15.2.1 计量器具的分类
计量器具可按用途、结构和工作原理分类。
1.按用途分类
（1）标准计量器具。标准计量器具是指测量时体现标准量的测量器具。通常用来校对和调整其他计量器具，或作为标准量与被测几何量进行比较，如线纹尺、量块、多面棱体等。
（2）通用计量器具。通用计量器具指通用性大、可用来测量某一范围内各种尺寸（或其他几何量），并能获得具体读数值的计量器具，如千分尺、千分表、测长仪等。
（3）专用计量器具。专用计量器具是指用于专门测量某种或某个特定几何量的计量器具，如量规、圆度仪、基节仪等。
2.按结构和工作原理分类
（1）机械式计量器具。机械式计量器具是指通过机械结构实现对被测量的感受、传递和放大的计量器具，如机械式比较仪、百分表和扭簧比较仪等。
（2）光学式计量器具。光学式计量器具是指用光学方法实现对被测量的转换和放大的计量器具，如光学比较仪、投影仪、自准直仪和工具显微镜等。
（3）气动式计量器具。气动式计量器具是指靠压缩空气通过气动系统时的状态（流量或压力）变化来实现对被测量的转换的计量器具，如水柱式和浮标式气动量仪等。
（4）电动式计量器具。电动式计量器具是指将被测量通过传感器转变为电量，再经变换而获得读数的计量器具，如电动轮廓仪和电感测微仪等。
（5）光电式计量器具。光电式计量器具指利用光学方法放大或瞄准，通过光电元件再转换为电量进行检测，以实现几何量的测量的计量器具，如光电显微镜、光电测长仪等。
15.2.2 常用量具
1.量块
量块是没有刻度的、截面为矩形的平面平行的端面量具。量块用特殊合金钢制成，具有线膨胀系数小、不易变形、硬度高、耐磨性好、工作面粗糙度值小及研合性好等特点。如图15－1 （a）所示，量块上有两个平行的测量面，其表面光滑平整，两个测量面间具有精确的尺寸，另外还有四个非测量面。从量块一个测量面上任意一点（距边缘0.5mm区域除外）到与此量块另一个测量面相研合的面的垂直距离称为量块长度Li，从量块一个测量面上中心点到与此量块另一个测量面相研合的面的垂直距离称为量块的中心长度L。量块上标出的尺寸称为量块的标称长度。
为了能用较少的块数组合成所需要的尺寸，量块应按一定的尺寸系列成套生产供应。国家标准共规定了17种系列的成套量块。表15－1列出了其中两套量块的尺寸系列。
根据不同的使用要求，量块做成不同的精度等级。划分量块精度有两种规定：按“级”划分和按“等”划分。
国标GB／T 6093—2001按制造精度将量块分为00，0，1，2，（3）级共五级，精度依次降低。量块按“级”使用时，是以量块的标称长度为工作尺寸的，该尺寸包含了量块的制造误差，它们将被引入到测量结果中，但因不需要加修正值，故使用较方便。
表15－1 成套量块的尺寸（摘自GB／T 6093—2001）
国家计量局标准JJG 100—2001《量块检定规程》按检定精度将量块分为1～6等，精度依次降低。量块按“等”使用时，不再以标称长度作为工作尺寸，而是用量块经检定后所给出的实测中心长度作为工作尺寸，该尺寸排除了量块的制造误差，仅包含检定时较小的测量误差。
图15－1 量块
量块在使用时，常常用几个量块组合成所需要的尺寸，如图15－1（b）所示。组合量块时，为减少量块组合的累积误差，应力求使用最少的块数获得所需要的尺寸，一般不超过4块。可以从消去尺寸的最末位数开始，逐一选取。例如，使用83块一套的量块组，从中选取量块组成33.625mm。查表15－1，可按如下步骤选择量块尺寸。
33.625 ………… 量块组合尺寸
－ 1.005 ………… 第一块量块尺寸
32.620
－ 1.02 ………… 第二块量块尺寸
31.60
－1.6 ………… 第三块量块尺寸
30.00 ………… 第四块量块尺寸
量块除了作为长度基准的传递媒介以外，也可以用来检定、校对和调整计量器具，还可以用于测量工件、精密画线和精密调整机床。
2.游标尺
游标尺按其用途可分为游标卡尺、游标深度尺和游标高度尺，如图15－2所示。游标的读数原理如图15－3所示。主尺刻度间距r=1mm，游标刻度间距r′=0.9mm，两者之差i=r－r′=0.1mm。当主尺与游标的零线对齐时，两者的第一条刻线相距i，第二条刻线相距2i……将游标向右移动i后则两者的第一条线相重合，移动2i后两者的第二条线相重合……因此，测量时判别主尺与游标刻线最接近重合的是第几条线（N），即可读出毫米的小数部分（N× 0.1mm）。高精度游标尺，可取i=0.02mm。
目前，有一种数显卡尺代替了游标尺应用于生产。它利用电测方法测出位移量，由液晶显示读数，使用比较方便。
图15－2 游标尺
图15－3 主尺和游标的刻线
3.千分尺
常用千分尺有外径千分尺、内径千分尺和深度千分尺，如图15－4所示。千分尺的工作原理是应用测微螺旋副将微小直线位移变为较大的角位移。一般，螺距p=0.5mm，转筒上刻有50个刻度，即每转一格表示轴向位移为0.01mm。
图15－4 常用千分尺
图15－5 百分表
4.百分表
