培训教材-角度计量(3)

第二节 正多面棱体

一、正多面棱体的类型和等级

多面棱体是把外圆柱面制成多个具反光性能的工作面，以各工作面法线所组成的夹角作为工作角的面角度计量器具，为了尽量增大工作面的面积，改善反光性能，相邻工作面往往制成相交成一条直线，因此，外圆柱面不复存在，外圆柱面的位置是多个反光工作面以及相邻工作面相交成的多条棱线，棱线可用同一假想圆柱面包络，因此称为“多面棱体”。各相邻工作面法线间夹角的名义值相同的称为“正多面棱体”，不相同的称为“非正多面棱体”。一个棱体上的反光面总数能对360°整除的称为“整分数正多面棱体”，用于整度数误差的检定，常用的面数有8面(相邻角为45°)、9面(相邻角为40°)、12面(相邻角为30°)、24面(相邻角为15°)和36面(相邻角为10°)等；反光面总数对360°不能整除的称为“非整分数正多面棱体”，用于对整度数误差和细分误差的综合检定，常用的面数有17面（相邻角21°10′35.3″)和23面（相邻角为15°39′7.8″）非整分数正多面棱体虽然其相邻角是相等的，但是统一从零度开始的零起工作角却是不重复的，以17面为例，其零起工作角依次为0°，2l°10′35.3″,42°21′10.6″,63°31′45.9″,…等，因此17面体具有17个不重复的检测点。制造棱体的材料有金属和非金属两种，金属棱体用优质合金钢制造，需经淬火和时效处理，以保证工作面的反光性能，对工作于恶劣环境，如潮湿、高温、低温环境的棱体，可用不锈钢制造，但需保证表面的高硬度，即用马氏体不锈钢时需经淬火时效，用奥氏体不锈钢时需经离子氮化；非金属棱镜用光学玻璃或熔融石英制造，工作面需镀全反射膜，以增大反射率。

正多面棱体是一种重要的面角度计量器具，应用广，使用方便。正多面棱体的技术要求和检定方法按国家计量检定规程JJG 283—97执行。按照JJG 2057—90平面角计量器具检定系统和JJG 283—97正多面棱体检定规程，正多面棱体分为二等、三等和四等。棱体工作角的偏差：二等小于等于±1″，三等小于等于±2″，四等小于等于±5″，工作角的偏差是指零起偏差，即“0°工作面法线至任意工作面法线之间在测量平面上的实际夹角与标称角的差值”。工作角的测量不确定度：二等棱体小于等于0.2″，三等小于等于0.5″，四等小于等于1.0″，工作角的测量不确定度远小于工作角偏差的原因是工作角偏差是可以加修正量修正的，而测量不确定度是不能修正的。检定系统主要是要求测量不确定度，检定规程不仅要求测量不确定度，而且要求工作角偏差是保证测量不确定度的一种措施，对有的使用情况，偏差值小的棱体可直接按名义值进行检定，而不必加修正值，因此方

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便了使用。工作角的检定方法有“排列互比法”和“直接检定法”两种，对二等棱体用0级多齿分度台和分度值不大于0.2″的自准直仪以“排列互 比法”检定，有关“排列互比法”将在本篇第五章统一介绍，三等棱体以0级多齿分度台、四等棱 体以l级多齿分度台，配合分度值不大于0.2″的自准直仪以直接法进行检定，但需用“多位置法”，即在多齿分度台的0°，120°，240°三个位置检定，取平均值，以减小检定误差。工作角偏差也可选用测量不确定度符合要求的其他方法检定，但是由于用多齿分度台检定操作方便，测量效率高，因此作为优选的方法。

二、正多面棱体工作面的技术要求

正多面棱体的工作面具有很高的技术要求，以保证棱体的传递准确度。在棱体设计时工作面的尺寸应大于等于15mm×l5mm或?5 mm，因为工作面越小，反射光越弱，要求自准直仪具有更高的灵敏度，而自准直仪灵敏度的提高会引起漂移、跳字、指针摆动等问题。工作面减小，棱体使用时棱体至自准直仪的距离也需缩短，在有的使用情况下，会造成使用不便。更重要的是反光面尺寸越小，则反光面平面度引起的误差，包括检定棱体时的测量误差与使用棱体的传递误差都将增大，但是工作面尺寸也不能太大，否则棱体的体积和质量都将增加，造成使用不便，所以检定规程规定了工作面的最小尺寸。在加工棱体时需保证工作面的平面度、表面粗糙度(Ra≤0.025?m)，以及对基准面的垂直度。工作面对基准面的垂直度：二等棱体应小于等于5″，三等小于等于10″，四等小于等于20″，与基准面的垂直度也称“塔差”，因为把工作面无限延长时，工作面的交线将形成一个多棱的尖塔形，在棱体检定及使用时，会引起反射的十字线象在非测量方向的移动。例如棱体水平放置测量水平角时会引起十字象垂直方向移动，棱体垂直放置测量垂直角时会引起其水平方向的移动，同样会引起测量误差。

