框式水平儀分度值誤差的校準方法研究

郭輝

摘? 要：使用框式水平儀，需要掌握分度值誤差校準方法，以確保測量結(jié)果準確?；谶@種認識，該文對該種水平儀測量原因和分度值誤差校準規(guī)范進行了分析，然后針對無法采用檢定器校準的情況，提出采用小角度檢查儀和量塊實現(xiàn)校準操作，并以0.02 mm/m分度值的水平儀為例進行了方法驗證，最終得到的分度值誤差不確定度能夠滿足要求。

關(guān)鍵詞：框式水平儀;分度值誤差;校準方法

中圖分類號：? TB96? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

作為通用角度計量器具，框式水平儀能夠在設(shè)備安裝水平和鉛錘位置校正等領(lǐng)域得到應(yīng)用。但要想保證水平儀測量結(jié)果準確性，還要完成水平儀分度值誤差校準。結(jié)合水平儀分度值誤差校準相關(guān)規(guī)定，還要加強對校準方法的分析研究，從而為水平儀的運用提供便利。

1 框式水平儀測量原理

框式水平儀在工作過程中，可以利用液面水平恒定原理進行相對水平位置和鉛錘位置微小傾斜度的測量，也可以對各種工作面的平面度、直線度及相互平行度進行測量。在測量期間，利用水準器，能夠?qū)俏灰七M行直接顯示。水準器作為水平儀主要部件，實際為密封玻璃管，內(nèi)壁擁有一定曲率半徑，將對測量精度產(chǎn)生決定性影響。在水準器曲率半徑較大時，可以獲得較高分辨率，反之則分辨率較低。玻璃管內(nèi)存在酒精、乙醚等混合體，黏滯度較小，留有一氣泡，在測量工作面水平時氣泡將停留在玻璃管內(nèi)表面刻度中間，說明工作面與水平面平行。如果工作面不平，氣泡將向高的一端偏移。

2 框式水平儀分度值誤差校準規(guī)定

按照JJF1084 —2002《框式水平儀和條式水平儀校準規(guī)范》規(guī)定，采用框式水平儀進行測量，標稱分度值與任意實測分度值的差值應(yīng)不超過標稱分度值的20%。一旦超出這一數(shù)值，則要進行水平儀分度值誤差校準。按照規(guī)定校準方法，需要利用分度值為0.005 mm/m和示值誤差不超±6%的水平儀檢定器對分度值誤差進行校準。在校準操作過程中，需要對檢定器進行調(diào)整，確保水平儀氣泡與左邊或右邊起始線對正，并使檢定器示值為整數(shù)。在此基礎(chǔ)上，對檢定器示值進行改變，每次改變量為標稱分度值，直至氣泡維持穩(wěn)定，從一端進行讀數(shù)，獲得2次讀數(shù)平均值。采用相同步驟，能夠完成氣泡另一端校準。按照式（1），可以對實測平均分度值進行求取

（1）

式中|bn-b0|為檢定器示值變化量，（an-a0）為氣泡實測位移量，ε指的是檢定器分度值。

如果標稱分度值與實測平均分度值差值超出10%，同時氣泡位移量呈線性變化，可以按新分度值完成誤差計算。完成水平儀校準后，需要在校準證書中標明校準結(jié)果和分度值誤差測量不確定度。針對重新標定的設(shè)備，需要出具分度值誤差及其測量結(jié)果不確定度。

3 框式水平儀分度值誤差校準方法分析

3.1 校準方法思路

結(jié)合框式水平儀分度值誤差校準規(guī)定可知，整個校準過程需要依靠檢定器完成。但實際在水平儀應(yīng)用過程中，現(xiàn)場主要配備小角度檢查儀等設(shè)備，所以需要思考在缺少檢定器的情況下如何完成水平儀分度值誤差校準。對數(shù)學(xué)正弦原理進行運用可知，在測量儀器與量塊相互配合的情況下，可以得到標準角度。如果在兩臂架間完成立式光學(xué)計的設(shè)置，保持500 mm測量軸線，能夠?qū)崿F(xiàn)定位。按照小角度檢查儀檢定規(guī)程可知，可以產(chǎn)生0′～40′標準角。針對框式水平儀進行分析，可以得知標稱角在4′～20″，因此能夠利用小角度檢查儀進行測量。具體來講，可以利用三等量塊與小角度檢查儀進行配合，得到測量儀器標準角度。在校準過程中，需要使檢查儀工作臺保持水平，用于放置水平儀，在縱向上應(yīng)使二者保持一致。對檢查儀調(diào)整螺絲進行調(diào)整，能夠使氣泡移動，逐步與起始線對準。在此基礎(chǔ)上，可以在檢查儀兩端立式光學(xué)計下方位置完成1 mm量塊放置，然后進行光學(xué)計調(diào)零，直至氣泡穩(wěn)定，可以進行一端讀數(shù)的讀取，將2次讀數(shù)平均值當成是示值誤差。按照上述步驟，也可以完成另一端示值誤差求取。根據(jù)校準位置標稱分度值與光學(xué)計軸線間距乘積，可以確定量塊尺寸，因此能夠根據(jù)量塊尺寸完成分度值誤差的求取。

