钳型厚度尺

张铭轩

项目的提出

日常生活中人们经常碰到小口瓶壁厚、金属锅壁厚的测量问题。这类尺寸用直尺、卷尺不好量，游标卡尺往往又伸不进孔，无法同时接触到它们的内外壁。怎样才能让尺子同时接触到它们的内外壁进行测量呢？我看到人们有时用姆指和食指夹住物体凭感觉经验判断厚度的方法，于是想到模仿人的虎口形状，把尺子的2个测量头做成钳口形状，中间穿一个销子，可以实现量具测量面与物体内外壁同时接触，解决了接触的问题。而怎样把钳口张开的距离（壁厚）量出来，就需要研究制作一把钳型厚度尺专门用来测量类似的物体。

方案设想

在使用钳子的时候我有这样的感觉：钳口夹持厚度越大，钳子手把分开的距离也越大，钳口张开的大小与手把分开的大小是成正比的，在钳口重复夹同一厚度的物体时，手把的张开大小也是固定的，反过来如果手把张开到相同的位置，那么钳口夹住的厚度也就确定了。如果在2个手把之间装一把尺子，在夹不同厚度的情况下在尺子上标出记号，那么，在测量物体时，看这把尺子上的记号，就可以知道被夹物体的厚度了。这样，钳型厚度尺的初步方案形成了：厚度尺做成交叉钳形状，中间用铆钉连接，让两头都可以张开、合拢；铆钉的一头钳口做成人手虎口的形状，便于钳口测量面与两被测量壁的接触，另一头在左右钳臂手把上装一个能测量读数的部件，把左右钳臂手把连接起来，这样，就可以把钳口的开口距离显示出来；把钳头做成一个圆弧，因为圆心到圆上各点的距离相同，所以无论如何张开都不会影响精度，从而达到精确测量壁厚的目的。那么我的想法是否一定成立呢？为了证明我的想法，我想到了我初一刚刚学习过的相似三角形，钳口的大小与钳子的转动点与两钳臂手把之间的尺子形成了两个相似三角形，不管钳口张开多大，这两个三角形依然相似。

研制过程

首先，我在纸上划了一个大概的虎口钳子的模样，钳口的尺寸比照自己拇指和食指大小，钳臂手把一边画了一把尺子，另一边画了一个指针。然后，我又找了一把火钳，还有铁皮、螺丝、铆钉和销子等材料开始制作。经过剪切、弯曲、锤打、钻孔、刻线等配件制作，用铁皮做成1对对称的指状钳口，用螺钉安装在火钳的一头，另一头用铁皮做成直尺和指针，用螺钉分别装在2个不同的钳臂手把上。做好以后，我试用了一下，发现活动很不方便，甚至动不了！原来尺子是不能固定在手把上的，它必须随手把的开合有一个摆动；指针也不能固定，它必须随尺子的摆动保持与尺子中心线的垂直关系。于是就把固定改为铰链铆接，直尺改为可以伸缩的尺。就这样，一边做一边改一边试，不断摸索、修改，逐步弄清了钳口、钳臂和伸缩尺之间相似三角形的关系，明确了测量读数与测量厚度比例关系和钳口圆弧形状尺寸的作用，结构上也逐步完善，使用更为方便，最后达到了满意的效果，能够比较方便、快捷地测量出小口瓶的壁厚和金属锅边的厚度。为了提高测量的精度，我还给厚度尺加上了游标。设计图见图1，实物照片见图2。我用14.8mm x 9.7mm x 4.9mm的长方体，分别用游标卡尺和钳形厚度尺对其长、宽、高各测量3次，对测量值和3次测量平均值进行比较，观察钳形厚度尺的测量正确性。测试结果表明，钳形厚度尺完全满足测量精度要求。

几点认识

经过这次科研活动，我对钳形厚度尺有了一定的体会，总结如下。

钳口的结构形状要做成虎口形，一方面要让钳口测量面与被测壁接触，另一方面不能让钳口非测量面与被测物体接触，也就是钳口内腔半宽耍大于瓶口到瓶孔壁的距离，钳口内腔深度要大于瓶口平面到瓶底的距离。

钳形厚度尺的尺寸关系耍符合中心对称的相似三角形的要求，即以中间铰链为中心，钳口圆弧中心/钳口圆弧中心连线中点形成的直角三角形与对应钳臂铰链中心/读数装置中心线中点形成的直角三角形是相似三角形。并以中间铰链公共点形成中心对称（钳口圆弧中心、中间铰链中心和对应钳臂铰链中心三点成直线），这样才能确保开关时对应边成比例。

钳口圆弧中心到中心铰链距离与测量读数装置铰链到中间铰链距离采用不同比例（如1：2、1：5），可以将读数细分，读数装置上的1 mm可以读成0.2mm或0.5mm，从而获得更为精确的测量效果。原理见图3。

钳口圆弧面到圆弧中心的半径不变。钳口张开后，虽然钳口转了一个角度，但两圆心连线中，两端钳口接触测量点到其圆心的距离保持不变，才能保证测量正确性。

用途

该量具非常适合于沟槽、弯曲工件及孔内壁厚和应避免直接接触（如高温、低温、有毒）物體的测量，其测量范围是0-20mm。

创新点

虎口形钳口解决了钳口测量面与被测部位可靠接触。

读数装置铰链中心、中间铰链中心和钳口圆弧中心三点在一条直线上，从相似三角形的原理上确保关系的成立。

钳口圆弧面以相似三角形交点为圆心，确保钳口张开后，转了一个角度，但两圆心连线之中，两端钳口接触测量点到其圆心的距离始终为半径常量，保证了测量结果的正确性。

伞钳口与钳臂臂长采用放大的比例，可以用1 mm刻度显示小于1mm的读数值。

专家评语

项目利用相似三角形原理，通过合理的结构设计，可以测量许多传统测量工具不易测量的部分尺寸，具有较好的科学性、创新性和实用性。实物观察和现场问辩表明该项目作品能够较好地实现创新设计的意图。建议项目作者通过后续作品的结构优化进一步提高作品的测量精度和测量结果的稳定性，以达到可以在未来市场上实用的目的。