2.2　測量單位

在測量過程中，作為測量單位的參照標(biāo)準(zhǔn)量在測量比較過程中直接影響著測量結(jié)果。如果標(biāo)準(zhǔn)量不準(zhǔn)，那么測量結(jié)果不可能準(zhǔn)確；如果社會(huì)上的標(biāo)準(zhǔn)量不統(tǒng)一，就保證不了產(chǎn)品的質(zhì)量，無法進(jìn)行企業(yè)之間乃至國際之間的技術(shù)合作和貿(mào)易。因此，測量過程中必須有統(tǒng)一、可靠、精度足夠的標(biāo)準(zhǔn)量，必須建立相應(yīng)的基準(zhǔn)和量值傳遞系統(tǒng)。

在幾何量測量工作中所使用的測量單位，可以溯源到長度基準(zhǔn)及角度基準(zhǔn)。以長度或角度基準(zhǔn)為基礎(chǔ)，通過各級(jí)計(jì)量機(jī)構(gòu)的尺寸傳遞，最終使用的是具有確定精度的測量單位。

2.2.1　長度基準(zhǔn)

長度基準(zhǔn)的發(fā)展過程經(jīng)歷了古代和現(xiàn)代兩個(gè)發(fā)展階段。

在古代，人類多以人體某一部分的長度作為長度基準(zhǔn)。例如，我國的“尺”（古代“布手為尺”，兩拃為1尺）；英國的“英尺”（約翰王的足長為1ft）、“英寸”（1ft等于12in）等。隨著1875年《國際米制公約》的簽訂，長度基準(zhǔn)的發(fā)展進(jìn)入了以科學(xué)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代發(fā)展階段，人們開始不斷用科學(xué)的方法來定義米制長度的基本單位——“米”。

1791年，法國首先給出了“米”的定義，當(dāng)時(shí)規(guī)定“1m等于經(jīng)過巴黎的地球子午線的四千萬分之一”。1889年在法國巴黎召開了第一屆國際計(jì)量大會(huì)，國際計(jì)量局根據(jù)法國“米”的定義訂制了30根鉑銥合金基準(zhǔn)米尺，從中選出了一根作為統(tǒng)一國際長度單位量值的基準(zhǔn)米尺（稱為“國際米原器”），規(guī)定“1m就是米原器在0℃時(shí)兩端的兩條刻線間的距離”。這種長度基準(zhǔn)的復(fù)現(xiàn)不確定度約為1.1×10-7（0.11μm/m）。

國際米原器屬于實(shí)物基準(zhǔn)，受金屬內(nèi)部的穩(wěn)定性、環(huán)境因素等影響，其可靠性并不理想。各國要定期將本國的國家基準(zhǔn)米尺送往巴黎與國際米原器校對，這也非常不方便。此外，實(shí)物基準(zhǔn)還容易被戰(zhàn)爭、地震等災(zāi)害所損壞，為此，人們開始考慮將實(shí)物基準(zhǔn)改為自然基準(zhǔn)，即自然界客觀存在、不因時(shí)間地點(diǎn)等因素變化而變化、可隨時(shí)隨地復(fù)現(xiàn)其長度的基準(zhǔn)。1960年第十一屆國際計(jì)量大會(huì)上決定，采用光波波長作為確定長度基準(zhǔn)的依據(jù)，定義“1m等于氪86（86Kr）原子的2p10與5d5能級(jí)之間躍遷時(shí)所對應(yīng)的輻射在真空中的波長的1650763.73倍”，其復(fù)現(xiàn)不確定度約為4×10-9（4nm/m）。

現(xiàn)行的長度基準(zhǔn)“米”的定義是在1983年第十七屆國際計(jì)量大會(huì)上通過的，定義“1m是光在真空中于1/299792458s的時(shí)間內(nèi)所行進(jìn)的路程的長度”。這種長度基準(zhǔn)的定義是一個(gè)開放性的定義，它將長度單位轉(zhuǎn)化為時(shí)間單位和真空中的光速（物理常數(shù)）的導(dǎo)出值。

只要能獲得高頻率穩(wěn)定度的輻射，并能對其頻率進(jìn)行精確的測定，就能夠按上面的定義建立精確的長度基準(zhǔn)。自1985年3月起，我國開始使用碘分子飽和吸收穩(wěn)頻的0.633μm氦氖激光輻射（頻率穩(wěn)定度為10-9）來復(fù)現(xiàn)長度基準(zhǔn)。目前，國際上只有少數(shù)幾個(gè)國家能達(dá)到10-14的頻率穩(wěn)定度。我國在這方面的技術(shù)處于國際領(lǐng)先地位，在20世紀(jì)90年代采用單粒子存儲(chǔ)技術(shù)，已將輻射頻率穩(wěn)定度提高到了10-17，長度基準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)的不確定度達(dá)到了2.5×10-11（0.025nm/m）。

2.2.2　尺寸傳遞系統(tǒng)

在實(shí)際測量工作中，一般不能按定義直接使用長度基準(zhǔn)進(jìn)行測量比較，而是通過法定的尺寸傳遞，由各級(jí)計(jì)量部門通過對測量器具的檢定或校準(zhǔn)，將長度基準(zhǔn)量值以一定的精度逐級(jí)傳遞到測量器具上，這樣就可通過使用測量器具來實(shí)現(xiàn)被測量與作為測量單位的標(biāo)準(zhǔn)量的比較。

