鋼卷尺測量臺的校準方法

徐文劼 陳浩 虞瓊?cè)A / 上海市計量測試技術(shù)研究院

0 引言

2015年8月，新修訂的JJG 4-2015《鋼卷尺》檢定規(guī)程經(jīng)國家質(zhì)檢總局批準，自2016年2月起實施。由于舊規(guī)程已經(jīng)使用了14年，期間計量器具的生產(chǎn)技術(shù)、執(zhí)行標準和使用要求都有了較大改變。為此新規(guī)程進行了一些修改、增加和刪除，尤其針對測量臺標準裝置又提出了很多新的要求。

伴隨新檢定規(guī)程的實施，近兩年許多檢定校準機構(gòu)、區(qū)縣計量所、科研院所和企業(yè)也進行了相關(guān)設備的采購和升級來助力制造檢測生產(chǎn)水平的提升，其中不乏一些半自動或全自動的新型設備。由于鋼卷尺檢定的業(yè)務量大，開展檢測的機構(gòu)多，業(yè)界存在大量自動或手動鋼卷尺測量臺需要定期進行溯源。2016年組織的鋼卷尺示值誤差CNAS能力驗證中，有十多家單位的比對結(jié)果En值大于1，比對結(jié)果不滿意占參與者的12.2%。經(jīng)過后續(xù)分析，發(fā)現(xiàn)測量臺的計量性能對示值誤差有很大影響，這一現(xiàn)象已經(jīng)影響了機構(gòu)正常的檢定校準工作，需要研究制定出一套有針對性的校準方法。

1 現(xiàn)狀與需求

長期以來，大部分機構(gòu)采購卷尺測量臺（見圖1）后，只對標準鋼卷尺進行檢定，對配套設備僅做功能性檢查。實際檢定工作中，測量臺導軌的直線度、張緊力的施加、讀數(shù)鏡頭的準確度、被測鋼卷尺與標準鋼卷尺的平行度、零值誤差檢定器的準確度等要素都會影響檢定結(jié)果。JJG 4-2015中對鋼卷尺檢定設備的性能提出了詳細的技術(shù)指標和要求。若僅對標準鋼卷尺進行檢定，難以保證整套設備的技術(shù)特性達到要求。

圖1 卷尺測量臺

2 校準方法及誤差分析

2.1 標準鋼卷尺的分段測量及誤差分析

對標準鋼卷尺的檢定一般使用激光干涉儀。將標準鋼卷尺平鋪于檢定臺上，施加規(guī)定的拉力使其張緊，通過激光干涉儀對尺身的標尺間隔和示值誤差等項目進行檢定。

標準鋼卷尺安裝于鋼卷尺測量臺上，完成固定后一般不可隨意移動，這是作為檢定鋼卷尺的主標準器。檢定時將標準鋼卷尺與被測鋼卷尺平行地平鋪在測量臺上，通過目力觀察或用讀數(shù)顯微鏡比對兩者的線紋分度。

測量臺的長度一般為5 m，假設被測鋼卷尺長度為20 m，則需要分4段進行測量，此過程中每段測量都會由標準鋼卷尺重復測量引入同一誤差。

已知標準鋼卷尺的擴展測量不確定度為

U= （5 + 5L）×10-3mm（k= 2）

分段測量中各段合成不確定度分量為正相關(guān)，測量長度L處的不確定度分量u(ΔL)如表1所示。

表1 分段測量中各段不確定度分量

2.2 固定基面和尺鉤槽的安裝及誤差分析

檢定鋼卷尺時需要將標準鋼卷尺和被測鋼卷尺的尺帶平行地平鋪在卷尺測量臺上。如圖1中A向視圖所示。標準鋼卷尺緊靠固定基面安裝，被測鋼卷尺的尺鉤卡入與固定基面垂直的尺鉤槽，以此保證兩者沿尺帶方向的平行度。為了在檢定過程中確保該平行度，應對固定基面和尺鉤槽的夾角進行測量。測量中可以選用合適的萬能角度尺或角度規(guī)，將萬能角度尺的直尺邊和測量面分別與被測固定基面及尺鉤槽相貼合，測出兩者的角度誤差。

假設固定基面與尺鉤槽的垂直度存在誤差，引起的平行度誤差為±2 mm/m。以5 m長的鋼卷尺為例，根據(jù)余弦定理，可能引起沿尺帶方向測量誤差為0.01 mm，該誤差服從均勻分布，包含因子k為那么由固定基面和尺鉤槽垂直度誤差引入的標準不確定度分量u(Δe0)為

2.3 讀數(shù)顯微鏡的使用及誤差分析

檢定I級鋼卷尺及測深鋼卷尺使用讀數(shù)顯微鏡讀數(shù)；檢定II級鋼卷尺，當檢定員目力觀察存在疑問時，仍需要使用讀數(shù)顯微鏡進行測量。根據(jù)上述分析，必須對讀數(shù)顯微鏡進行校準，該項目校準一般使用測量不確定度不大于讀數(shù)顯微鏡最大允許誤差1/4的玻璃線紋尺或掩模板，使玻璃線紋尺的線紋處于讀數(shù)顯微鏡視場內(nèi)的測量位置，顯微鏡測得值與尺身標準值之差為顯微鏡的測量誤差。

