光柵式指示表檢定儀示值誤差的檢定方法

朱緋紅

(江蘇省計量科學(xué)研究院，南京 210046)

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光柵式指示表檢定儀示值誤差的檢定方法

朱緋紅

(江蘇省計量科學(xué)研究院，南京 210046)

介紹一種檢定方法，即采用高精度長度計和專用數(shù)顯表作為標(biāo)準(zhǔn)器檢定光柵式指示表檢定儀示值誤差，并對該方法進(jìn)行可行性分析，證明此方法可行。與現(xiàn)有規(guī)程中的方法進(jìn)行比較，該方法不僅能提高測量準(zhǔn)確度，還能提高效率。

光柵式指示表檢定儀；高精度長度計；示值誤差；檢定

0 引言

隨著光柵技術(shù)的發(fā)展，一些高精度長度計在計量領(lǐng)域里應(yīng)用越來越廣泛。其主要應(yīng)用于自動檢測設(shè)備、手動測量或定位設(shè)備中，對長度、間距、高度、厚度或直線位移等參數(shù)可以快速、精確的測量。高精度長度計是基于光電掃描增量式光柵尺的測量原理，將測量桿的直線位移轉(zhuǎn)化成電信號。如果對這些電信號進(jìn)行采集處理并通過專用的數(shù)顯儀表顯示就能得出測量桿的直線位移量。由于長度計測量符合阿貝原則，所以測量準(zhǔn)確度高。高精度長度計主要由高精度光柵裝置、密珠導(dǎo)軌的測量桿裝置、高性能的高速采樣等組成。本文介紹一種用高精度長度計和專用的數(shù)顯儀表檢定光柵式指示表檢定儀示值誤差的方法。

1 現(xiàn)有規(guī)程中的方法

JJG 201—2008《指示類量具檢定儀》檢定規(guī)程[1]規(guī)定：檢定光柵式指示表檢定儀示值誤差要用3等量塊和不超過±0.1μm(如分辨力為0.01μm的電感測微儀)檢定。所以我們在檢定光柵式指示表檢定儀時選用3等量塊和電感測微儀中分度值為0.1μm，測量范圍為±3μm這一檔去檢定光刪式指示表檢定儀示值誤差。

2 新方法介紹

所用標(biāo)準(zhǔn)器：高精度長度計和專用的數(shù)顯儀表的計量性能：分辨力為0.01μm，測量范圍：0～50mm,誤差：±0.2μm。檢定步驟如下：

1)如圖1所示，將高精度的長度計裝夾在光柵式指示表檢定儀φ8mm固定孔上，使長度計的測頭與光柵式指示表檢定儀的測量桿工作面接觸。旋轉(zhuǎn)檢定儀的手輪，使測量桿移動約1mm，分別對專用數(shù)顯表和光柵式指示表清零。

2)按照文獻(xiàn)[1]規(guī)定的受檢點進(jìn)行檢定。旋轉(zhuǎn)檢定儀的手輪，使檢定儀的測量桿移動到規(guī)定的受檢點處，觀察專用數(shù)顯表上顯示的值。則每一受檢點的示值誤差Δi如公式(1)所示。

3)測量應(yīng)在正反行程上進(jìn)行，得到正反行程上每一個受檢點的示值誤差值，再依據(jù)規(guī)程數(shù)據(jù)處理方法，得到光柵式指示表檢定儀的示值誤差和回程誤差。

Δi=Ldi-Lsi

(1)

式中：Δi為第i受檢點的示值誤差；Ldi為第i受檢點光柵式指示表上顯示的值；Lsi為第i受檢點專用數(shù)顯表上顯示的值。

1.高精度長度計；2.專用數(shù)顯表；3.光柵式指示表檢定儀圖1 檢定示意圖

3 可行性分析

用高精度長度計和專用的數(shù)顯儀表(分辨力為0.01μm，測量范圍為0～50mm,誤差為：±0.2μm)檢定光柵式指示表檢定儀示值誤差不確定度評定。

測量對象：一臺光柵式指示表檢定儀：測量范圍0～50mm,文獻(xiàn)[1]規(guī)定其計量性能要求：全量程最大允許誤差為：6.0μm；任意30mm最大允許誤差為3μm；任意10mm最大允許誤差為2μm；任意2mm最大允許誤差為2μm，任意1mm最大允許誤差為1μm。

3.1 測量模型

Δ=Ld-Ls+Ld·ad·Δtd-Ls·as·Δts

(2)

式中 ：Ld為光柵式指示表檢定儀的示值(20℃條件下)；Ls為專用數(shù)顯表顯示的示值(20℃條件下)；ad、 as分別為光柵式指示表檢定儀和高精度長度計的線脹系數(shù)；Δtd、Δts分別為光柵式指示表檢定儀和高精度長度計偏離20℃時的數(shù)值。

令δa=ad-as；δt=Δtd-Δts；

取L≈Ld≈Ls；a ≈ad≈as；Δt≈Δtd≈Δts

則公式(2)變?yōu)?/p>

Δ=Ld-Ls+L·Δt·δa-L·a ·δt

(3)