百分表的主要用途是测量形位误差或用比较法测量外尺寸。其工作原理是采用齿轮传动或杠杆齿轮传动机构，将测杆的线位移变为指针的回转运动，如图15－5所示。
15.2.3 精密量具
1.立式光学比较仪
立式光学比较仪是一种用相对法进行测量的精度比较高、结构简单的常用光学量仪。
立式光学比较仪采用了光学杠杆放大原理。如图15－6所示，玻璃标尺位于物镜的焦平面上，C为标尺的原点。当光源发出的光照亮标尺时，标尺相当于一个发光体，其光束经物镜产生一束平行光。光线前进遇到与主光轴垂直的平面反射镜，则仍按原路反射回来，经物镜后，光线会聚在焦点C′上，C′与C重合，标尺的影像仍在原处。当测杆有微量位移S时，使平面反射镜对主光轴偏转α角，于是，由反射镜反射的光线与入射光线之间偏转2α角，标尺上C点的影像移到C″点。只要把位移L测量出来，就可求出测量杆的位移量S值。从图上可知，L=ftan2α，f是物镜的焦距，而S=atanα，因α很小，故放大比为
图15－6 立式光学比较仪
式中：a——测量杆到平面反射镜支点M的距离，称为臂长。
一般物镜焦距f=200mm，臂长a=5mm。代入上式得
因此，光学杠杆放大比为80倍，标尺的像通过放大倍数为12的目镜来观察，这样总的放大倍数为12×80=960倍。也就是说，当测杆位移1μm时，经过960倍的放大，相当于在目镜内看到刻线移动了0.96mm。
立式光学比较仪的分度值为0.001mm；示值范围为±0.1mm，测量范围：高度0～180 mm，直径0～150mm。
2.电感测微仪
电感测微仪是一种常用的电动量仪。它是利用磁路中气隙的改变，引起电感量相应改变的一种量仪。如图15－7所示为数字式电感测微仪工作原理图。测量前，用量块调整仪器的零位，即调节测量杆3与工作台5的相对位置，使测量杆3上端的磁心处于两只差动线圈1的中间位置，数字显示为零。测量时，若被测尺寸相对于量块尺寸有偏差，测量杆3带动磁心2在差动线圈1内上下移动，引起差动线圈电感量的变化，通过测量电路，将电感量的变化转换为电压（或电流）信号，并经放大和整流，由数字电压表显示，即显示被测尺寸相对于量块的偏差。数字显示可读出0.1μm的量值。
图15－7 数字式电感测微仪工作原理
1—差动线圈；2—磁心；3—测量杆；4—被测零件；5—工作台
3.电容式比较仪
这是一种非接触式测量仪器，其工作原理如图15－8所示。测杆的端部是一个电容极板，与被测表面（金属）之间距离x组成一个电容器，其电容值C与x成反比，仪器内部的电路将C值的变化量转换为电量，并折合成x的读数，通过表头显示出来。
图15－8 电容式比较仪
图15－9 浮标式气动量仪的工作原理
1—浮标；2—倍率调整阀；3—工件；4—工作台；5—测量喷嘴；6—零位调整阀
4.浮标式气动量仪
浮标式气动量仪是一种常用的气动量仪，其基本工作原理如图15－9所示。清洁、干燥的压缩空气从稳压器输出，分两路流向测量喷嘴5。一路从锥形玻璃管下端进入，在此气流作用下，将玻璃管内的浮标1托起，并悬浮在玻璃管内某一高度位置上，压缩空气从浮标和玻璃管内壁之间的环形间隙流过，经玻璃管上端后，一部分从零位调整阀6逸入大气，另一部分进入测量喷嘴5，经间隙s流入大气；另一路压缩空气经倍率调整阀2到测量喷嘴，从间隙s流入大气。当工作压力保持恒定，同时倍率调整阀和零位调整阀在一定的开度时，被测工件尺寸不同，测量喷嘴与工件间的间隙必然不同，流过喷嘴的气体流量也不同，于是浮标的悬浮位置就不同。间隙s愈大，空气流量也就愈大，浮标在玻璃管内的位置也愈高，于是浮标与锥形玻璃管的环形间隙也愈大，直到气流作用和浮标的重力平衡时才使浮标停止上升。这样，可由浮标的位置在标尺上读出工件的尺寸偏差。它也是用比较测量法，将被测尺寸所形成的浮标高度与相应的标准尺寸所形成的浮标高度进行比较，确定工件是否合格。
浮标式气动量仪分度值可达0.000 5mm。
5.万能测长仪
万能测长仪的读数原理如图15－10所示，测量轴上的刻度由读数显微镜读出。测量前，将测量轴颈顶紧测量砧，读出第一个读数；工件放入后，读出第二个读数，两读数之差即为工件尺寸。
图15－10 万能测长仪工作原理
6.工具显微镜
其读数原理与万能测长仪类似，它有互相垂直可独立滑移的两个滑台。其移动量分别由两个显微镜读出，故能在两个坐标方向测量。
7.投影仪
投影仪是利用光学系统将被测零件轮廓外形放大后，投影到仪器影屏上进行测量的一种光学仪器。它主要用于测量形状复杂的小型零件，如钟表零件、曲线样板、成型刀具、小模数齿轮等。在投影仪上可利用直角坐标或极坐标进行绝对测量或事先画好的放大图像比较，以判断零件是否合格。
8.光学分度头
这是一种精密测角仪器，其测量原理如图15－11所示。被测工件安装在主轴顶尖和尾座之间，可随主轴一起回转，借助光栅或光干涉原理，由光学分度盘指示出转动角度。
图15－11 光学分度头
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