容器,检测精度约为±(0.04～0.1)% 3． 尺寸计量法尺寸计量法也称为直测法,是直接计量容器的几何尺寸来获得容积的方法该法适用于具有较规则的几何形状的大容器的计量,如各种计量罐、大油罐的容积计量精度约为±(0.2～0.5)% 9.3.3   密度计量    密度是一个用于定量地描述物质特性的物理量每种物质都有一定的密度,物质不同,密度便不同,而且在一定的状态条件下,一种物质的密度是个常数,与该物质组成的物体的形状、质量和体积无关单位体积的某种物质的质量,称为这种物质的密度也就是说,物体的密度等于其质量与体积之比,即式中, ρ为物体的密度, m为物体的质量, V为物体的体积。

     密度的主单位是千克/米3,也常用克/厘米3或克/毫升、千克/分米3或千克/升等    密度计量可以分为静态计量与动态计量两类(9.3.7) 1． 静态密度计量静态密度计量有液体静力衡量法、比重瓶法和浮计法三种方法1） 液体静力衡量法（也称阿基米德法）    这种方法根据阿基米德定律和杠杆平衡原理,测出液体对物体的浮力,从而计算出物体的密度,是一种精密而又经典的方法    阿基米德原理说明,浸在液体内的任何物体所受到的浮力等于它所排开的液体的重力根据这个原理,采用液体静力衡量法测定物体密度时,需将物体衡量两次,首先在空气中衡量,然后在纯水中衡量,通常采用替代法进行衡量 具体做法是: 先将被测物体放在挂有悬丝的称盘上,在天平的另一称盘上放上配衡物并使天平实现平衡,接着用标准砝码B1代替物体, 直到天平恢复平衡为止,得到被测物体在空气中的平衡方程:(9.3.8) (9.3.9) (9.3.10) 式中: mb2为标准砝码B2的质量; ρS为纯水的密度由于物体在空气中和在水中两次衡量的时间间隔较短,因此可以认为环境条件没有太大的变化,即认为ρK是不变的如果在两次衡量时,空气密度ρK变化较大,则还要考虑ρK的变化对测量结果的影响。

  将式(9.3.8)除以式(9.3.10),得  (9.3.11) 于是便可得出该物体的密度为若利用该法计量液体密度,则需通过一个具有一定体积的辅助物,通常将其称为浮子,浮子呈纺锤体形如果浮子的质量和体积已知,在被测液体中衡量浮子,根据下面的公式即可得出被测液体的密度: (9.3.12)  (9.3.13) 式中: ρ为被测液体的密度; M为浮子的质量; V为浮子的体积; m为天平平衡时的标准砝码的质量; ρK和ρb的含义同前    如果浮子的质量与体积是未知的,可以通过三次衡量,即在空气中、纯水中以及被测液体中衡量浮子,来获得被测液体的密度,其计算公式如下:其中: m1为在空气中衡量浮子时所加标准砝码的质量; m２为在纯水中衡量浮子时所加标准砝码的质量; m3为在被测液体中衡量浮子时所加标准砝码的质量 (9.3.14) 2） 比重瓶法    比重瓶法是在测定各种状态物体的密度时最常采用的一种精密测定物体密度的方法,使用范围比较广比重瓶法与液体静力衡量法相比,有诸多优点,因此除了测定砝码一类的大块固体密度时采用液体静力衡量法以外,其他的密度测定工作多偏重于采用比重瓶法进用比重瓶法测定物体的密度时,最好采用替代衡量法进行。

具体测定方法是: 先将被测物体放在天平上,在空气中进行衡量此时,平衡方程为 (9.3.15) 式中: V为被测物体的体积; ρ为被测物体的密度; m1为标准砝码的质量; ρK为衡量时空气的密度; ρb为标准砝码的材料密度接着把标准液体（通常为纯水或已知密度的其他液体）注入比重瓶内,并使液面准确达到标线处,然后放到天平上,在空气中进行衡量则平衡方程为(9.3.16) 其中: mp为空比重瓶的质量; Vp为比重瓶在空气中所占的体积; Vc为标线处的比重瓶的容积; m2为天平平衡时所加标准砝码的质量; ρS为标准液体的密度最后将被测物体放入装有标准液体的比重瓶内,并在盖好瓶塞后调整液面,使液面仍处于原来的标线处此时,再把比重瓶放到天平上在空气中进行衡量其平衡方程为(9.3.17) 式中,m3为天平达到平衡时所加标准砝码的质量通过以上三次衡量,可求出被测物体的密度由式(9.3.15)得V(ρ-ρS)=(m3-m2) (9.3.18) 用式(9.3.17)减去式(9.3.16),得(9.3.19) 将式(9.3.18)代入式(9.3.19),得(9.3.20) 由上式可得被测物体的密度为  (9.3.21)        这就是用比重瓶法测定物体密度时经常采用的公式。

