生產活動中常常需要丈量尺寸,遊標卡尺作為一類重要的尺寸測量工具,廣泛應用於機械製造與加工行業,可以測量工件的內外徑、尺寸等。
刻線直尺和卡尺雖然很早就出現了,但真正具有現代測量意義的遊標卡尺是法國人約尼爾·皮在1631年發明的,他在數學著作《新四分圓的結構、利用及特性》中描述了遊標卡尺的結構和原理,他的名字Vernier也演變成了遊標的英文單詞沿用至今。
遊標卡尺結構簡單,簡單來說就是一個直尺,再加上一個滑動遊標。主尺的刻度線,以一毫米為單位,而遊標尺有10、20、50等分格。以10等分格為例,它叫做十分度遊標卡尺,其餘的以此類推。
10分度遊標的總刻線長度為9毫米,測量精度可以達到0.1毫米;20分度遊標的長度為19毫米,測量精度可以達到0.05毫米;50分度遊標的長度為49毫米,測量精度可以達到0.02毫米。
眾所周知,一毫米已經很小了,由於刻度線的限制,測量時頂多能夠通過目視估讀精確到0.5毫米。遊標卡尺之所以能夠精確到0.02毫米,就是因為它比普通直尺多了一個遊標尺。
遊標尺和主尺的主要差異就在於,刻度線的單位長度不一樣,主尺上每一格的單位長度是一毫米,而遊標尺每一格的單位長度根據分度值而定,其中10分度遊標每一格的單位長度是0.9毫米,20分度的是0.95毫米,50分度的是0.98毫米,它們分別與主尺的單位刻度相差0.1毫米、0.05毫米、0.02毫米。
說到這兒,你可能就已經明白了個大概,這個單位刻度的差值,就是它們的最小測量精度。通過主尺和遊標尺單位刻度之間差值的累積,本來無法用刻度線標識的微小長度差異就被這個遊標放大,變成了可以被人目視讀取的數值。
這種方法就叫做放大法,主要包括:光學放大法、形變放大法、累積放大法等,是一種在研究或觀察過程中非常常用的一種手段。螺旋測微器(千分尺)也是用了這一方法。
以10分度遊標卡尺為例,當爪併攏時,主尺與遊標的零刻度線對齊,它們的第1刻度線(零刻度線不算)相差0.1毫米,第2刻度線相差0.2毫米……第10刻度線相差1毫米,且第10刻度線正好與主尺的9毫米刻度線對齊。如果遊標零刻度線與主尺第X刻度線對齊,那麼遊標上的第10刻度線就會與主尺第X+9刻度線對齊。
遊標卡尺讀數時(以毫米為單位),都是先讀取遊標零刻度線和主尺零刻度線的距離,取整數部分,然後再看遊標第幾刻度與主尺刻度對齊,就可以得出測量結果中的小數部分。正常情況下,不存在主尺和遊標卡尺刻度線對不齊的情況,所以遊標卡尺一般不存在估讀。
測量物體的尺寸時,如果物體厚10.4毫米,那麼遊標就要向右移滑動10.4毫米,此時遊標零刻度線位於主尺10~11毫米刻度線之間,遊標上第4刻度線將和主尺上的第10+3刻度線對齊。如果是遊標第n刻度線和主尺對齊,那麼物體的厚度便是10+n0.1毫米。如果用20分遊標卡尺和50分遊標卡尺測量,物體的厚度分別是10+n0.05毫米和10+n0.02毫米。這兩個n分別是第幾刻度線,你知道嗎?
除了遊標卡尺,現在還有錶盤式卡尺,以及電子數顯式的卡尺,其中錶盤式卡尺的測微原理和螺旋測微器比較相似,都是化直為曲。