鉗型厚度尺

張銘軒

項目的提出

日常生活中人們經常碰到小口瓶壁厚、金屬鍋壁厚的測量問題。這類尺寸用直尺、卷尺不好量，游標卡尺往往又伸不進孔，無法同時接觸到它們的內外壁。怎樣才能讓尺子同時接觸到它們的內外壁進行測量呢？我看到人們有時用姆指和食指夾住物體憑感覺經驗判斷厚度的方法，于是想到模仿人的虎口形狀，把尺子的2個測量頭做成鉗口形狀，中間穿一個銷子，可以實現量具測量面與物體內外壁同時接觸，解決了接觸的問題。而怎樣把鉗口張開的距離（壁厚）量出來，就需要研究制作一把鉗型厚度尺專門用來測量類似的物體。

方案設想

在使用鉗子的時候我有這樣的感覺：鉗口夾持厚度越大，鉗子手把分開的距離也越大，鉗口張開的大小與手把分開的大小是成正比的，在鉗口重復夾同一厚度的物體時，手把的張開大小也是固定的，反過來如果手把張開到相同的位置，那么鉗口夾住的厚度也就確定了。如果在2個手把之間裝一把尺子，在夾不同厚度的情況下在尺子上標出記號，那么，在測量物體時，看這把尺子上的記號，就可以知道被夾物體的厚度了。這樣，鉗型厚度尺的初步方案形成了：厚度尺做成交叉鉗形狀，中間用鉚釘連接，讓兩頭都可以張開、合攏；鉚釘的一頭鉗口做成人手虎口的形狀，便于鉗口測量面與兩被測量壁的接觸，另一頭在左右鉗臂手把上裝一個能測量讀數的部件，把左右鉗臂手把連接起來，這樣，就可以把鉗口的開口距離顯示出來；把鉗頭做成一個圓弧，因為圓心到圓上各點的距離相同，所以無論如何張開都不會影響精度，從而達到精確測量壁厚的目的。那么我的想法是否一定成立呢？為了證明我的想法，我想到了我初一剛剛學習過的相似三角形，鉗口的大小與鉗子的轉動點與兩鉗臂手把之間的尺子形成了兩個相似三角形，不管鉗口張開多大，這兩個三角形依然相似。

研制過程

首先，我在紙上劃了一個大概的虎口鉗子的模樣，鉗口的尺寸比照自己拇指和食指大小，鉗臂手把一邊畫了一把尺子，另一邊畫了一個指針。然后，我又找了一把火鉗，還有鐵皮、螺絲、鉚釘和銷子等材料開始制作。經過剪切、彎曲、錘打、鉆孔、刻線等配件制作，用鐵皮做成1對對稱的指狀鉗口，用螺釘安裝在火鉗的一頭，另一頭用鐵皮做成直尺和指針，用螺釘分別裝在2個不同的鉗臂手把上。做好以后，我試用了一下，發現活動很不方便，甚至動不了！原來尺子是不能固定在手把上的，它必須隨手把的開合有一個擺動；指針也不能固定，它必須隨尺子的擺動保持與尺子中心線的垂直關系。于是就把固定改為鉸鏈鉚接，直尺改為可以伸縮的尺。就這樣，一邊做一邊改一邊試，不斷摸索、修改，逐步弄清了鉗口、鉗臂和伸縮尺之間相似三角形的關系，明確了測量讀數與測量厚度比例關系和鉗口圓弧形狀尺寸的作用，結構上也逐步完善，使用更為方便，最后達到了滿意的效果，能夠比較方便、快捷地測量出小口瓶的壁厚和金屬鍋邊的厚度。為了提高測量的精度，我還給厚度尺加上了游標。設計圖見圖1，實物照片見圖2。我用14.8mm x 9.7mm x 4.9mm的長方體，分別用游標卡尺和鉗形厚度尺對其長、寬、高各測量3次，對測量值和3次測量平均值進行比較，觀察鉗形厚度尺的測量正確性。測試結果表明，鉗形厚度尺完全滿足測量精度要求。

幾點認識

經過這次科研活動，我對鉗形厚度尺有了一定的體會，總結如下。

鉗口的結構形狀要做成虎口形，一方面要讓鉗口測量面與被測壁接觸，另一方面不能讓鉗口非測量面與被測物體接觸，也就是鉗口內腔半寬耍大于瓶口到瓶孔壁的距離，鉗口內腔深度要大于瓶口平面到瓶底的距離。

鉗形厚度尺的尺寸關系耍符合中心對稱的相似三角形的要求，即以中間鉸鏈為中心，鉗口圓弧中心/鉗口圓弧中心連線中點形成的直角三角形與對應鉗臂鉸鏈中心/讀數裝置中心線中點形成的直角三角形是相似三角形。并以中間鉸鏈公共點形成中心對稱（鉗口圓弧中心、中間鉸鏈中心和對應鉗臂鉸鏈中心三點成直線），這樣才能確保開關時對應邊成比例。

鉗口圓弧中心到中心鉸鏈距離與測量讀數裝置鉸鏈到中間鉸鏈距離采用不同比例（如1：2、1：5），可以將讀數細分，讀數裝置上的1 mm可以讀成0.2mm或0.5mm，從而獲得更為精確的測量效果。原理見圖3。

鉗口圓弧面到圓弧中心的半徑不變。鉗口張開后，雖然鉗口轉了一個角度，但兩圓心連線中，兩端鉗口接觸測量點到其圓心的距離保持不變，才能保證測量正確性。

用途

該量具非常適合于溝槽、彎曲工件及孔內壁厚和應避免直接接觸（如高溫、低溫、有毒）物體的測量，其測量范圍是0-20mm。

創新點

虎口形鉗口解決了鉗口測量面與被測部位可靠接觸。

讀數裝置鉸鏈中心、中間鉸鏈中心和鉗口圓弧中心三點在一條直線上，從相似三角形的原理上確保關系的成立。

鉗口圓弧面以相似三角形交點為圓心，確保鉗口張開后，轉了一個角度，但兩圓心連線之中，兩端鉗口接觸測量點到其圓心的距離始終為半徑常量，保證了測量結果的正確性。

傘鉗口與鉗臂臂長采用放大的比例，可以用1 mm刻度顯示小于1mm的讀數值。

專家評語

項目利用相似三角形原理，通過合理的結構設計，可以測量許多傳統測量工具不易測量的部分尺寸，具有較好的科學性、創新性和實用性。實物觀察和現場問辯表明該項目作品能夠較好地實現創新設計的意圖。建議項目作者通過后續作品的結構優化進一步提高作品的測量精度和測量結果的穩定性，以達到可以在未來市場上實用的目的。