         3） 浮计法         浮计也是根据阿基米德原理设计的,是专门用来测定液体密度或溶液浓度的量具它是一个有压载物的密封容器其细管上标有密度分度值或浓度分度值（见图9.3.3）当将其浸入相应密度的液体中达到平衡后,其重力mg与液体的浮力ρVg相等,即mg=ρVg于是(9.3.22) 图9.3.3   浮计由于同一浮计的质量m是固定的,故被测液体的密度与其浸在液体中的体积成反比浮计在液体中浸没得越深,该液体的密度越小浮计细管上的刻度标尺,就是根据平衡时的相应密度（或浓度）刻制的 2. 动态密度计量    静态密度计量虽有较高的精度,但必须将被测物质取样,在静止状态下计量,因此不能满足现代化生产的连续、自动等要求动态计量则无须对被测量物质取样,而直接在动态下计量动态计量主要是针对气体或液体的动态计量的仪器种类较多,比如,应用电磁效应的海水盐度仪、硫酸浓度仪、电磁密度测定仪,应用光学原理的酒精或糖溶液的浓度计,应用声学原理的超声密度计,以及应用振动原理的振动式密度计等9.3.4   力值计量        力值计量是保证各种测力机械、称重仪器仪表以及以力为主要特征的材料试验机准确一致使用的一项力学计量工作。

力值计量在科研、生产、国防和日常生活中都有着相当广泛的应用,特别是在材料实验、精密测力和称重等方面,更是不可少的力是物体之间的相互作用,这是力的本质从宏观上来说,力可以改变物体的机械运动状态或改变物体所具有的动量,使物体产生加速度,这称为“动力效应”力还可以使物体产生变形,在物体内部产生应力,这称为“静力效应”在一般情况下,两物体相互作用时,加速度和变形总是同时发生的由物理学可知,力是矢量,有三要素,即力的大小（力值）、力的方向和力的作用点,其中力值是基本要素对力值的计量,实际上是不可能不考虑力的方向和作用点的 力的大小的度量单位,即力值的计量单位,是从力的动力效应引出的在国际单位制中,力的单位是牛顿（N）,1 N就是使质量为1 kg的物体产生1 m/s2加速度的力1． 力值计量的方法力值的计量方法很多,可以利用物理学中的牛顿第二定律原理、虎克定律、电磁定律等来测定力值的大小比如可以用已知重力平衡法、弹性体变形法、压磁法、压电法、压阻法等来计量力值尽管力值计量方法是多种多样的,但都是根据力的动力效应和静力效应来测力的（1） 利用力的动力效应计量力值    力的动力效应是使物体产生加速度,根据牛顿第二定律,当物体的质量及其加速度被测定之后,力值也就被测定出来了。

利用地球力场中已知的重力加速度,是十分方便的,此时,只需要计量物体的质量静重式标准测力机就是利用已知质量的砝码在已知重力场中所产生的重力来复现力值的; 杠杆式和液压式标准测力机则是利用杠杆和液压系统,对此重力进行放大来复现较大的力值的 （2） 利用力的静力效应计量力值    力的静力效应是使物体产生变形或内应力,测定了物体变形或内部应力相对应的参量也就测定了力值,大部分测力计正是利用这一原理来工作的如果物体是一个好的弹性体,则根据材料力学的虎克定律,在弹性范围内物体的变形量与作用力成正比,在确定了变形量与力值的对应关系后,再通过测定物体的弹性变形量即可得到力值计量变形量的方法很多,例如用百分表、读数显微镜、测微显微盘等计量环体的变形,用电阻应变计、差动变压器、电容器等计量弹性体的变形2． 力值计量仪器    力值计量在我国分为五大类： 第一类是国家力基准机,这是我国力值计量的最高基准,是统一我国力值计量的唯一依据； 第二类是精度为±1×10-5～±2×10-5的高精度力传感器,一般作为标准用于检定二等标准测力机；第三类是各省市作为标准使用的二等标准测力机; 第四类是各种型号规格的三等标准测力机和标准力的传感器； 第五类是各种型号规格的材料试验机、工作测力计和普通精度的负荷测力传感器。