正多面棱体工作面的平面度是非常重要的技术指标，减小平面度偏差是棱体研制和生产的发展方向。在棱体用于排列互比法测量时，只要有关器具的位置严格不变，棱体平面度偏差是可以抵消的。但用棱体直接测量时，其平面度将引起测量误差，使应用棱体的传递误差增大，如果能降低棱体的平面度偏差，则棱体的测量准确度可以提高，使用范围可以扩大，和棱体使用方便、用平行光工作对安装偏心不敏感等其他特点相结合，棱体将成为用途更广泛的计量器具。因此在检定棱体时，无论是新制、使用中或修理后的检定，平面度都是必检的项目。棱体的平面度要求：二等棱体应小于等于0.03?m，三 等小于等于0.05?m，四等小于等于0.1?m。平面度用平面等厚干涉仪逐面检定，测量

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干涉条纹的弯曲度除以条纹间距，再乘以光源的半波长即为平面度。干涉仪是不接触测量，不会损伤棱体的工作面，适用于金属和非金属棱体平面度的检定。检定规程允许以1级平晶，用技术光波干涉法检定钢制棱体的平面度，但测量时需非常小心，避免划伤工作面。而且平晶不能检定非金属棱体平面度，因此配置等厚干涉仪是开展棱体检定的优选方案。检定平面度时应在棱体工作面上相互垂直的两个方向上进行，如两个方向上平面度偏差都凸或都凹，则取其最大值为该面的平面度。如果两个方向上有凸有凹，则取最大凸值和最大凹值之和作为该面的平面度，距工作面边缘0.5mm的平面度可以不计在内。

在惯性技术领域中，还经常使用一种特殊的正多面棱体，就是立方体或长方体，小尺寸的立方体边长约为20mm，大尺寸的长方体的最长边可达140mm左右。六个面都是工作面，共组成12个90°角，可以看作是三块四个面的正多面棱体，这是非常重要的器具。因为90°角是最常用的角，惯性平台和惯性组合中各种仪表的安装都要保持垂直或平行，测试时要测试其垂直或平行度，零件加工中垂直或平行度是主要技术指标之一。因此以六面体作为安装、调试、测量以及加工中的分度定位的标准，能有效地保证惯性器件的准确度，其检定方法可以参照正多面棱体的检定规程进行。

第三节 角度块

角度块一般用钢质材料制成，用于对角度规、角度样板的检定，角度的精密测量和对机床在加工过程中的角度调整。角度块有两种：一块角度块上只具有一个工作角和一块角度块上有多个工作角(一般为四个工作角和三个工作角)。角度块可以单独使用，也可借助于夹具，由两块或多块角度块组合成所需的角度后使用。角度块的检定按国家计量检定规程JJG 70-2004执行。

角度块分为0级、1级和2级，对应于平面角计量器具检定系统中的四等、五等和六等，其工作角的偏差：0级小于等于土3″，1级小于等于土10″，2级小于等于土30″。工作角值的总不确定度：0级小于等于1″，1级小于等于3″，2级小于等于10″。工作面的平面度：0级小于等于0.15?m，1级小于等于0.30?m，2级小于等于0.60?m。工作面与下非工作面的垂直度：0级小于等于30″，1级小于等于120″，2级小于等于120″ 。

角度块工作角的检定方法：0级角度块用准确度2″的测角仪，在测角仪度盘均匀分

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布的5个以上不同位置分别检定，取其测量值的算术平均值作为检定结果。1级角度块用2″测角仪在测角仪度盘均匀分布的3个以上不同位置检定，也可采用5″测角仪在5个以上位置检定。2级角度块用5″测角仪以1个位置检定。

检定时并不是直接测量角度块两工作面的夹角，而是测量两工作面法线的夹角，因此需以180°减去两次读数的差值，才是角度块两工作面的夹角，如对准角度块第一个工作面时读数值的差值为 a1，对准第二工作面时，读数值为a2；，两次读数差?及角度块工作角?为： ??a2?a1

