游標卡尺測量誤差原因分析

陳 偉

（福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院，福建 福州 350002）

1 引言

游標卡尺是一種常用量具，通常用于測量物件的長度、內(nèi)徑、外徑、深度等。在各個行業(yè)的生產(chǎn)實踐或測量得到廣泛地應(yīng)用，因此使用者對卡尺測量誤差來源的了解就顯得非常必要。本文較全面歸納了游標卡尺測量誤差來源，總結(jié)了測量誤差來源有3種主要因素：結(jié)構(gòu)引起的誤差、操作引起的誤差、溫度引起的誤差。

2 測量誤差原因

2.1 結(jié)構(gòu)引起的誤差

2.1.1 游標卡尺的結(jié)構(gòu)

由L型狀的鋼制尺（簡稱：主尺）與游標安裝在框架上組成的游標尺組件構(gòu)成，使用時手感推動游標尺組件，使主尺上的測量爪和游標尺組件上的測量爪同時與被測物件接觸，調(diào)節(jié)正確測量位置，從主尺指示器讀取數(shù)據(jù)與游標尺組件指示器讀取數(shù)據(jù)的和，即為被測物件尺寸。但該結(jié)構(gòu)不滿足阿貝基本思路，而阿貝基本思路指的是在進行測量過程中，被測物件長度量（即：被測尺寸）與主尺標準量（即主尺讀數(shù)量）應(yīng)在同一線上，如鋼板尺安放在被測物件長度上直接測量，而游標卡尺無法實現(xiàn)，只能間接應(yīng)用。

2.1.2 游標卡尺的主尺與游標框架尺組件配合由于主尺與游標尺組件在使用過程中為間隙配合，因此主尺與游標尺組件上的兩測量爪在對物件進行測量時，物件軸線與兩測量爪不在同一直線上，從而形成測量誤差，該誤差即為阿貝誤差（Abbe）。在測量過程中誤差大小取決于主尺與游標尺組件間隙配合大?。慌浜祥g隙越大，則主尺上的測量爪與游標尺組件上測量爪在測量過程中存在的兩爪不平行量就越大。如圖1所示。

2.1.3 游標卡尺制造缺陷引起的誤差

歸納起來有7類誤差，分別為游標卡尺主尺上刻度的誤差、游標尺上刻度的誤差、主尺與游標尺上刻度線寬度的誤差、主尺與游標尺兩測量面平面度的誤差、主尺與游標尺兩測量面平行度的誤差、主尺基準面平面度的誤差，主尺基準面與游標尺測量爪平面垂直度的誤差，上述這些獨立的各項誤差都會造成使用過程的測量誤差。但游標卡尺獨立的各項誤差只要符合JJG 30-2002《通用卡尺檢定規(guī)程》要求，其所造成的測量誤差為符合性測量誤差。

2.2 操作引起的誤差

由于操作不當引起的誤差有多種方式，主要突出在四個方面：測量力方面、測量力對使用外測量爪刀口部位測量方面、零位誤差方面、視覺誤差方面。

2.2.1 測量力引起誤差

游標卡尺制造時自身沒有設(shè)計自帶標準測量力裝置，而測量力途徑來源于使用人員手感施加得取，由于手感施加測量力控制能力較難，這就會造成很大的測量誤差。試驗證明，在相同的環(huán)境條件下，不同的使用人員測量相同物件尺寸的數(shù)據(jù)也不盡相同，這都是施加的測量力大小不等造成的。

在測量過程中，測量力的大小是由人為的手感施加來控制的，因此給測試結(jié)果帶來誤差是必然的。當使用外測量爪測量工件時，若手感施加的測量力增大，游標卡尺上的游標框架尺組件在測力的作用下向左方向推進，當活動測量爪接觸工件時，測量爪受反作用力作用，則向右方向彈出，游標框架尺組件形成微量彎曲的彈性變形，使游標框架尺組件上測量爪與游標卡尺上固定測量爪產(chǎn)生微量不平行，由于游標框架尺組件上的測量爪臂有一定長度，因此測量爪微量彎曲彈性變形增大，形成了不可見的微小傾斜角φ，從而使測量力在測量過程造成一定誤差。當使用內(nèi)測量爪測量工件時，其過程為活動測量爪反方向，結(jié)果一致。

所造成誤差如圖2所示。

2.2.2 測量力對使用外測量爪刀口部位測量引起誤差

在結(jié)構(gòu)產(chǎn)生引起的誤差中已提出游標卡尺的測量原理是違反阿貝原則的。因為游標卡尺的主尺（刻線面）與被測物件不在一條直線上，而處于偏離位置的間接測量，當測量爪產(chǎn)生微量彎曲彈性變形時，故產(chǎn)生的測量誤差為△L=L×tanφ，如圖3所示。由于阿貝誤差的存在，當L越長，產(chǎn)生的△L誤差也就越大。而在整個外量爪測量面上，其刀口部位離游標卡尺測量軸線最遠，即L最長。因此在同一條件下使用游標卡尺測量爪上的刀口部位進行測量時，其測量誤差最大。

2.2.3 “零位”不正確影響測量誤差

游標卡尺檢定依據(jù)為JJG 30-2002《通用卡尺檢定規(guī)程》，游標卡尺“零”值誤差為游標卡尺兩測量爪測量面相接觸時，游標上的“零”標記和“尾”標記與主標尺相應(yīng)標記應(yīng)相互重合。其重合度應(yīng)符合表1規(guī)定。

