數(shù)顯傾角儀特性和校準(zhǔn)方法的研究

陳曉丹

(福建省計(jì)量科學(xué)研究院，福建 福州 350003）

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，對(duì)各種物理量和角度測(cè)量的精度要求越來(lái)越高，自然對(duì)傾角儀的測(cè)量精度要求也越來(lái)越高。數(shù)顯傾角儀作為測(cè)量角度的常用設(shè)備，是用于測(cè)量一個(gè)平面（或圓柱面）相對(duì)于水平面的傾斜角或兩平面（或圓柱面）之間夾角的數(shù)顯式測(cè)角儀器。隨著儀器科學(xué)發(fā)展，不同類型的傾角儀相繼出現(xiàn)，精度越來(lái)越高，所以對(duì)傾角儀進(jìn)行校準(zhǔn)也顯得尤為重要。目前，我國(guó)尚無(wú)國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范為依據(jù)對(duì)其計(jì)量性能進(jìn)行控制，文中根據(jù)傾角儀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)，提出了數(shù)顯傾角儀的校準(zhǔn)方法并對(duì)示值誤差測(cè)量結(jié)果不確定度進(jìn)行評(píng)定。

2 數(shù)顯傾角儀的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域

在日常工作中，普遍使用的的數(shù)顯傾角儀測(cè)量范圍為0°～360°，精度為±0.1°、±0.05°和±0.01°。數(shù)顯傾角儀可進(jìn)行360°完整測(cè)量，不受其結(jié)構(gòu)限制，為鋁合金測(cè)量結(jié)構(gòu)。其工作原理為水平擺原理，故不需要任何特別設(shè)備，可利用自翻轉(zhuǎn)的方法進(jìn)行重新校正。數(shù)顯傾角儀一般有多個(gè)測(cè)量面，且具有帶磁測(cè)量面，可滿足垂直或大角度傾斜金屬面的角度測(cè)量。數(shù)顯傾角儀還具備顯示器翻轉(zhuǎn)功能，當(dāng)數(shù)顯傾角儀倒置，液晶顯示的角度讀數(shù)會(huì)自動(dòng)翻轉(zhuǎn)朝上便于閱讀。

數(shù)顯傾角儀主要用于土木建筑工程傾斜面測(cè)量、工業(yè)設(shè)備安裝測(cè)量、消防設(shè)施安裝定位測(cè)量等，同時(shí)也廣泛應(yīng)用于鐵道系統(tǒng)、水利系統(tǒng)、軍事自動(dòng)化、工業(yè)自動(dòng)化、汽車(chē)行業(yè)、機(jī)械行業(yè)和建筑施工等領(lǐng)域的數(shù)字化幾何量測(cè)量?jī)x器。

3 數(shù)顯傾角儀的常見(jiàn)形式及用途

市場(chǎng)上常見(jiàn)的電子數(shù)顯傾角儀的型式分為手動(dòng)型條式電子數(shù)顯傾角儀（如圖1所示）、自動(dòng)矩形電子數(shù)顯傾角儀（如圖2所示）和方盒電子數(shù)顯傾角儀（如圖3所示）。手動(dòng)型條式電子數(shù)顯傾角儀，又稱電子水平尺[1]，是最常用的一種，用于檢驗(yàn)、測(cè)量、劃線、設(shè)備安裝、工業(yè)工程施工，主要用來(lái)檢測(cè)或測(cè)量水平和垂直度，可分為鋁合金方管型、工字型、壓鑄型、塑料型、異形等多種規(guī)格，長(zhǎng)度從10cm到250cm多個(gè)規(guī)格，精度由水平尺材料的平直度和水準(zhǔn)泡質(zhì)量決定，常用水平尺的精度有±0.1°、±0.05°和±0.01°。自動(dòng)矩形電子數(shù)顯傾角儀又稱數(shù)字角度尺[1]，操作方便，在一定測(cè)量范圍內(nèi)精度較高，常見(jiàn)類型的精度為±0.1°。方盒電子數(shù)顯傾角儀體積較小，使用比較靈活，在一定測(cè)量范圍內(nèi)精度較高。

圖1 手動(dòng)型條式電子數(shù)顯傾角儀

圖2 自動(dòng)矩形電子數(shù)顯傾角儀

圖3 方盒電子數(shù)顯傾角儀

4 數(shù)顯傾角儀的校準(zhǔn)方法

通過(guò)對(duì)數(shù)顯傾角儀的特點(diǎn)和常見(jiàn)形式的介紹，數(shù)顯傾角儀的校準(zhǔn)項(xiàng)目包括零值誤差、漂移、示值誤差和測(cè)角重復(fù)性，以下將對(duì)四個(gè)參數(shù)的校準(zhǔn)進(jìn)行逐一介紹。

4.1 零值誤差[2]