被测工作角的角值： ??1800?? 被测工作角角值偏差：??????0

式中取绝对值的原因为：按角度块在工作台上安放的位置不同，以及测角仪同一旋转方向时，是角度递增或角度递减的不同，测出的可能是两法线的内角，也可能是两法线的外角。例如，一块30°的角度块其两法线的夹角是150°，在某一角度块安放位置时，测出的是150°，即两法线的内角，算出的?为30°。当把角度块转180°放置，测出的就是两法线的外角210°，算出的?为-30°；又如角度块同一安放位置，当测角仪顺时针转动为角度递增时测出的是150°，当测角仪顺时针为角度递减方向时，测出的就是210°， 因此计算公式中取了绝对值。

检定1级，2级角度块，也可以0级角度块为标准，在自准直式测角比较仪上，用比较法检定。此时测角比较仪工作台上需有两鼓形定位销，先把标准角度块的一个工作面紧靠定位销，转动工作台，使自准直仪与另一工作面准直，测微鼓轮读数值为a1。取下标准角度块，将被检角度块的一个工作面与定位销紧靠，用测微鼓读出对另一工作面的准直读数值a2，两次读数值之差a2?a1就是被检角度块与标准角度块工作角之差。同样角度块安置方向的不同，自准直仪读数正、负方向的不同，也会影响测量结果的符号，因此检定前应先试验和判断符号。

在数据处理时，0级角度块的检定结果应取至秒的十分位，小于0.05″时舍去，大于0.05″时进0.1″，等于0.05″时看前一位数字，若为奇数则进0.1″，若为偶数则舍去。l级，2级角度块的检定结果取整数秒，小于0.5″时舍去，大于0.5″时进1，等于0.5″时看前一位数字，奇进偶舍。对于使用中的成套角度块，若其中工作角偏差有不符合原级别，而符合次一级别的，如工作角的数目不超过成套工作角数目的10％时，仍按原级别处理，但须在检定证书上注明，当超过10％时，应予降级。

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角度块工作面的平面度是角度块工作角准确度的保证条件，因此要严格进行检定，角度块工作面的平面度要求：0级角度块为0.15?m，1级为0.3?m，2级为0.6?m。用平晶以技术光波于涉法检定，检定时应分别测出沿工作面长边和短边两个方向的直线度误差。当误差符号相同时，取其中绝对值最大值为平面度，符号相反时，取两者绝对值之和为平面度。但在工作面长边两端3mm范围内，允许有不大于0.6?m的塌边。除平面度外，为保持工作角的准确度，还要求角度块工作面与非工作面的垂直度：对于0级角度块，不大于30″，对于1级和2级角度块不大于120″，垂直度用测角仪和1级90°角度块用比较法检定。对新制和修理后的角度块，还需检定其工作面的粗糙度，要求粗糙度的RZ值不大于0.1?m，粗糙度用干涉显微镜进行检定。

在计量标准中，角度块是低等的标准，但是角度块的应用范围广，而且角度块这种结构形式，并不一定都是低等的，例如特殊的5°精密角度块，经过常角法准确检定后，用于国家小角度基准激光小角度测量仪的定标。制造精密角度块的材料，可用合金钢经淬火及严格的高低温时效处理，也可用熔融石英，以保证表面的高硬度，便于研磨及避免划伤，并保证使用中不变形，能保持制造准确度。

第四节 测角仪

一、测角仪工作原理

测角仪是角度检定中经常使用的测量仪器，主要用于测量两个或两个以上反光平面间的夹角，如角度块、多面棱体、棱镜的角度、楔形镜(光楔)的楔角以及被测甲板两平面的平行度等。在单色光源照明的情况下，通过测量光学零件的顶角和最小偏向角，可求得被测材料的折射率和其他光学参数。测角仪有光学式和数显式两类，都是在其轴系垂直、工作台台面水平状态下使用，即测量的是水平角，也称方位角。测角仪使用时，用目视、光电对线或数显式自准直仪对准被测工件的反光面。

光学测角仪是指用光学度盘作为分度器件，以光学系统进行成象，人工目视读数的测角仪。国产光学测角仪有JCY测角仪：度盘最小分度间隔l0′，最小分度值0.2″，仪器的不确定度小于等于2.0″，用投影屏投影分度刻度；C3—1测角仪：度盘最小分度间隔5′，最小分度值0.2″，仪器的不确定度1″，折射率的测量不确定度小于1?10?5；32J测角仪：

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