 9.3.5   硬度计量硬度是指物体的软硬程度,是固体材料的一种机械特性硬度大的物体较硬,硬度小的物体则较软硬度本身并不是物理量,而是一个与物体的弹性形变、塑性形变和破坏有关的量也可以说,硬度是固体材料抵抗弹性形变、塑性形变和破坏的能力为了提高产品质量,改善产品生产的工艺过程,硬度计量具有十分重要的作用,在机械制造、造船、航空、宇航、仪器仪表、化工以及轻工业等国民经济各个领域中被广泛应用硬度检验是保证产品质量,确定合理的加工工艺不可缺少的重要手段 硬度不属于物理量,因为至今尚未发现用各种试验方法获得的硬度同材料的某种物理性质有确定的量的关系材料的硬度值的大小,不仅取决于材料本身的性质,而且还取决于试验条件和试验方法硬度值的获得不仅与材料的弹性极限、弹性模量、屈服极限、塑性、脆性以及材料的其他许多性质都有关系,而且与人为规定的方法和条件有关,所以硬度的定义无法统一规定,硬度的计量单位也无法统一硬度的计量单位根据其试验方法而各不相同    为了确定材料的硬度所采用的试验方法称为硬度试验法硬度试验方法按施加负荷的情况可以分为静负荷试验法和动负荷试验法两大类 1． 静负荷试验法    静负荷试验法的原理是： 在一定的静负荷（试验力）作用下,把规定材料与形状的压头压入被试材料的表面,经过规定的保持时间后卸除负荷,通过计量压痕的深度或大小来获得硬度值。

属于这种试验法的有布氏、洛氏、表面洛氏、维氏和显微硬度试验法等1） 布氏硬度试验法    布氏硬度试验法是瑞典工程师布利涅尔于1900年提出的,是最常用的硬度试验法之一其原理是将一个一定直径的淬火钢球,在规定的负载下压向被测物体,使被测物体的表面产生一半球形的压痕如果压痕小,则被测物为硬材料; 如果压痕大,则为软材料具体的硬度值是以压痕球面上的平均压力（N/mm2）来计算的布氏硬度的表示符号为HB布氏硬度范围,对黑色金属约为450～140和小于140; 对有色金属约为8～130和大于130该法比较简单易行,一般用来测定较软、较大的工件和试样,而不宜用于计量较硬、较薄的试件2） 洛氏硬度试验法    洛氏硬度试验法是美国人洛克威尔于1919年提出的其方法是用特制的金刚石圆锥体或一定尺寸的淬火小钢球作为压头,先后两次在不同负荷下压入被测物（第一次负荷称为预负荷,第二次负荷称为总负荷,即预负荷加主负荷）,以压头在预负荷下的压痕深度与压头在总负荷作用后卸除主负荷而保留预负荷时的压痕深度之差,来表示硬度洛氏硬度的符号是HR由于所采用的压头形式和负荷的不同,洛氏硬度有十多种标尺,其中常用的有A、B、C三种,A标尺适用于硬金属和硬质合金,B标尺适用于有色金属和软金属,C标尺适用于热处理后的结构钢和工具钢,表示符号分别为HRA、HRB、HRC。

