劉香斌 吳月艷 張旭東
(中國計量科學研究院,北京 100013 )
長期以來,我國量塊比較測量使用的儀器主要是接觸式干涉儀和光學計。20世紀90年代以來,很多計量機構開始使用電感式量塊比較儀,其示值誤差在±0.03μm左右。其檢定或校準大多參考接觸式干涉儀檢定規(guī)程。近年來進口的量塊比較儀越來越多,其所標注的技術指標比較混亂,缺乏相關的法規(guī)文件來規(guī)范。2011年國家質檢總局頒布并實施了JJF 1304—2011量塊比較儀校準規(guī)范。經過1年多的實施,發(fā)現(xiàn)在規(guī)范的使用中存在一些問題和疑問。多數(shù)問題的焦點在于規(guī)范中涉及的雙測頭量塊比較儀與傳統(tǒng)的單測頭量塊比較儀的區(qū)別。因此,本文將主要介紹一下單、雙測頭量塊比較儀在使用和校準方面的異同,同時對新校準規(guī)范的一些問題進行說明。
量塊比較儀是檢定量塊的主要計量儀器,它是采用比較方法測量量塊長度的計量儀器。該儀器使用范圍廣泛,使用量極大。量塊比較儀有很多種類和型號,其中,各種光學計、測長儀、接觸式干涉儀等早已為大家所熟知和使用,測長機用于比較測量大尺寸量塊,也可以認為是量塊比較儀,但是,由于JJF 1304—2011量塊比較儀校準規(guī)范中將量塊比較儀限定在垂直方式比較測量量塊的儀器,因此,我們在討論量塊比較儀時不把測長機考慮在內。電感、光柵傳感器類型的量塊比較儀在近年來越來越廣泛的用于量塊比較測量上,成為了量塊比較儀的主流。新規(guī)范也主要適用于這類儀器。量塊比較儀結構示意如圖1所示。
1、1a. 位移傳感器(測頭) 2. 參考量塊 3. 被測量塊 4. 儀器顯示器圖1 量塊比較儀結構示意圖
圖1所示是雙測頭量塊比較儀的結構示意。如果是單測頭量塊比較儀,就沒有了圖1中的1a位移傳感器,取而代之的是球筋工作臺或帶筋工作臺。
問題1:適用范圍?
簡單的說,新規(guī)范的適用范圍是用來比較測量量塊長度的儀器。限制條件是采用垂直安放量塊的方式,不包括測長機類型。
這個范圍看似非常廣泛,包括了各種光學計、測長儀和接觸式干涉儀等,實際上并非如此。新規(guī)范制定的原則是從儀器的用途或功能上來確定:對于用于(特別是僅僅用于)比較測量量塊長度的儀器,使用新規(guī)范來校準。對于接觸式干涉儀這樣已有檢定規(guī)程的儀器應該按原規(guī)程進行檢定。因為,這些儀器除了可以比較測量量塊長度以外還有其他的測量功能,原規(guī)程的檢定是全面完整的,可以確認儀器是否符合要求。當這些儀器僅僅用于比較測量量塊時,可以使用新規(guī)范來校準。關于適用范圍的問題,對于單、雙測頭量塊比較儀是一樣的。
問題2:量塊尺寸的選擇?
校準量塊比較儀示值誤差的標準器是量塊對。規(guī)范中給出了量塊尺寸的選擇表,見表1。序列A與序列B構成的每一對量塊的長度差值是標準值。
關于量塊尺寸的選擇,首先,選擇表1中序列1、2、3四塊量塊組成三個量塊對,提供5μm、10μm、 20μm三個長度標準值用于校準儀器的示值誤差。這個選擇應該是清楚的,對于單、雙測頭量塊比較儀是一樣的。由于量塊比較儀的傳感器不同,如電感傳感器的示值有非線性誤差問題,光柵傳感器有細分均勻性問題、光柵信號移相是否精準問題等等,因此,這三個量塊對是最低要求,使用者應根據(jù)不同儀器的具體情況盡量增加量塊對以保證校準的準確。如示值范圍較小時可增加1μm、2μm;示值范圍較大時可增加50μm、100μm等。
對于單、雙測頭量塊比較儀不一樣的地方是雙測頭量塊比較儀還要選擇序列4、5、6。這就引出了下面第3個問題。
表1 量塊尺寸 單位:mm
注:位移傳感器示值范圍超過±20μm時,根據(jù)使用情況增加校準點;帶“*”號序列的量塊對可選。
問題3:三對相同標稱長度的量塊有什么意義?
