激光線長測(cè)量儀示值誤差的校準(zhǔn)裝置

/ .無錫市計(jì)量測(cè)試院；.宜興市計(jì)量檢定測(cè)試所

0 引言

激光線長測(cè)量儀是用在工業(yè)生產(chǎn)線上的板材、紙張、布匹等材料在生產(chǎn)過程中實(shí)時(shí)非接觸檢測(cè)其長度的一種測(cè)量儀器，測(cè)量準(zhǔn)確度達(dá)到0.05%。目前，激光線長測(cè)量儀的生產(chǎn)廠商主要是美國BETA Laser-Mike、德國elovis、英國Polytec等，而國內(nèi)沒有廠商生產(chǎn)，對(duì)其示值溯源沒有相應(yīng)的校準(zhǔn)依據(jù)可執(zhí)行。本文對(duì)該測(cè)量儀器的示值誤差溯源設(shè)計(jì)出一種校準(zhǔn)裝置，并進(jìn)行了校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度分析，供大家參考。

1 激光線長測(cè)量儀工作原理

激光線長測(cè)量儀，采用雙光線的激光多普勒干涉測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)非接觸式長度測(cè)量。激光源發(fā)射出的激光通過光束分離器產(chǎn)生兩束光在被測(cè)物體表面產(chǎn)生明暗相間的干涉條紋，光檢測(cè)器通過回收激光檢測(cè)到干涉條紋的變化，輸出相應(yīng)的電信號(hào)，如圖1所示。被測(cè)物體移動(dòng)，光檢測(cè)器獲得信號(hào)，測(cè)出被測(cè)物體的速度，并精確計(jì)算出通過測(cè)量區(qū)域的該物體的長度。

圖1 激光多普勒干涉原理

被測(cè)物體的速度

式中：d—— 明暗條紋的間距，見圖2；

λ—— 激光波長；

κ—— 入射角

圖2 激光多普勒干涉條紋

2 激光線長測(cè)量儀校準(zhǔn)裝置

激光線長測(cè)量儀校準(zhǔn)裝置具有較強(qiáng)的綜合檢測(cè)與校準(zhǔn)能力，操作簡單、方便、可靠，能快速完成校準(zhǔn)，很好地解決激光線長測(cè)量儀校準(zhǔn)問題。

本裝置采用了直徑為300 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓盤為主要標(biāo)準(zhǔn)器，周長是固定的。通過軟件精確控制伺服電機(jī)帶動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，通過角編碼器計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)周長。該周長與激光線長測(cè)量儀讀數(shù)裝置顯示的示值相比較，得出激光線長測(cè)量儀的示值誤差。當(dāng)伺服電機(jī)帶動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在軟件上可以通過預(yù)先設(shè)置的周長值在任意長度上對(duì)激光線長測(cè)量儀進(jìn)行校準(zhǔn)。該裝置主體部分結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 激光線長測(cè)量儀校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)

3 校準(zhǔn)過程及不確定度分析

3.1 校準(zhǔn)過程

如圖3所示，將作者單位一臺(tái)型號(hào)為BATE Laser-Mike LS9000，編號(hào)為CH862013，精度為0.05%的激光線長測(cè)量儀放置在工作臺(tái)上，通過調(diào)節(jié)激光線長測(cè)量儀在線性導(dǎo)軌上位置，控制其景深距離(300 mm±30 mm)。當(dāng)兩束光斑重合為一束打在標(biāo)準(zhǔn)圓盤的中心線上，設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)圓盤的線速度，啟動(dòng)伺服電機(jī)帶動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)圓盤旋轉(zhuǎn)，同時(shí)開起激光線長測(cè)量儀并按下零點(diǎn)鍵，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的校準(zhǔn)點(diǎn)，對(duì)激光線長測(cè)量儀示值進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)數(shù)據(jù)見表1。

3.2 不確定度分析

該型號(hào)的激光線長測(cè)量儀示值誤差在±0.05%范圍內(nèi)，為了驗(yàn)證校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性，作如下測(cè)量不確定度分析：

3.2.1 校準(zhǔn)的重復(fù)測(cè)量引入的不確定度分量u1

將儀器測(cè)量頭對(duì)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的中心，設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)長度值100 m，然后連續(xù)10次重復(fù)測(cè)量：100.00、100.00、100.00、100.00、100.00、100.00、100.00、100.00、100.01、100.00，則實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差為0.003 m。

則u1= 0.003 m

表1 不同線速度下的示值誤差（儀器分辨力：0.01 m）

3.2.2 標(biāo)準(zhǔn)裝置允許誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2

校準(zhǔn)裝置的允許示值相對(duì)誤差為0.005%。假設(shè)為均勻分布，則

3.2.3 儀器測(cè)量頭對(duì)校準(zhǔn)裝置的圓中心引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u3

儀器測(cè)量頭中心對(duì)校準(zhǔn)裝置的圓中心的誤差不超出2 mm。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，對(duì)中誤差引入的不確定度分量為0.005%。假設(shè)為均勻分布，故

3.2.4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

3.2.5 擴(kuò)展不確定度

取k= 2，可得擴(kuò)展不確定度為

U=k·uc= 0.011 m

則Urel= 0.011%

通過分析得出，相對(duì)擴(kuò)展不確定度小于出廠說明書規(guī)定的線性示值誤差0.05%的三分之一，說明此校準(zhǔn)裝置具有非常好的可行性。

4 結(jié)語

目前，由我院起草的江蘇省《激光線長測(cè)量儀校準(zhǔn)規(guī)范》地方計(jì)量技術(shù)規(guī)范已經(jīng)發(fā)布實(shí)施。我院研制的激光線長測(cè)量儀校準(zhǔn)裝置能很好地解決激光線長測(cè)量儀校準(zhǔn)溯源的要求，保證激光線長測(cè)量儀的測(cè)量準(zhǔn)確度，可以確保其對(duì)產(chǎn)品長度計(jì)量的準(zhǔn)確，尤其在電線電纜行業(yè)，能有效減少因長度偏差帶來的貿(mào)易糾紛，為企業(yè)控制生產(chǎn)成本，獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]江蘇省幾何量計(jì)量專業(yè)技術(shù)委員會(huì).JJF（蘇）195-2017激光線長測(cè)量儀校準(zhǔn)規(guī)范[S].南京：2017.

[2]劉亞?。€纜計(jì)米器非接觸式在線校準(zhǔn)[J].上海計(jì)量測(cè)試，2014（3）：48+50.

[3]孫長庫，何明霞，王鵬．激光測(cè)量技術(shù)[M].天津：天津大學(xué)出版社，2008.

[4]全國法制計(jì)量管理計(jì)量技術(shù)委員會(huì)．測(cè)量不確定度評(píng)定與表示指南[S].北京：中國計(jì)量出版社，2000.

[5]全國法制計(jì)量管理計(jì)量技術(shù)委員會(huì).JJF 1059-2012測(cè)量不確定度評(píng)定與表示[S].北京：中國質(zhì)檢出版社，2012.