垂直度檢測(cè)尺校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)與研究

徐 芳，龔云濤，齊 飛

（1.武漢市計(jì)量測(cè)試檢定（研究）所，湖北 武漢 430050；2.湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司武漢卷煙廠，湖北 武漢 430040）

垂直度檢測(cè)尺是建筑工程質(zhì)量檢測(cè)器組中的裝置之一，主要用于建筑物墻面的垂直度測(cè)量，由測(cè)桿、指示表、活動(dòng)銷、握尺、連接扣和靠腳等組成。垂直度檢測(cè)尺是可折疊式結(jié)構(gòu)，合攏時(shí)工作長(zhǎng)度為1 m，將檢測(cè)尺兩端靠腳和中間靠腳緊貼被測(cè)面，指針讀數(shù)為指示表下行刻度數(shù)值，分辨率為1 mm/m；展開(kāi)時(shí)工作長(zhǎng)度為2 m，將上下靠腳緊貼被測(cè)面，指針讀數(shù)為指示表上行刻度數(shù)值，分辨率為1 mm/2 m。

垂直度檢測(cè)尺的校準(zhǔn)依據(jù)JJF 1110—2003 建筑工程質(zhì)量檢測(cè)器組校準(zhǔn)規(guī)范，其示值誤差規(guī)定為±0.5 mm/2 m；示值變動(dòng)量規(guī)定為在2 m 的長(zhǎng)度上不大于0.1 mm[1]。建筑工程質(zhì)量檢測(cè)器組校準(zhǔn)規(guī)范中提供了校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，利用固定測(cè)砧固定垂直度檢測(cè)尺的上靠腳，旋轉(zhuǎn)測(cè)微頭接觸下靠腳，讀取示值。但由于測(cè)量示值誤差時(shí)，測(cè)量尺為展開(kāi)狀態(tài)，上下靠腳距離為2 m，長(zhǎng)度跨距大，導(dǎo)致校準(zhǔn)操作不便利。另外，因檢測(cè)尺與校準(zhǔn)裝置的接觸是檢定員通過(guò)手壓施力，當(dāng)跨度過(guò)大時(shí)，難以保證接觸間隙滿足要求，影響測(cè)量重復(fù)性[2]。因此，亟須對(duì)校準(zhǔn)裝置進(jìn)行更為精細(xì)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)，以滿足實(shí)際工作需要。

1 垂直度檢測(cè)尺校準(zhǔn)方法

垂直度檢測(cè)尺測(cè)量時(shí)是利用物體重心向下的原理，通過(guò)上下測(cè)桿的折疊和展開(kāi)分別顯示1 m 或2 m 工作狀態(tài)時(shí)，上下靠腳所貼合的被測(cè)面偏離鉛垂面的程度。校準(zhǔn)步驟如下。

首先，校準(zhǔn)垂直度檢測(cè)尺示值變動(dòng)量。固定檢測(cè)尺后，調(diào)節(jié)測(cè)微頭到零位、調(diào)節(jié)指示表指針到零位，前后旋轉(zhuǎn)測(cè)微頭使指示表指針發(fā)生偏離后，再重新將測(cè)微頭旋至零位，觀察指示表指針讀數(shù)[3]。前后各5 次，示值的最大值和最小值之差為示值變動(dòng)量。

其次，校準(zhǔn)垂直度檢測(cè)尺的示值誤差。固定檢測(cè)尺后，在量程范圍內(nèi)均勻選擇5 個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)，依次旋轉(zhuǎn)測(cè)微頭至正負(fù)示值，在檢測(cè)尺上靠腳不變的情況下，讓下靠腳在鉛直平面內(nèi)發(fā)生偏離，以此分別校準(zhǔn)指示表左右刻度值是否準(zhǔn)確。

需要注意的是，校準(zhǔn)裝置要保證垂直度檢測(cè)尺能復(fù)現(xiàn)自然鉛垂?fàn)顟B(tài)，同時(shí)能設(shè)定偏離值，以檢驗(yàn)垂直度檢測(cè)尺是否能夠準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)出偏離鉛垂面的標(biāo)準(zhǔn)值。

2 校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)

校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)需要滿足兩個(gè)條件：一是校準(zhǔn)裝置能約束垂直度檢測(cè)尺豎直方向的自由度。檢測(cè)尺豎直方向的自由度被約束，能解決人工對(duì)垂直度檢測(cè)尺施壓導(dǎo)致的靠腳和被測(cè)面間隙難以控制的情況，且大大降低了校準(zhǔn)尺工作距離大帶來(lái)的校準(zhǔn)操作難度；二是校準(zhǔn)裝置能保證垂直度檢測(cè)尺相對(duì)于鉛垂面左右擺動(dòng)的情況。在檢測(cè)尺處于自然鉛垂?fàn)顟B(tài)時(shí)，測(cè)微頭要能夠兩邊旋轉(zhuǎn)推動(dòng)檢測(cè)尺前后擺動(dòng)，以保證指示表的正負(fù)都能被校準(zhǔn)。

針對(duì)上述要求，設(shè)計(jì)了一種夾持裝置，見(jiàn)圖1。將該夾持裝置套裝在垂直度檢測(cè)尺最上端，平行于上靠腳的水平位置有兩圓柱形裝夾螺栓，可放置在校準(zhǔn)裝置的V 型槽固定裝置上，圓柱配合V 型槽轉(zhuǎn)動(dòng)，利用重心向下的原理，可以保證當(dāng)垂直度檢測(cè)尺處于自然鉛垂?fàn)顟B(tài)。V 型槽固定裝置為垂直度檢測(cè)尺提供豎直方向的支撐，同時(shí)還提供繞X 軸方向的旋轉(zhuǎn)自由度，從而保證其能穩(wěn)定懸掛在校準(zhǔn)裝置上，保證測(cè)出數(shù)據(jù)的重復(fù)性。

