電子柱式氣動測量儀示值誤差的不確定度評定

王曉偉 賈曉杰 宋欣穎

（1. 河南省計量科學(xué)研究院 鄭州450000；（2. 遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院 沈陽110161）

氣動測量儀是一種非接觸式測量儀器，按其顯示器的種類可分為浮標(biāo)式氣動測量儀和電子柱式氣動測量儀。其中電子柱式氣動測量儀是一種測量精度高、測量范圍大、穩(wěn)定性好、能非接觸測量出微小尺寸變化的精密測量儀器，配上相應(yīng)的氣動測量頭可以測量多種參數(shù)，如檢測工件的厚度、內(nèi)徑、外徑、圓度、平行度等參數(shù)，還可用于多臺拼合檢測。電子柱式氣動測量儀的分度值或分辨率有0.2μm、0.5μm 和 1μm 三種類型，由于其采用新型比較電路，由發(fā)光管組成發(fā)光柱，具有結(jié)構(gòu)簡單、顯示讀數(shù)直觀清晰等優(yōu)點，用途非常廣泛。

1 電子柱式氣動測量儀

電子柱式氣動測量儀是利用氣動傳感器將被測尺寸的變化，經(jīng)氣電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化成電信號，并用電子柱（發(fā)光二極管）顯示出被測尺寸的比較測量儀器，它與其它各種氣動傳感器配合使用，能夠進行多種測量工作，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電子柱式氣動測量儀結(jié)構(gòu)示意圖

2 測量儀示值誤差的測量不確定度評定

1） 測量方法

依據(jù)氣動測量儀國家計量檢定規(guī)程，分度值為0.2μm的電子柱式氣動測量儀的示值誤差，用3等量塊和分度值為0.2μm的FZ-15型氣動測量儀檢定裝置以直接法進行檢定，F(xiàn)Z-15型氣動測量儀檢定裝置主要由標(biāo)準(zhǔn)氣動軸向測量頭和微動測量臺架兩部分組成。檢定時將氣動測量儀檢定裝置和被檢氣動測量儀連接，先將標(biāo)準(zhǔn)氣動軸向測量頭和微動測量臺架工作臺面的初始間隙調(diào)整為 60μm，然后在零位間隙條件下，調(diào)整氣動測量儀示值為零。按受檢點間隔2μm置換量塊，逐點檢至上限值，再從零位逐點檢至下限值。按此方法測量兩次，取各點誤差值δi中絕對值的最大值作為示值誤差。

2）測量模型

各受檢點的誤差值按公式（1）計算：

式中：δi為第i個受檢點的誤差值，（μm）；為兩次讀數(shù)的平均值，μm； l0為對零用量塊的實際尺寸，μm；li為受檢點上所用量塊的實際尺寸，μm。

3）方差和靈敏系數(shù)

4) 不確定度來源

根據(jù)公式（1），測量不確定度來源于以下幾個方面：

(5) 標(biāo)準(zhǔn)量塊偏差值：u（li）、u（l0）

3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量計算

依據(jù)規(guī)程，由測量重復(fù)性引入的不確定度分量為s=0.06μm，則有：

因其量化誤差為 0.05μm，認為在其半寬范圍內(nèi)等概率均勻分布，則由此帶來的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為，則有：

依據(jù)規(guī)程，0.2 μm分度值的電子柱式氣動量儀供氣壓力變化對示值的影響為 0.06 μm，認為在其半寬為0.03 μm 范圍內(nèi)等概率均勻分布，則有：

4)由溫度偏離 20℃測量儀與量塊線膨脹系數(shù)差引入的不確定度分量

測量儀與鋼制量塊的線膨脹系數(shù)在α=（11.5±1）×10?6℃-1范圍內(nèi)，假設(shè)其在該范圍內(nèi)等概率均勻分布，可得其標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（α）=0.577× 10?6℃-1。

依據(jù)規(guī)程用于示值誤差檢定的量塊標(biāo)稱尺寸均在 2mm以內(nèi)，假設(shè)檢定時溫度偏離 20℃的差值Δt=5℃，則有×0.577×10?6× 5= 0.008μm

5)由標(biāo)準(zhǔn)量塊偏差值引入的不確定度分量u（li）、u（l0）

0.2μm分度值電子柱式氣動測量儀的示值誤差采用3等量塊以直接法檢定。3等量塊的擴展不確定度為 ,由于所用量塊的標(biāo)稱尺寸均在2mm以下，則有0.039μm

同理u（l0）=u（li）=0.039μm

6)標(biāo)準(zhǔn)不確定度各分量值如表1所示

表1 不確定度一覽表

7)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

依據(jù)規(guī)程每個受檢點要測量兩次，取平均值作為測得值，則有：

8）擴展不確定度U

取k=2 ，故有：

U=0.059× 2 ≈ 0.12μm 。

4 結(jié)語

由以上分析可以看出，分度值為0.2μm的電子柱式氣動測量儀示值誤差測量結(jié)果的擴展不確定度U滿足小于1/3最大允許誤差的要求。