檢定II級鋼卷尺時，受檢點偏差由目力估讀，測量時人眼分辨力大致為0.1 mm，由于一次測量帶有兩次人眼分辨力誤差，包含因子k為故人眼分辨力引起的標準不確定度分量u(Δe1)為

檢定I級鋼卷尺及測深鋼卷尺時，需用最大允許誤差為±0.01 mm的讀數(shù)顯微鏡進行讀數(shù)。由讀數(shù)顯微鏡引入的標準不確定度分量u(Δe2)為

2.4 砝碼施加的拉力及誤差分析

鋼卷尺檢定時，需對被測鋼卷尺和標準鋼卷尺分別施加一個拉力使其張緊在測量臺上。這個力一般通過配套的砝碼施加，檢定規(guī)程中對張緊力的要求為：檢定臺長度小于20 m時施加張緊力為（49±0.5）N；根據(jù)尺砣質(zhì)量檢定測深鋼卷尺時的張緊力分別為（15.7±0.3）N 或（9.8±0.3）N，要求配備10 kg、5 kg、1.6 kg和1 kg的砝碼。標稱長度小于 5 m 的弧形尺帶卷尺，檢定時張緊力不作規(guī)定。

為確保被檢尺和標準尺所受拉力符合檢定規(guī)程的要求，需對標準砝碼及加力機構(gòu)進行定期校準和檢查。砝碼有其對應的檢定規(guī)程，可按相關(guān)規(guī)定對配套的砝碼進行檢定。根據(jù)檢定規(guī)程要求，張緊力允許的偏差范圍為±0.5 N，換算成砝碼的質(zhì)量偏差為±0.05 kg，因此需要注意檢定后的砝碼是否符合鋼卷尺檢定規(guī)程的使用要求。要確認尺身受到的張緊力，可在鋼絲與鋼卷尺之間加裝拉力計，測出鋼卷尺實際受力情況。

圖1所示的是典型的鋼卷尺測量臺，使用中應定期對滑輪和鋼絲進行功能性檢查，防止滑輪機構(gòu)滯澀或鋼絲無法正常受力，影響檢定工作。

由拉力引起的誤差為

δ=L×103×Δp/(9.8EF)

式中：L——鋼卷尺的長度；

Δp——拉力偏差，由規(guī)程 JJG 741-2005《標準鋼卷尺》知Δp≤0.5 N；

E——彈性系數(shù)，E= 20 000 kg/mm2；

F——鋼卷尺的橫截面積，該尺的橫截面寬度為 12 mm，其厚度為 0.22 mm（F= 12×0.22 mm2）

δ= 9.66×10-4L

拉力偏差Δp以相等的概率出現(xiàn)在半寬為0.5 N的區(qū)間，認為其服從均勻分布，包含因子k取 。由于被檢鋼卷尺和標準鋼卷尺都需加一定的拉力，故拉力誤差在5 m測量過程中存在兩次影響。由張緊力誤差引起的標準不確定度分量u(Δe3)為

2.5 零位檢定器的使用及誤差分析

對測深鋼卷尺的零值誤差進行檢定時，需要使用零值誤差檢定器，其外觀如圖2所示。

使用時將被測尺砣的端面與檢定器的零位擋板靠緊，對尺帶施加規(guī)定的張緊力，同時在500 mm線紋處讀出零值誤差。

鋼卷尺檢定規(guī)程中對測深鋼卷尺零值檢定器的要求為MPE：±0.15 mm。為滿足要求，可使用合適的校對標尺對零值檢定器進行校準（見圖3），校準需要給出300 mm、400 mm和500 mm處的示值誤差和相應的測量不確定度。

圖2 零值誤差檢定器

圖3 零值檢定器的校對標尺

2.6 合成標準及擴展不確定度

基于上述校準項目的影響量，對于5 m的鋼卷尺，測量臺的合成標準不確定度為：

I級鋼卷尺

II級鋼卷尺

相應的擴展不確定度為：

I級鋼卷尺UI= 0.09 mm（k= 2）

II級鋼卷尺UII= 0.04 mm（k= 2）

3 結(jié)語

鋼卷尺是最為常見的通用量具，相關(guān)檢定工作量大面廣，鋼卷尺測量臺承擔著繁重的檢測任務。對設備的保養(yǎng)維護和定期校準，是保障檢測工作平穩(wěn)有序開展的重要環(huán)節(jié)。目前還有大量開展相關(guān)檢測業(yè)務的機構(gòu)未加入CNAS能力驗證計劃，對測量臺整體的校準未給予足夠重視。隨著檢測技術(shù)的發(fā)展，目前鋼卷尺測量臺種類繁多，全自動、半自動型鋼卷尺測量臺也已逐漸興起，檢測市場需求日益擴大，相關(guān)領(lǐng)域的研究也需與時俱進，為鋼卷尺檢測臺的標準化工作指明方向。