3.2 方法操作驗證

實際進行水平儀分度值校準時，考慮到常用水平儀分度值多為0.02 mm/m，所以可以主要針對該類水平儀進行方法操作驗證。從方法原理上來看，就是利用小角度檢查儀和量塊獲得角度標準，然后對水平分度值誤差進行測量。假設(shè)光學(xué)計球面測帽頂點間距為L，量塊尺寸差為a1-a2，可以根據(jù)二者比值確定角度標準。在實際操作過程中，應(yīng)使環(huán)境溫度在（20±2）℃內(nèi)。在光學(xué)計測帽和工作臺之間，還應(yīng)完成定位量塊放置，然后將光學(xué)計調(diào)零。根據(jù)需要的標準角度，可以對一個光學(xué)計下方量塊進行替換，然后對工作臺升降高度進行調(diào)整，促使定位光學(xué)計重新歸零。經(jīng)過反復(fù)操作，相較于最初位置，工作臺工作面上將有相應(yīng)的標準角產(chǎn)生。按照式（2），可以對水平儀分度值的示值誤差△α進行求取，式中B指的是標稱分度值對線誤差。在校準操作的過程中，通過將分度線的首尾線對準，能夠獲得標稱分度值對線誤差。結(jié)合操作條件可知，上述校準方法適用于0.02 mm/m框式水平儀，可以在缺少檢定器或檢定器設(shè)備無法達到水平儀分度值校準要求的情況下使用，僅作為補充校準方法使用。為確定方法應(yīng)用效果，按照規(guī)定要求還要完成分度值誤差的不確定度評定，確認方法能否在框式水平儀分度值校準中得到應(yīng)用。

Δα=B-（a1-a2）/L （2）

3.3 不確定度評定

在不確定度評定過程中，需要分別將測量對線誤差估算、光學(xué)計測帽頂點間距誤差估算等引入不確定度分量中，完成相對不確定度和標準不確定度的計算，最終合成得到相對標準不確定度和相對擴展不確定度。在校準期間，3次使用對線進行平均值求取，誤差不超過1/20分度，可以等概率引入半寬度為1/20的分度區(qū)間，得到相對不確定度分量urel（B）=0.04。校準采用的光學(xué)計分度值為1 μm，2次使用量塊尺寸差，需要將示值變動引入。按照檢定規(guī)程，示值允許變動值為0.1 μm，實現(xiàn)均勻分布處理，可以得到區(qū)間半寬為0.05 μm，因此能夠得到不確定度分量為0.04 μm，2次定位需要實現(xiàn)2次引入。采用三等量塊，需要引入量塊中心長度誤差估算。由于量塊尺寸不超過10 mm，所以量塊中心長度不確定度為0.11 μm，屬于正態(tài)分布，對應(yīng)99%置信區(qū)間因子為2.576，引入不確定度分量μk=0.04 μm。在光學(xué)計下放置的量塊共2個，得到的不確定度分量為0.06 μm。標準角度包括兩量塊尺寸差，而其受光學(xué)和量塊不確定度影響為單塊，最終可以引入u（a1-a2）=0.11 μm。針對0.02 mm/m分度值，量塊尺寸差為10 μm，得到相對不確定度為0.011。在引入測帽頂點間距誤差估算時，包括光學(xué)計軸線間距偏差和平行度偏差分別引入的標準不確定度，在光學(xué)計計量性能為±0.05 mm的情況下，進行均勻分布可以得到區(qū)間半寬為50 μm，計量性能不超過0.02 mm時區(qū)間半寬為20 μm，最終可以得到標準不確定度u（L）=31.1 μm，相對不確定度為0.000062。最后，對相對標準不確定度urel（△α）進行合成，如式（3），可以得到為0.04，在k=2時可以得到相對擴展不確定度為0.08，因此能夠滿足水平儀分度值誤差校準要求。

（3）

4 結(jié)論

綜上所述，針對分度值為0.02 mm/m常見框式水平儀進行分度值誤差校準時，如果因缺乏校準條件無法按照規(guī)范使用檢定器進行校準，可以嘗試采用小角度檢查儀和量塊完成示值誤差校準。但針對其他分度值的框式水平儀，還要經(jīng)過操作驗證才能確認是否可以按照上述方法校準，因此還應(yīng)結(jié)合實際情況合理運用。

參考文獻

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