2.2　測量單位

在測量過程中，作為測量單位的參照標準量在測量比較過程中直接影響著測量結(jié)果。如果標準量不準，那么測量結(jié)果不可能準確；如果社會上的標準量不統(tǒng)一，就保證不了產(chǎn)品的質(zhì)量，無法進行企業(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、精度足夠的標準量，必須建立相應(yīng)的基準和量值傳遞系統(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及角度基準。以長度或角度基準為基礎(chǔ)，通過各級計量機構(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

長度基準的發(fā)展過程經(jīng)歷了古代和現(xiàn)代兩個發(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。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，長度基準的發(fā)展進入了以科學(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，當時規(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量大會，國際計量局根據(jù)法國“米”的定義訂制了30根鉑銥合金基準米尺，從中選出了一根作為統(tǒng)一國際長度單位量值的基準米尺（稱為“國際米原器”），規(guī)定“1m就是米原器在0℃時兩端的兩條刻線間的距離”。這種長度基準的復(fù)現(xiàn)不確定度約為1.1×10-7（0.11μm/m）。

國際米原器屬于實物基準，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米尺送往巴黎與國際米原器校對，這也非常不方便。此外，實物基準還容易被戰(zhàn)爭、地震等災(zāi)害所損壞，為此，人們開始考慮將實物基準改為自然基準，即自然界客觀存在、不因時間地點等因素變化而變化、可隨時隨地復(fù)現(xiàn)其長度的基準。1960年第十一屆國際計量大會上決定，采用光波波長作為確定長度基準的依據(jù)，定義“1m等于氪86（86Kr）原子的2p10與5d5能級之間躍遷時所對應(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“米”的定義是在1983年第十七屆國際計量大會上通過的，定義“1m是光在真空中于1/299792458s的時間內(nèi)所行進的路程的長度”。這種長度基準的定義是一個開放性的定義，它將長度單位轉(zhuǎn)化為時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，并能對其頻率進行精確的測定，就能夠按上面的定義建立精確的長度基準。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。目前，國際上只有少數(shù)幾個國家能達到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90年代采用單粒子存儲技術(shù)，已將輻射頻率穩(wěn)定度提高到了10-17，長度基準復(fù)現(xiàn)的不確定度達到了2.5×10-11（0.025nm/m）。

2.2.2　尺寸傳遞系統(tǒng)

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

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　角度基準與角度量值傳遞系統(tǒng)

角度也是機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是指在一個圓的圓周上截取弧長與該圓半徑相等時所對應(yīng)的中心平面角。由于圓周具有封閉特性，即一個圓周的圓周角360°等于2πrad，因此角度無需像長度那樣再建立基準。實際工作中一般是用多面棱體、角度（量）塊等體現(xiàn)角度基準。

多面棱體是用特殊合金鋼或石英玻璃經(jīng)過精細加工制成的。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物量具，用來以一定的精度體現(xiàn)長度基準，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。

2.2.4.1　量塊的主要技術(shù)參數(shù)

（1）量塊長度l——量塊一個測量面上的任意點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的量塊長度。

（3）量塊標稱長度ln——標記在量塊上，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）量塊長度變動量V——量塊測量面上任意點中的最大長度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同時用手稍加壓力，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準長度尺寸，如圖2-5（b）所示。表2-1列出了國家標準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標準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的傳遞媒介外，還可用來檢定、校對和調(diào)整計量器具，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，按制造精度分“級”；購買后，按檢定測量精度分“等”。

（1）“級”　按GB/T 6093—2001的規(guī)定，量塊按其制造時所允許的長度極限偏差和長度變動量分為K、0、1、2、3共5級，其中0級精度最高，3級精度最低，K級為校準級。各級量塊制造時所允許的長度極限偏差和長度變動量的最大允許值見表2-2。按“級”使用量塊時，用量塊的標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的長度極限偏差。

注：距離測量面邊緣0.8mm范圍內(nèi)不計。

（2）“等”　量塊按“級”購買或使用后，根據(jù)工作需要可以將其送到相關(guān)計量部門進行檢定，對其實際長度及長度變動量進行更為精確的檢定測量。按國家計量檢定規(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。

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”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”別的量塊才能檢定成高“等”別的量塊。