该法操作简便、计量迅速,适用于测试较硬材料或淬火工件  3） 表面洛氏硬度试验法    表面洛氏硬度试验法也称为轻负荷洛氏法由于洛氏硬度所用负荷较大,压头压入试样压痕较深,因此不宜测试较薄材料的表面淬火硬化层及化学热处理层的硬度为此,产生了与洛氏硬度试验原理相同的表面洛氏硬度试验法表面洛氏硬度试验法的预负荷和总负荷均较小,同时还可以改变压头的尺寸,以适于测定渗氮层、渗碳层或薄试样的小表面洛氏硬度各种硬度的表示符号为HRN、HRT、HRW、HRX和HRV等 4） 维氏硬度试验法    维氏硬度试验法是在1925年由英国人史密斯和桑德兰德提出的,后由英国的维克斯·阿姆斯特朗公司首先按此法制造出硬度计而得名它采用的是相对两棱面夹角为136°的金刚石正四棱角锥体作压头,其余皆与布氏法相同,也是以压痕表面所承受的平均压力来表示硬度值,其符号为HV由于所设计的压头的几何形状使得压痕表面积的增大与负荷成正比,故对于硬度均匀的被测材料,在任何负荷下压痕表面所受的平均压力皆相等,即维氏硬度值与压头的负荷无关,这是维氏法的特点该法既适于测试松软金属,也适于测试硬金属和合金,尤其适于硬度高、试验面小的试样或工件。

一些不能采用布氏或洛氏法测定的试样,可用维氏法来测定5） 显微硬度试验法    显微硬度试验法(即显微硬度法)的原理和方法皆与维氏法相同,只不过负荷较小,都在10 N以下,常用负荷约为2 N,有时只有几毫牛顿甚至十分之几毫牛顿由于负荷很小,压痕也很小,只有在高倍显微镜下才能进行观测,故称显微硬度法显然,该法对试样的表面光洁程度要求较高由于采用了很小的负荷及精度很高的压头和高倍显微镜,因此显微硬度法可以获得很小的压痕,对试样不产生损坏这种方法常用来研究材料金相组织的特性,测定镀层、微小零件以及薄试样的硬度2． 动负荷试验法   动负荷试验法的原理是: 在一定的动负荷作用下,用规定材料与形状的冲头冲击被试材料,通过计量冲头回跳高度等参数来获得硬度值属于这种试验法的主要有肖氏硬度试验法  肖氏硬度试验法是由美国人肖尔于1906年提出的美国肖氏公司先后制造了直读式（C型）和表盘指示式（D型）肖氏硬度计该方法采用弹性回跳原理,标准冲头从给定的高度自由下落到试样表面上,然后由于试样的弹性变形,又使其回跳到一定的高度,以这两个高度的比例数表示被测试样的硬度值,其符号为HS肖氏硬度值不仅与材料的硬度有关,而且与材料的弹性有关,也就是说,同样硬度的材料,如果弹性不同,便会得出不同的硬度值。

或者材料的硬度本不相同,由于弹性的影响反而可能得到相同的硬度值 比如,若用肖氏法测定橡胶的硬度,就可能得到比淬火钢还硬的结果所以,肖氏法只限于测定弹性系数相同的材料肖氏硬度试验法具有操作简单、方便、迅速以及在试验时不破坏试样和可在现场进行测试等优点,但它测得的结果精度较低、重复性差,并且和被测材料的弹性参数有关因此,这种方法主要应用于轧辊硬度和机床床面、导轨、大型锻件等精度要求不高的零部件的硬度测试 另外,还有一些专门用来测定非金属的硬度计,如测定橡胶硬度的邵氏硬度计、测定玻璃钢硬度的巴克尔硬度计等 9.3.6   压力计量压力计量是力学计量工作中的一个重要组成部分,广泛应用在工农业生产、交通运输、国防工业、科学研究、医疗卫生等方面    工程上所指的压力在物理学中常被称为压强,这种压力通常是由液体、气体或蒸汽介质的分子运动对容器内壁的作用而产生的其物理意义是垂直并且均匀地作用在单位面积上的力,即 (9.3.23) 式中: P为液体或气体作用的压力; F为作用力; A为作用面积帕斯卡（Pa）是国际单位制中压力的单位    计量压力的仪器仪表按仪器的作用原理可以分为液体式、弹簧式、活塞式、电测式和数字式。

