幾種新型計(jì)量儀器校準(zhǔn)裝置和校準(zhǔn)方法的研究與探討

孫建

摘 要：本文主要介紹三種新型計(jì)量儀器校準(zhǔn)裝置和校準(zhǔn)方法的研究，文章中介紹的是近年來出現(xiàn)的新型計(jì)量儀器，現(xiàn)無校準(zhǔn)裝置和校準(zhǔn)方法可以依據(jù)，無法確保此類儀器計(jì)量單位的統(tǒng)一和量值的準(zhǔn)確可靠，因此需要研究制定科學(xué)合理的校準(zhǔn)裝置和校準(zhǔn)方法。

關(guān)鍵詞：校準(zhǔn)裝置;校準(zhǔn)方法;計(jì)量校準(zhǔn);計(jì)量特性

中圖分類號：F203 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）08-0098-02

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展，新的計(jì)量儀器不斷出現(xiàn)并應(yīng)用于各產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，各級計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)根據(jù)校準(zhǔn)工作的實(shí)際需要，研究和制定此類儀器的校準(zhǔn)方法和依據(jù)，設(shè)計(jì)和研制開展此類儀器校準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)具備的校準(zhǔn)裝置，從而完善此類儀器量值溯源體系，確保這些新型計(jì)量儀器經(jīng)計(jì)量機(jī)構(gòu)校準(zhǔn)后測量數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確可靠。筆者在近幾年的工作中對智能計(jì)數(shù)器、頂板動(dòng)態(tài)儀標(biāo)準(zhǔn)器、建筑工程質(zhì)量檢測器組（垂直度檢測尺）等幾種新型計(jì)量儀器主要技術(shù)參數(shù)如何校準(zhǔn)進(jìn)行了深入分析，以下是對各儀器校準(zhǔn)方法以及校準(zhǔn)裝置的研究介紹，與大家共同進(jìn)行探討。

1智能計(jì)數(shù)器校準(zhǔn)裝置和校準(zhǔn)方法的研究

智能計(jì)數(shù)器是同增量式旋轉(zhuǎn)編碼器、旋轉(zhuǎn)光柵等雙相脈沖發(fā)生器配合，用于角度、直線位移、轉(zhuǎn)速或線速等物理量的測量。也可用于單相脈沖、NPN及PNP型電壓脈沖、TTL電平脈沖等的信號輸入。采用高效的抗抖動(dòng)技術(shù)，保證在任何情況下不會誤計(jì)脈沖數(shù)。很高的跟蹤速度：>100k脈沖數(shù)/秒，5位數(shù)據(jù)顯示19999～99999，小數(shù)點(diǎn)位置任意調(diào)整，加、減計(jì)數(shù)由用戶設(shè)定，可設(shè)定自動(dòng)清零功能，高精度4～20mA模擬量輸出（16位D/A）、兩路（或三路）接點(diǎn)輸出、S232C或RS485串行接口輸出，具有外部輸入和按鍵啟動(dòng)、停止、復(fù)位功能，及全自動(dòng)計(jì)數(shù)功能。

智能計(jì)數(shù)器校準(zhǔn)裝置由萬能工具顯微鏡、圓形米字線分劃板組成。此裝置關(guān)鍵就是將自制的圓形米字線分劃板固定在智能計(jì)數(shù)器編碼器的轉(zhuǎn)動(dòng)軸的上端面上，圓形米字線分劃板的直徑應(yīng)與編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)軸的直徑相等。通過萬能工具顯微鏡和自制的圓形米字分劃板為校準(zhǔn)智能計(jì)數(shù)器的角度偏差提供一種新的校準(zhǔn)方法，該方法操作方便、保證精度、數(shù)據(jù)可靠。