序列4、5、6量塊對的標稱長度是一樣的,從比較測量量塊長度的最小值到最大值。增加序列4、5、6是針對雙測頭量塊比較儀的,是為了校準雙測頭量塊比較儀測量不同長度量塊時,示值誤差是否都能滿足要求。雙測頭量塊比較儀的上、下測頭對準是否良好,工作臺對量塊的實際支撐面是否穩(wěn)定且與測頭位移方向垂直,下測頭伸出長度多少,等等這些問題都可能造成測量長度不同的量塊時,盡管示值相同或接近,但是,示值誤差會不相同,所以也會產生不同的測量結果。這就是雙測頭量塊比較儀的不同點造成的,而單測頭量塊比較儀由于對工作臺有嚴格的要求不會產生這樣的問題,也就不需要選擇序列4、5、6了。
單測頭量塊比較儀測量10mm及以下的量塊時采用球筋工作臺,測量大于10mm的量塊時采用帶筋工作臺,因此,通常使用兩臺儀器實現(xiàn)量塊的比較測量,否則需要更換工作臺以適應不同長度的量塊。雙測頭量塊比較儀沒有此類要求,只需一臺儀器就可以實現(xiàn)量塊的比較測量。
單測頭量塊比較儀測量時,通過撥動撥叉控制測頭重復接觸量塊表面可以檢查量塊表面是否清潔,確保讀數(shù)準確。雙測頭量塊比較儀通常是測頭自動移動接觸量塊工作面、停止并采數(shù)。如果量塊表面有灰塵、油污等將直接影響測量結果,造成粗大誤差。這個區(qū)別主要是由于單測頭量塊比較儀通常是手動操作,而雙測頭量塊比較儀是自動操作造成的。如果單測頭量塊比較儀是自動操作也會出現(xiàn)這個問題。
通常雙測頭量塊比較儀帶有量塊安放的定位架,可以準確地將量塊被測點置于測頭下,保證被測位置的準確;而單測頭量塊比較儀一般沒有定位架,需要測量者用人眼控制定位。
對于彎曲比較大的小量塊,有可能與工作臺接觸不良,單測頭量塊比較儀需要將量塊翻面測量,而雙測頭量塊比較儀,下測頭可良好接觸,則不需要翻面測量。
量塊比較儀校準規(guī)范中規(guī)定了5項計量特性:工作臺、示值范圍、示值誤差、測量重復性、漂移。
工作臺只適用于單測頭量塊比較儀,其技術指標多達6項,用以確保量塊的下工作面能與工作臺良好接觸,不影響測量準確度。而雙測頭量塊比較儀由于下測頭可以伸出接觸量塊下工作面,因此,對工作臺無特殊要求,只要保證量塊穩(wěn)定安放,沒有毛刺等突出物損壞量塊即可。這是單、雙測頭量塊比較儀的最大區(qū)別。
量塊比較儀的示值誤差是最主要的技術指標,示值范圍也是一個重要的技術參數(shù),它是與示值誤差緊密相關的。通常示值范圍小時,其示值誤差就小,反之就大。這兩個指標一起提出,可以更完整的表明儀器的計量性能。
單測頭量塊比較儀的示值范圍可以準確的得到,而雙測頭量塊比較儀可以不考慮下測頭的范圍,通常將上測頭的示值范圍作為儀器的示值范圍。
校準儀器的示值誤差時,單測頭量塊比較儀只選擇表1中的序列1、2、3即可,而雙測頭量塊比較儀則要選擇表1中的序列1、2、3和序列4、5、6。
表1中下方注的第一行文字有兩點要注意:
1)示值范圍以±20μm表示的含義的理解。有的儀器示值范圍是從-20μm到+20μm,(這樣的儀器多是表盤顯示的);多數(shù)儀器示值范圍是從0μm到20μm,儀器可在任意位置置零,則可變?yōu)?μm到-20μm或者-10μm到+10μm(這種儀器多是數(shù)顯的或連接計算機的)。校準示值誤差時應該從5μm、10μm、 20μm到-5μm、-10μm、-20μm進行。雙測頭量塊比較儀必須“+、-”方向都要校準,而對于單測頭量塊比較儀的數(shù)顯或計算機類則可以只校準“+”方向,因為其“+”和“-”方向的示值誤差是一樣的。
2)示值范圍大于20μm時需要增加量塊。例如示值范圍為200μm時,可以增加50μm、100μm、 200μm三個測量點。當然對于不同類型儀器也有“+、-”方向問題。
測量重復性和漂移的特性,對于兩種比較儀基本一致。使用和校準上采取相同的方法即可,唯一需要注意的是灰塵或油污等的影響反應不同。
實際上,單、雙測頭量塊比較儀還有大大小小很多不同,由于其大多屬于制造及研究方面,有機會的話,可以再與大家詳細探討,此處僅就使用及校準方面的不同做一簡單介紹,相同之處就不贅述了,供有關人員參考并請批評指正。
參考文獻
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