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2.2.4 刻度視覺的影響

游標卡尺的讀取數(shù)據(jù)是由主尺刻度和游標刻度比較而得的，但目前所見的游標卡尺（非帶表或非數(shù)字顯示）主尺刻度面和游標刻度面結(jié)構(gòu)是不在同一平面上，由此產(chǎn)生了視覺誤差Δ ?？捎梢韵鹿奖硎荆?/p>

Δ = M H/ D[2]

式中:

Δ——視覺誤差；

M——使用者的兩眼球中心距離之半；

H——游標卡尺標記表面棱邊至主標尺標記表面的距離；

D——兩眼球?qū)τ螛丝ǔ邩顺叩拿饕暰嚯x。

例：兩眼球?qū)τ螛丝ǔ邩顺叩拿饕暰嚯x一般為D=250mm，一般使用者的兩眼球中心距離為2M=60mm，一般游標卡尺的游標標記表面棱邊至主標尺標記表面的距離為 H=0.20mm,則Δ = MH/D=30×0.20／250 =0.024mm，說明了使用者一般在正常光線條件下讀取刻度數(shù)值時視覺誤差Δ =0.024mm。

2.3 溫度引起的誤差

游標卡尺檢定示值誤差條件，是在標準溫度（20±5）℃下應(yīng)用專用塊規(guī)或常用塊規(guī)進行比較檢定的。當使用游標卡尺時，被測物件或游標卡尺的使用溫度偏離（20±5）℃時，就會產(chǎn)生測量誤差。因此測量溫度也是引起誤差的原因之一。

（1）由溫度變化引起的游標卡尺自身誤差Δ ，可由以下公式表示：

Δ = LA（ T - 20 ）[3]

式中：

Δ——溫度變化引起的游標卡尺自身誤差；

L——游標卡尺自身尺寸；

A——游標卡尺材料線膨脹系數(shù)；

T——游標卡尺使用環(huán)境溫度。

故，在L游標卡尺自身尺寸與A游標卡尺材料線膨脹系數(shù)為固定值條件下，當T游標卡尺使用溫度與檢定所用的標準溫度（20±5）℃偏差值越大，Δ 游標卡尺自身誤差越大。

（2）當被測物件和使用游標卡尺的溫度對檢定標準溫度（20±5）℃均有偏差時，溫度所引起的測量誤差為二者尺寸變化差。其公式表示：

Δ =L[A1（T1-20）- A2（T2-20）][3]

式中：

Δ——測量誤差；

L——被測物件尺寸；

A1和A2——被測物件和游標卡尺的材料線膨脹系數(shù)；

T1和 T2——被測物件測量環(huán)境溫度和游標卡尺使用環(huán)境溫度。

由此可見（1），在被測物件材料與游標卡尺材料的線膨脹系數(shù)（A1和A2）為固定值的條件下，當測量溫度（T1和T2）與檢定標準溫度（20±5）℃有一定偏差，則在測量過程中主要為溫度產(chǎn)生測量誤差。

由此可見（2），當測量溫度（T1和T2）與檢定標準溫度（20±5)℃偏差越大，當被測物件材料與游標卡尺材料的線膨脹系數(shù)（A1和A2）相差越大，則在測量過程中將會產(chǎn)生較大測量誤差。

3 結(jié)語

針對測量誤差原因，如何克服并盡可能減少測量誤差，使其測量為“真值”。

3.1 克服結(jié)構(gòu)引起誤差

（1）調(diào)整間隙使之減小，間隙的調(diào)整——只要稍稍擰緊游標尺框上的螺絲釘，擰緊螺絲后回半圈即可，這時游標尺框內(nèi)的彈簧片就形成兩頭翹中間凹的形狀，這樣使用時游標尺框內(nèi)的彈簧片與主尺上各接觸點壓力均衡，間隙減小。

（2）在測量過程中保持測量爪運動軌跡連續(xù)平穩(wěn)。

（3）由于游標卡尺在用過程可能會引起測量爪變形、主尺變形，因此所使用游標卡尺應(yīng)常進行計量檢定。

3.2 克服操作引起誤差

（1）施加測量力要均衡，推薦在測量過程中，施加在游標卡尺上測量力為3N～6N。

（2）由于測量力對游標卡尺兩測量爪刀口部位可能產(chǎn)生微變形誤差，因此在進行測量時應(yīng)盡量減少使用。

（3）使用游標卡尺時，應(yīng)對其進行“零”位確認。

3.3 克服溫度引起誤差

由于大部分測量物件結(jié)構(gòu)與游標卡尺結(jié)構(gòu)不同，在同等環(huán)境條件下，短時間所吸收的溫度不一，因此在測量過程中，先使被測物件與游標卡尺在同一溫度下平衡一段時間后再進行測量，盡可能在接近檢定標準溫度（20±5）℃的環(huán)境下進行測量，經(jīng)驗數(shù)據(jù)可使測量誤差減小50%[4]。

[1]JJG 30-2002 通用卡尺檢定規(guī)程[S].北京：中國計量出版社，2004.

[2]但渝霞.游標卡尺測量誤差來源分析[J].計量與測試技術(shù)，2009，（8）：22-24

[3]王永立，賈三泰，閻景文.萬能量具的修理[M].北京：機械工業(yè)出版社，1986.

[4]童森林，陳俊華，陳俊龍.卡尺使用中容易疏忽的兩項測量誤差[J].工具技術(shù)，2002，（8）：58-59.