1． 液体式    液体式压力仪器是基于流体静力学原理,利用液柱的高度差来测试压力的仪器被测的液柱高度差可以直接读出、显示或通过计算的方法来确定常用的液体式压力仪器有水银气压计、U型（双管）和杯型（单管）压力计、环天平式压力计、钟罩式压力计、补偿式微压计和斜管微压计等2．弹簧式    弹簧式压力仪表的作用原理是：利用弹性敏感元件（如弹簧管）在压力作用下产生弹性形变,其形变的大小与作用的压力成一定的线性关系,通过传动放大机构或其他显示装置表示出被测的压力因使用的弹性敏感元件不同,弹簧式压力仪表有弹簧管式、膜片式、膜盒式、波纹管式等多种3． 活塞式活塞式压力计的作用原理是：利用流体静压原理和帕斯卡原理,由作用于已知活塞有效面积上的专用砝码来进行压力测量这种压力计有时又称为砝码式压力计和静重活塞式压力计,主要用于标准压力量值的传递活塞式压力计有直接加负荷压力计、双活塞压力真空计、通过传动装置向活塞加负荷的压力计等几种 4．电测式    电测式压力计是利用某些材料的电气特性在压力的作用下发生一定的变化,将被测的压力转换成与压力成一定关系的电信号来求得压力值的常用的有应变式、固态压阻式、压电式、电感式、电容式、振频式等多种压力计。

点测式压力计特别适合于自动控制和记录5．数字式    数字式压力计是可以直接以压力单位用数字显示压力量值的仪器这类压力计大部分是以压力传感器为感压元件,然后将信号放大,经模/数和数/模转换器转换后显示压力数值的压力计数字式压力计既可以显示生产工艺流程中的压力参数,又可将压力信号输出供数据分析和处理,因此在自动控制系统中被广泛应用9.3.7   真空计量    真空通常是指在给定的空间内,低于一个标准大气压的气体状态为了表达真空状态的量的概念,即表达在给定空间内气体稀薄的程度,又引入了真空度的概念真空度是以气体压力的高低来表示的,压力高则真空度低,压力低则真空度高真空计量指的就是真空度的计量由于真空度是以气体压力来表示的,因此其计量单位与压力的计量单位相同,即帕斯卡（Pa）    真空计量的方法有绝对法和相对法两种采用绝对法的真空计有U型压力计和麦克劳压缩式真空计U型压力计也称为标准差压计,是根据U型管内两液柱（汞柱或油柱等）面的高度差来求得压力值的,这种方法适用于粗真空和低真空的计量麦克劳压缩式真空计也称为麦氏真空计,是根据气体的压差及气体的压缩比等参数,由玻义耳-马略特定律求得绝对压力值的,这种方法主要用于计量低真空。

在高真空范围, 相对法用的标准真空计一般采用热阴极电离真空计,在低真空范围,通常使用电容薄膜真空计9.3.8   流量计量    流量通常是指单位时间内通过输送管道有效截面的体积或质量如果是对流体的体积进行计量,则为体积流量,如果是对质量进行计量,则为质量流量流体一般包括气体和液体流量计量就是对流体的体积流量、质量流量和总量的计量体积流量的计量单位是米3/时或升/时,质量流量的计量单位是千克/时或克/时1． 流量计量方法1） 液体流量计量方法    液体流量计量方法主要有容积法、称量法、标准体积管法等 容积法是使液体流入工作量器,根据从量器液位标尺上读出的数值和计时器上得到的时间,来确定流量称量法是使液体流入称量容器中,通过计量容器中的液体的质量,来获得流量值标准体积管法即在标准体积管内放置一个可移动的活塞和两个检测开关,当液体流入体积管时,推动活塞在管内移动,只要确定了活塞通过两个检测开关的时间,就可以求得流量值 2） 气体流量计量方法    气体流量计量方法主要有钟罩法、活塞法和音速喷嘴法等钟罩法适用于常压下气体流量的计量该方法是将一钟罩型容器扣置于水或油槽中,并被槽中的水或油密封,与外部的大气隔绝。