對于長度尺寸，其尺寸的傳遞是通過線紋量具（線紋尺）和端面量具（量塊）兩條路線進(jìn)行的。圖2-2為我國的長度尺寸傳遞系統(tǒng)。

2.2.3　角度基準(zhǔn)與角度量值傳遞系統(tǒng)

角度也是機(jī)械制造中重要的幾何參數(shù)之一。平面角的角度單位為弧度（rad）及度（°）、分（'）、秒（″）。1rad是指在一個(gè)圓的圓周上截取弧長與該圓半徑相等時(shí)所對應(yīng)的中心平面角。由于圓周具有封閉特性，即一個(gè)圓周的圓周角360°等于2πrad，因此角度無需像長度那樣再建立基準(zhǔn)。實(shí)際工作中一般是用多面棱體、角度（量）塊等體現(xiàn)角度基準(zhǔn)。

多面棱體是用特殊合金鋼或石英玻璃經(jīng)過精細(xì)加工制成的。常見的有4、6、8、12、24、36、72等正多面棱體。圖2-3所示為一正八面棱體。

以多面棱體為基準(zhǔn)的角度量值傳遞系統(tǒng)如圖2-4所示。

2.2.4　量塊

量塊是一種用耐磨材料制造、橫截面為矩形、并具有一對相互平行的測量面的實(shí)物量具，用來以一定的精度體現(xiàn)長度基準(zhǔn)，如圖2-5（a）所示。量塊的材料通常是鉻錳鋼，它具有線脹系數(shù)小、性質(zhì)穩(wěn)定、不易變形、耐磨性好、硬度高等特點(diǎn)。

2.2.4.1　量塊的主要技術(shù)參數(shù)

（1）量塊長度l——量塊一個(gè)測量面上的任意點(diǎn)到與其相對的另一測量面相研合的輔助體表面之間的垂直距離。

（2）量塊中心長度lc——對應(yīng)于量塊未研合測量面中心點(diǎn)的量塊長度。

（3）量塊標(biāo)稱長度ln——標(biāo)記在量塊上，用以表明其與主單位（m）之間關(guān)系的量值，也稱為量塊長度的示值。

（4）量塊長度變動(dòng)量V——量塊測量面上任意點(diǎn)中的最大長度lmax與最小長度lmin之差。

2.2.4.2　量塊的研合性和成套性

由于量塊的兩測量面都是經(jīng)過超精研磨制成的，所以測量面的平面度及表面粗糙度都極好。如果將一塊量塊的測量面沿著另一塊量塊的測量面滑動(dòng)同時(shí)用手稍加壓力，量塊表面之間因分子力的作用可相互黏合在一起，稱為研合性。

由于量塊具有研合性，因此量塊通常成套制造、購買、檢定和使用，根據(jù)需要可從成套量塊中選取若干塊，研合在一起后即可組合出不同的標(biāo)準(zhǔn)長度尺寸，如圖2-5（b）所示。表2-1列出了國家標(biāo)準(zhǔn)推薦的幾種常用成套量塊的組合尺寸。

例2-1　現(xiàn)有91塊一套的量塊，試確定組合33.625mm標(biāo)準(zhǔn)長度的量塊組的量塊尺寸。

解：需要4塊，分別為30、1.6、1.02、1.005，步驟如下。

量塊除了作為長度基準(zhǔn)的傳遞媒介外，還可用來檢定、校對和調(diào)整計(jì)量器具，或直接用來測量工件的尺寸、精密劃線或精密調(diào)整機(jī)床。

2.2.4.3　量塊的精度

量塊的精度有兩種表示方法。制造后出廠、銷售時(shí)，按制造精度分“級(jí)”；購買后，按檢定測量精度分“等”。

（1）“級(jí)”　按GB/T 6093—2001的規(guī)定，量塊按其制造時(shí)所允許的長度極限偏差和長度變動(dòng)量分為K、0、1、2、3共5級(jí)，其中0級(jí)精度最高，3級(jí)精度最低，K級(jí)為校準(zhǔn)級(jí)。各級(jí)量塊制造時(shí)所允許的長度極限偏差和長度變動(dòng)量的最大允許值見表2-2。按“級(jí)”使用量塊時(shí)，用量塊的標(biāo)稱長度作為工作尺寸，該工作尺寸可能具有的尺寸誤差為量塊制造時(shí)的長度極限偏差。

注：距離測量面邊緣0.8mm范圍內(nèi)不計(jì)。

（2）“等”　量塊按“級(jí)”購買或使用后，根據(jù)工作需要可以將其送到相關(guān)計(jì)量部門進(jìn)行檢定，對其實(shí)際長度及長度變動(dòng)量進(jìn)行更為精確的檢定測量。按國家計(jì)量檢定規(guī)程JJG 146—2011的規(guī)定，量塊按檢定測量精度可劃分為1、2、3、4、5共5等，見表2-3。其中1等精度最高，5等精度最低。量塊一經(jīng)檢定成某一“等”后，通常應(yīng)用檢定測量后所得到的實(shí)際尺寸作為工作尺寸，該尺寸可能具有的尺寸誤差是檢定測量時(shí)的長度測量不確定度（極限誤差）。

注：1.距離測量面邊緣0.8mm范圍內(nèi)不計(jì)。

2.表內(nèi)測量不確定度置信概率為0.99。

一般來說，按“等”使用量塊比按“級(jí)”使用量塊的尺寸精度高。盡管量塊經(jīng)檢定測量后可以提高量塊工作尺寸的精度，但并不是所有的量塊都可以檢定成任意的“等”別，只有高“級(jí)”別的量塊才能檢定成高“等”別的量塊。