數(shù)顯測(cè)微頭固定在升降平臺(tái)上（見(jiàn)圖2），可以上下調(diào)節(jié)測(cè)微頭在豎直方向上的高度，以滿足不同型號(hào)、不同長(zhǎng)度的垂直度檢測(cè)尺的校準(zhǔn)需要。測(cè)微頭能提供正負(fù)方向的偏移距離，實(shí)現(xiàn)垂直度檢測(cè)尺在鉛垂面的零位復(fù)現(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)值復(fù)現(xiàn)，從而進(jìn)行示值誤差的校準(zhǔn)。

圖1 垂直度檢測(cè)尺夾持裝置圖

圖2 測(cè)微頭支撐裝置圖

3 不確定度分析

依據(jù)JJF 1110—2003 建筑工程質(zhì)量檢測(cè)器組校準(zhǔn)規(guī)范[1]，對(duì)該垂直度檢測(cè)尺校準(zhǔn)裝置示值誤差的測(cè)量結(jié)果不確定度進(jìn)行評(píng)估[4-5]。

3.1 建立測(cè)量模型

由測(cè)量原理和方法，得到測(cè)量模型[4-5]為

式中：Δ 為垂直度檢測(cè)尺示值誤差，mm/2 m；A 為被校準(zhǔn)垂直度檢測(cè)尺指示表的讀數(shù)值，mm/2 m；A0為測(cè)微頭示數(shù)值，mm/2 m。

3.2 方差和靈敏系數(shù)

依照

得

其中，c（A）=?Δ/?A=1，c（A0）=?Δ/?A0=-1。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量評(píng)定

3.3.1 與儀器讀數(shù)有關(guān)的不確定度分量u（A）

1） 由垂直度檢測(cè)尺讀數(shù)時(shí)的量化誤差引入不確定度分量u（A1）。分辨力為0.2 mm/2 m 的垂直度檢測(cè)尺指示表讀數(shù)時(shí)的量化誤差以等概率出現(xiàn)在半寬為0.1 mm/2 m 的區(qū)間內(nèi)，故引入不確定度分量u（A1），u（A1）=0.1 mm/=0.058 mm/2 m。

2） 由測(cè)量重復(fù)性引入不確定度分量u（A2）。對(duì)于測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量，在量程范圍內(nèi)選擇中間點(diǎn)9 mm/2 m 作為校準(zhǔn)點(diǎn)，在重復(fù)性條件下連續(xù)測(cè)量10 次，得到測(cè)量列8.8 mm/2 m，8.9 mm/2 m，9.0 mm/2 m，9.2 mm/2 m，8.9 mm/2 m，9.0 mm/2 m，9.1 mm/2 m，9.0 mm/2 m，9.2 mm/2 m，9.0 mm/2 m，則平均值為9.01 mm/2 m。

由貝塞爾公式求單次測(cè)得值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算公式為由重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u（A2）計(jì)算公式為

由于量化誤差大于測(cè)量重復(fù)性，故與儀器讀數(shù)有關(guān)的不確定度分量u（A）取測(cè)量重復(fù)性，得u（A）=0.058 mm/2 m。

3.3.2 與校準(zhǔn)裝置有關(guān)的不確定度分量u（A0）

校準(zhǔn)裝置引入的不確定度主要由數(shù)顯測(cè)微頭的示值誤差引入，限數(shù)顯測(cè)微頭的最大允許誤差為±0.01 mm，按均勻分布，取包含因子k=0.01 mm/則u（A0）=0.01 mm

3.3.3 與裝配關(guān)系有關(guān)的不確定度分量u（Acp）

被檢的垂直度檢測(cè)尺裝夾固定在校準(zhǔn)裝置上時(shí)，圓柱形裝夾螺栓需與上靠腳在同一水平線上。由于是人工操作，故而會(huì)有上下偏差影響。設(shè)定此因素的最大允許誤差為±0.1 mm/2 m，并假定其影響為均勻分布，故裝配關(guān)系引入的不確定度分量為

3.4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

垂直度檢測(cè)尺示值誤差的測(cè)量結(jié)果不確定度分量匯總見(jiàn)表1。

表1 不確定度分量一覽表

上述各不確定度分量間沒(méi)有值得考慮的相關(guān)性，因此合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

3.5 擴(kuò)展不確定度

取包含因子k=2，則有U=kuc=2×0.082 mm/2 m=0.16 mm/2 m。

4 結(jié)束語(yǔ)

按照J(rèn)JF 1110—2003 建筑工程質(zhì)量檢測(cè)器組校準(zhǔn)規(guī)范要求，垂直度檢測(cè)尺的示值誤差為±0.5 mm/2 m；通過(guò)上文的分析計(jì)算可知，校準(zhǔn)結(jié)果的擴(kuò)展不確定度U=0.16 mm/2 m，k=2。由U=0.16 mm/2 m≤1/3 MPEV=0.17 mm/2 m 可知，該方法滿足垂直度檢測(cè)尺示值誤差校準(zhǔn)的要求，校準(zhǔn)結(jié)果質(zhì)量可靠，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可信。