当被测气体充入钟罩或将气体从钟罩内排除时,根据钟罩上升或下降的高度（对应被测气体的体积）和所需的时间,就可以求得流量值该法只能在常压下使用活塞法是使被测气体冲入密闭的气缸,推动其中的活塞,由于气缸的内径是固定的,因而只要确定了活塞移动的距离和时间,即可求出流量值音速喷嘴法适用于高压气体大流量的计量当气体流过音速喷嘴,且其上游和下游的压力比达到临界状态时,通过喷嘴喉部的气体流速就达到了音速,并且不再受下游压力变化的影响于是便可以根据经音速喷嘴流入定容槽的气体的压力和温度来求出进入槽内的气体流量 2． 流量计量仪器    计量流量的仪器统称为流量计不同种类的流量计是根据不同的计量原理工作的,通常可分为容积式和推理式两种容积式流量计以流体本身的动力推动其运动部件移动或转动,使流体不断地充满或离开壳体与运动部件构成的空间,达到连续计量的目的腰轮流量计、椭圆齿轮流量计及各种活塞式流量计都属于容积式容积式流量计适用于计量高粘度流体的流量    推理式流量计是除容积式流量计之外的各种流量计的总称,是利用流体在流动过程中的物理现象或物理特性（如压力、冲量、电磁感应、光和声的多普勒效应等）与流速和流量之间的关系来工作的。

推理式流量计有节流式或差压式流量计、叶轮式或速度式流量计、面积式流量计、超声流量计、电磁流量计、激光流量计等9.3.9   振动与冲击计量振动与冲击是可以用位移、速度、加速度、频率和相位角等物理量来描述的物理现象振动与冲击计量就是研究这些参数的各种计量方法、测试仪器原理和使用技术,以及建立基、标准,实现量值传递的统一,保证测试结果的准确性和可靠性振动与冲击的计量,在国防尖端、工农业生产、土木建筑、机械制造、交通运输、地震预报以及生物医学等部门,都有相当重要的意义 1． 振动的计量    振动的计量方法可分为绝对法和比较法两种,绝对法属于间接计量法,相对法属于直接计量法    绝对法使被检加速度计产生理想正弦振动,通过计量振幅和频率,来获得位移、速度和加速度等参量比较法是将被检加速度计与标准加速度计背靠背地安装在一起,在振动台上承受同样的振动,比较它们的输出后,即可由标准加速度计的已知灵敏度,求出被检加速度计的灵敏度比较法是使被检加速度计与标准加速度计承受同样的冲击,确定了它们的峰值加速度输出之比后,由标准加速度计的已知灵敏度即可求出被检加速度计的灵敏度习题习题         1. 几何量的三大要素是什么？2. 几何量计量中要遵守哪些基本原则？3. 什么是阿贝原则？什么是封闭原则？分别说明阿贝原则和封闭原则在几何量测量中的作用。

4. 几何量计量主要包括哪些内容？5. 几何量计量标准器有哪些？6. 几何量量具和计量仪器分为哪几类？7. 作为长度计量标准器的量块要具有哪些基本性能？8. 长度尺寸的测量可以采用哪些计量器具？9. 角度测量有哪些测量方法？ 列举各种测量方法所用的量具或计量仪器 10．什么是表面粗糙度？ 测量表面粗糙度有哪些方法？11． 什么是温度？温度的微观含义和宏观含义是什么？ 12．什么是温标？温标是由哪几部分组成的？13．说明温度和温标之间的相互关系14．什么是热力学温标？15．为什么要采用国际温标？16．何谓摄氏温度？写出摄氏温度与热力学温度和华氏温度的关系式17．0 K等于多少摄氏度？多少华氏度？18．常用的温度计有哪几种？ 19． 常用金属电阻温度计有哪些？20． 简述热电偶的测温原理利用热电偶测量温度有哪些优点？21． 简述塞贝克效应产生的原因22． 我国使用的标准热电偶有哪几种？23． 简述辐射测温法的原理它又分为哪几种具体的温度测量方法？24． 接触法和非接触法测量温度分别适用于哪些场合？各有何优、缺点？25． 什么是衡量原理？可以分为哪三种？26． 简述衡量原理中的杠杆原理、传感原理和液压原理的基本内容。

27． 交换称量法、替代称量法和门捷列夫称量法如何消除天平不等臂性引起的误差？28． 容量计量和密度计量主要有哪些方法？29． 试述液体静力衡量法的基本原理30． 如何用比重瓶法测量物体的密度? 31． 浮计法是如何计量液体密度的? 能否用浮计来测量固体的密度？32． 什么是动力效应？ 什么静力效应？33． 力值计量可以分为哪两种方法？34． 硬度计量有哪些方法？35． 计量压力的仪器仪表分为哪几类？36． 液体流量和气体流量各有哪些计量方法？ 。