球棒标准器是一种常用的一维长度标准件,它提供的标准距离为球棒两端的标准球之间的球心距。球棒标准器具有鲁棒性好、易于使用、便携性好、成本较低等优点,广泛应用于关节式坐标测量机、激光跟踪仪、机床、工业机器人的标定与测量。本文提出了一种新颖的球棒设计方法,这种设计使得球棒标准器能够在10-30℃之间保持2μm以内的相对长度变化量,实现近零热膨胀。本文具体阐述了这种球棒标准器的三维模型设计;对这类球棒标准器的热变形补偿原理进行了分析;对球棒标准器的结构进行了变形分析、模型凝练和公式推导;对处于不同温度环境下的球棒进行了热变形的有限元仿真分析;利用三坐标测量机对不同温度下的球棒进行初步长度测量实验;利用万能测长机对变温后的球棒标准器进行了进一步的长度测量实验,验证了球棒的近零热膨胀特性。在验证了球棒性能之后,将球棒的热变形测量转化为微位移测量,探究了球棒热变形的激光干涉测量法、四象限探测器测量法以及光纤同轴位移传感器测量法等全新的测量方法,并对这些测量系统及方法进行了可行性分析与实验验证。所设计的球棒标准器能够应用于关节式坐标测量机、激光跟踪仪、机床、工业机器人等高精度仪器的在线标定,降低离线标定所需的运输成本,同时提高了在位测量仪器的精度,能更好地适应在位测量、智能制造等先进技术的发展。