4.1.1 下平面工作面為基準(zhǔn)的零值誤差

將儀器放置在調(diào)至水平儀零位檢定器的工作臺(tái)上[2]，讀取其示值，然后將其在原位上調(diào)轉(zhuǎn)180°，讀取其示值。當(dāng)兩次讀數(shù)值均超過(guò)一個(gè)分辨力時(shí)，按其相關(guān)說(shuō)明書(shū)的調(diào)整方法調(diào)整儀器至上述兩次操作讀數(shù)值均滿足在一個(gè)分辨力內(nèi)。儀器的顯示值為零值誤差。

4.1.2 下V形工作面為基準(zhǔn)的零值誤差

測(cè)量前將芯軸固定在水平儀零位檢定器的工作臺(tái)面上[2]，再將傾角儀放置在芯軸上校準(zhǔn)，然后按4.1.1的方法測(cè)量，計(jì)算出零值誤差。

4.2 漂移

儀器預(yù)熱穩(wěn)定后，將儀器置于帶校準(zhǔn)平臺(tái)的光學(xué)分度頭裝置測(cè)量范圍內(nèi)的任一示值，每隔5min觀察1次示值，記錄實(shí)測(cè)值，觀察3次，示值間最大值與最小值之差即為儀器的漂移。

4.3 示值誤差

將帶校準(zhǔn)平臺(tái)的光學(xué)分度頭裝置安置在穩(wěn)定、可靠的工作臺(tái)上，調(diào)整校準(zhǔn)平臺(tái)的水平，要求不超過(guò)水準(zhǔn)器的一個(gè)分度，調(diào)整好光學(xué)分度頭校準(zhǔn)裝置的零值位置。將需校準(zhǔn)的數(shù)顯傾角儀吸牢在光學(xué)分度頭的校準(zhǔn)平臺(tái)上，光學(xué)分度頭的校準(zhǔn)平臺(tái)分別順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至相應(yīng)的校準(zhǔn)點(diǎn)，每次改變量依據(jù)傾角儀的量程選取，在量程范圍內(nèi)至少校準(zhǔn)5個(gè)位置，待示值穩(wěn)定后讀取被校數(shù)顯傾角儀相應(yīng)的示值，重復(fù)測(cè)量3次。按公式（1）分別計(jì)算被校數(shù)顯傾角儀示值誤差。

4.4 測(cè)量重復(fù)性

在相同的測(cè)量條件下，在“3.3數(shù)顯傾角儀示值誤差”的校準(zhǔn)基礎(chǔ)上，按公式（2）計(jì)算其測(cè)量重復(fù)性，測(cè)量點(diǎn)的重復(fù)性均應(yīng)滿足不超過(guò)一個(gè)分辨力要求。

5 不確定度評(píng)定

以下采用帶校準(zhǔn)平臺(tái)的高精度臥式光學(xué)分度頭對(duì)被校數(shù)顯傾角儀相應(yīng)示值進(jìn)行比較測(cè)量所得示值誤差，其測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定[3]。

5.1 測(cè)量模型

5.2 方差和靈敏系數(shù)

5.3 不確定度分量來(lái)源

5.4 不確定度計(jì)算

分辨力為0.1°、0.05°和0.01°的數(shù)顯傾角儀測(cè)量不確定度計(jì)算結(jié)果，如表1所示。

表1 測(cè)量不確定度分量評(píng)定匯總表

6 結(jié)語(yǔ)

數(shù)顯傾角儀采用地磁傳感器或加速度傳感器對(duì)傾角進(jìn)行測(cè)量，目前市場(chǎng)數(shù)顯傾角儀的種類較多，測(cè)量規(guī)范不夠統(tǒng)一，且受其自身材料、使用環(huán)境等限制，數(shù)顯傾角儀的使用壽命和精度往往會(huì)受多方面影響。若長(zhǎng)期不進(jìn)行校準(zhǔn)，則會(huì)出現(xiàn)無(wú)法使用，甚至出現(xiàn)其他一系列問(wèn)題。因此文中根據(jù)數(shù)顯傾角儀的特性和產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)，提出了數(shù)顯傾角儀主要4個(gè)參數(shù)的校準(zhǔn)，并提供實(shí)際校準(zhǔn)數(shù)顯傾角儀示值誤差的測(cè)量不確定度評(píng)定的分析。

在分析數(shù)顯傾角儀示值誤差分成標(biāo)準(zhǔn)不確定度時(shí)，可看出數(shù)顯量化誤差和測(cè)角重復(fù)性產(chǎn)生的不確定度分量對(duì)結(jié)果影響較大。希望該校準(zhǔn)方法能對(duì)計(jì)量部門(mén)開(kāi)展數(shù)顯傾角儀計(jì)量校準(zhǔn)工作提供參考與幫助。