智能計(jì)數(shù)器校準(zhǔn)方法：（1）通過萬能工具顯微鏡的三個(gè)底腳調(diào)整螺釘對萬能工具顯微鏡進(jìn)行調(diào)平，觀察底座上的圓水泡居中即可。（2）檢查智能計(jì)數(shù)器編碼器的上端面和底面是否平整光滑，否則應(yīng)進(jìn)行處理保持上端面和底面的光滑平整。然后將自制的圓形米子線字分劃板固定在智能計(jì)數(shù)器編碼器的上端面上。（3）將智能計(jì)數(shù)器編碼器放在萬能工具顯微鏡的玻璃工作臺的中央位置并加以固定，如果固定不好將帶來附加誤差。通過萬能工具顯微鏡立臂轉(zhuǎn)動(dòng)手輪上下調(diào)整使圓形米字線分劃板在測角目鏡理成像清晰，同時(shí)在測角目鏡里觀察并調(diào)整萬能工具顯微鏡底座上X方向和Y方向滑板使得圓形米字線分劃板像的中心與測角目鏡里的米字線分劃板的中心重合。這時(shí)，編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)軸心與圓形米子線分劃板中心、測角目鏡十字線分劃板中心是重合的。（4）對智能計(jì)數(shù)器的角度偏差進(jìn)行校準(zhǔn)。先將測角目鏡里的米字線分劃板調(diào)到零刻度，再將測角目鏡米字線分劃板的豎線和橫線與編碼器上的米字線分劃板的豎線和橫線對準(zhǔn)重合。然后將智能計(jì)數(shù)器顯示器上的數(shù)字也調(diào)整到零刻度值，轉(zhuǎn)動(dòng)編碼器的轉(zhuǎn)動(dòng)軸通過對智能計(jì)數(shù)器顯示器進(jìn)行觀察分別對智能計(jì)數(shù)器的90°、180°、270°、360°四個(gè)位置進(jìn)行校準(zhǔn)，每轉(zhuǎn)動(dòng)到一個(gè)角度位置時(shí)通過測角目鏡里的米字線分劃板與圓形米字線分劃板的像重新對準(zhǔn)得到智能計(jì)數(shù)器相對應(yīng)的偏差值，偏差值從測角目鏡里讀數(shù)窗得到。例如，在90°時(shí)的偏差值為：δ=讀數(shù)值-90°。該校準(zhǔn)裝置還可以對智能計(jì)數(shù)器進(jìn)行測量重復(fù)性試驗(yàn)，以驗(yàn)證智能計(jì)數(shù)器測量結(jié)果可靠性。試驗(yàn)方法是：對智能計(jì)數(shù)器的45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°、360°八個(gè)位置進(jìn)行校準(zhǔn)，對準(zhǔn)方式與校準(zhǔn)角度偏差時(shí)一樣。校準(zhǔn)到360°時(shí)應(yīng)返回再間隔45°進(jìn)行校準(zhǔn)。每個(gè)位置的正反測量值取平均值，將八個(gè)平均讀數(shù)值按照白塞爾公式進(jìn)行計(jì)算，得到智能計(jì)數(shù)器測量重復(fù)性試驗(yàn)的一測回標(biāo)準(zhǔn)偏差值。

2頂板動(dòng)態(tài)儀標(biāo)準(zhǔn)器的校準(zhǔn)方法和校準(zhǔn)裝置的研究

頂板動(dòng)態(tài)儀標(biāo)準(zhǔn)器是由電腦程控測量過程，自動(dòng)處理測量數(shù)據(jù);通過電機(jī)帶動(dòng)精密絲桿來進(jìn)行傳動(dòng)，以精密絲桿作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器。頂板動(dòng)態(tài)儀標(biāo)準(zhǔn)器主要用于分度值為0.04mm，工作行程為（0～200）mm的礦用頂板動(dòng)態(tài)儀的示值誤差和回程誤差校準(zhǔn)工作。

由我單位作為主要起草單位完成了山東省地方校準(zhǔn)規(guī)范《頂板動(dòng)態(tài)儀校準(zhǔn)規(guī)范》研究和制定工作，但由于時(shí)間緊任務(wù)重，對頂板動(dòng)態(tài)儀標(biāo)準(zhǔn)器計(jì)量特性的校準(zhǔn)只規(guī)定了技術(shù)要求和校準(zhǔn)其示值誤差所需要的標(biāo)準(zhǔn)器及配套設(shè)備等，而對頂板動(dòng)態(tài)儀標(biāo)準(zhǔn)器計(jì)量特性校準(zhǔn)方法沒有作進(jìn)一步的研究和制定。為了規(guī)范頂板動(dòng)態(tài)儀標(biāo)準(zhǔn)器計(jì)量特性的校準(zhǔn)方法，保證頂板動(dòng)態(tài)儀標(biāo)準(zhǔn)器計(jì)量單位的統(tǒng)一和量值溯源的準(zhǔn)確可靠，需要對頂板動(dòng)態(tài)儀標(biāo)準(zhǔn)器計(jì)量特性的校準(zhǔn)方法作進(jìn)一步的規(guī)范和制定。筆者在大量實(shí)驗(yàn)下完成了對頂板動(dòng)態(tài)儀標(biāo)準(zhǔn)器計(jì)量特性校準(zhǔn)方法的研究和制定。

頂板動(dòng)態(tài)儀標(biāo)準(zhǔn)器校準(zhǔn)所使用的標(biāo)準(zhǔn)器及配套設(shè)備：量塊：準(zhǔn)確度等級為四等，測量范圍為（0.5～100）mm、（125～500）mm。配套設(shè)備：平面工作臺：表面粗糙度為Ra0.8μm、測微表：分度值為0.001mm、測量范圍為（0～1）mm。