3.2 不確定度傳播率

(4)

式中，靈敏系數(shù)ci：

c1=?Δ/?Ld=0；c2=?Δ/?Ls=-1；c3=?Δ/?δa=L·Δt；c4=?Δ/?δt=-L·a

3.3 測量不確定度來源

1)測量不確定度u2包括測量重復(fù)性u2.1和標(biāo)準(zhǔn)器長度計u2.2；2)光柵式指示表檢定儀和高精度長度計線膨脹系數(shù)差u3；3)光柵式指示表檢定儀和高精度長度計之間溫度差u4。

3.4 標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

1)由于受檢點是根據(jù)規(guī)程設(shè)定的，一般認(rèn)為是常量，所以c1=0u1=0

2)測量重復(fù)性引入的不確定度分量u2.1

對受檢點50mm重復(fù)測量3次，其測量數(shù)據(jù)見表1。

表1 受檢點50mm重復(fù)測量數(shù)據(jù)表

采用極差法計算u2.1：

3)標(biāo)準(zhǔn)器高精度長度計引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2.2

4)光柵式指示表檢定儀和高精度長度計線膨脹系數(shù)差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u3

當(dāng)L=50mm時， c3u3=L·Δt·u3=0.82×10-6×5×104=0.041μm,依次有：L=30mm，c3u3=0.025μm；L=10mm，c3u3=0.0082μm；L=2mm，c3u3=0.0016μm；L=1mm，c3u3=0.00082μm。

5)光柵式指示表檢定儀和高精度長度計溫度差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u4

當(dāng)L=50mm時，c4u4=-(L·a )·u4=-50×103×6×10-6×0.17=-0.051μm，依次有：L=30mm，c4u4=-0.031μm；L=10mm，c4u4=-0.010μm；L=2mm，c4u4=-0.002μm；L=1mm，c4u4=-0.001μm。

6)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc

由于以上各不確定度分量不相關(guān)，則

當(dāng)L=50mm時，

則L=30mm, uc=0.13μm; L=10mm, uc=0.13μm;L=2mm，uc=0.12μm; L=1mm, uc=0.12μm。

7)擴(kuò)展不確定度U

由于光柵式指示表示值誤差是正反行程中受檢點的示值誤差的最大值減去最小值，所以：

由于光柵式指示表檢定儀示值誤差測量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度均小于或等于光柵式指示表檢定儀最大允許誤差的1/3，所以此方法可行。

4 新方法的優(yōu)點

1)檢定效率高，速度快。因為用量塊檢定時，需要更換不同量塊，操作麻煩。例如檢定一個測量范圍0～50mm的光柵式指示表檢定儀,要更換量塊20多次。

2)讀數(shù)直觀而且數(shù)據(jù)處理比較簡單。用量塊進(jìn)行檢定時計算每一個受檢點的示值誤差還需要所用量塊的修正量，數(shù)據(jù)處理較麻煩。

3)由于現(xiàn)在90%以上的光柵式指示表檢定儀都是臥式的，實際工作時經(jīng)常會出現(xiàn)量塊的工作面與固定在光柵式指示表檢定儀測量軸上的三珠工作臺中三個接觸點形成的工作面不平行(實際工作中要調(diào)整量塊放置的位置通過電感測微儀找最小值點)。這也是實際檢定過程的一個重要的誤差來源。而用高精度長度計進(jìn)行檢定，就沒有由于量塊放置的問題引入的測量誤差。

4)由于指示表檢定時，數(shù)據(jù)量很大，越來越多的計量檢定機構(gòu)以及企業(yè)都購置了全自動光柵式指示表檢定儀。利用高精度的長度計以及專用的軟件就會實現(xiàn)全自動檢定全自動光柵式指示表檢定儀示值誤差。而用量塊進(jìn)行檢定，只能實現(xiàn)靜手動檢定，不能實現(xiàn)自動檢定。

5)用該標(biāo)準(zhǔn)器也可用來檢定機械式百分表檢定儀和千分表檢定儀。而且檢定千分表檢定儀時，可以全量程檢定，避免用量塊檢定時采用分段法進(jìn)行檢定。

5 結(jié)論

本文結(jié)合自己工作經(jīng)驗，介紹采用高精度長度計和專用數(shù)顯儀表檢定光柵式指示表檢定儀示值誤差。一是供同行們參考，二是希望為將來修訂《指示類量具檢定儀》檢定規(guī)程提供借鑒與幫助。

[1] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.JJG201—2008《指示類量具檢定儀檢定規(guī)程》

[2] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.JJF1331—2011《電感測微儀校準(zhǔn)規(guī)范》

[3] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.JJG146—2011《量塊檢定規(guī)程》

[4] JJF1059.1—2012 測量不確定度評定與表示

[5] 楊華，蒲建軍，樊永元.用測長儀檢定杠桿表示值誤差的新方法.計量技術(shù)，2008(11)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.12.20