頂板動(dòng)態(tài)儀標(biāo)準(zhǔn)器計(jì)量性能要求：（1）外觀及各部分相互作用：校準(zhǔn)時(shí)頂板動(dòng)態(tài)儀標(biāo)準(zhǔn)器開機(jī)工作后，依據(jù)電腦程序控制測量過程，電腦程序及手動(dòng)控制器、緊固裝置應(yīng)正常、準(zhǔn)確、有效。絲桿傳動(dòng)應(yīng)平穩(wěn)、無噪聲和振動(dòng)現(xiàn)象。（2）示值變動(dòng)性：頂板動(dòng)態(tài)儀標(biāo)準(zhǔn)器示值變動(dòng)性應(yīng)不大于0.04mm。（3）示值誤差：頂板動(dòng)態(tài)儀標(biāo)準(zhǔn)器示值誤差（0～5）mm內(nèi)應(yīng)不大于0.2mm;（0～200）mm內(nèi)應(yīng)不大于0.5mm。（4）回程誤差：頂板動(dòng)態(tài)儀標(biāo)準(zhǔn)器的回程誤差應(yīng)不大于0.1mm。

頂板動(dòng)態(tài)儀標(biāo)準(zhǔn)器校準(zhǔn)方法：（1）外觀及各部分相互作用的校準(zhǔn)：手動(dòng)試驗(yàn)與目力觀測。（2）示值變動(dòng)性的校準(zhǔn)：先將測微表測微頭與固定在校準(zhǔn)裝置上的平面工作臺接觸并調(diào)整測微表測量頭使其示值為零。電腦進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，控制測量過程。然后選擇量值為50mm、100mm、150mm、200mm的四等量塊對頂板動(dòng)態(tài)儀校準(zhǔn)裝置四個(gè)點(diǎn)的位置分別進(jìn)行10次測量，分別取其示值校準(zhǔn)結(jié)果最大值和最小值之差作為示值變動(dòng)性。（3）示值誤差的校準(zhǔn)：先將測微表測微頭與固定在頂板動(dòng)態(tài)儀校準(zhǔn)裝置上的平面工作臺接觸，調(diào)整測微表測量頭使其示值為零。電腦進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，控制測量過程。校準(zhǔn)時(shí)頂板動(dòng)態(tài)儀校準(zhǔn)裝置（0～200）mm范圍內(nèi)的示值誤差應(yīng)在正反行程上每間隔50mm進(jìn)行校準(zhǔn)，在正行程校準(zhǔn)后，需向正行程移動(dòng)5mm后，再對反向行程進(jìn)行校準(zhǔn)，在校準(zhǔn)過程中應(yīng)不做任何調(diào)整。在（0～200）mm范圍內(nèi)選取正行程示值誤差絕對值最大值作為示值誤差校準(zhǔn)結(jié)果。（0～5）mm范圍內(nèi)的示值誤差應(yīng)在（0～200）mm正行程范圍內(nèi)選擇最大值和最小值的2個(gè)位置并在該校準(zhǔn)點(diǎn)的前后間隔5mm范圍內(nèi)，即（0～10）mm范圍內(nèi)每間隔1mm進(jìn)行校準(zhǔn)，對（0～5）mm范圍內(nèi)的示值誤差以正行程內(nèi)示值誤差絕對值最大值作為示值誤差的校準(zhǔn)結(jié)果。（4）回程誤差的校準(zhǔn)：選取6.3.1校準(zhǔn)數(shù)據(jù)中的各校準(zhǔn)點(diǎn)在正、反行程上各校準(zhǔn)點(diǎn)讀數(shù)之差的絕對值作為受校準(zhǔn)點(diǎn)的回程誤差，取每個(gè)受校準(zhǔn)點(diǎn)回程誤差中的最大值作為回程誤差的校準(zhǔn)結(jié)果。

3建筑工程質(zhì)量檢測器組的校準(zhǔn)方法和校準(zhǔn)裝置的研究

建筑工程質(zhì)量檢測器組中所指的垂直度檢測尺（以下簡稱垂直度檢測尺）主要用于建筑物墻面垂直度檢測，是建筑工程中使用頻率很高的計(jì)量器具。垂直度檢測尺為展開式結(jié)構(gòu)，展開為2m合攏為1m。

垂直度檢測尺用于1m建筑物墻面垂直度檢測時(shí)，推下指示表蓋、紅色活動(dòng)銷蓋向上推，將垂直度檢測尺左側(cè)面緊靠被測建筑物墻面，觀察紅色活動(dòng)銷外露3～5mm擺動(dòng)靈活即可。檢測建筑物墻面垂直度時(shí)要等待指示表指針自行停止擺動(dòng)后讀取指針?biāo)缚潭戎?，此刻度值是被測建筑物墻面1m時(shí)的垂直度誤差（垂直度檢測尺指示表的分度值分別為1mm/2m、1mm/1m）。2m檢測時(shí)，將垂直度檢測尺展開后緊鎖連接扣，檢測方法與1m時(shí)相同。

垂直度檢測尺是對建筑物墻面的垂直度進(jìn)行檢測，因此，垂直度檢測尺的零值誤差也應(yīng)該是其主要計(jì)量性能指標(biāo)。JJF1110-2003建筑工程質(zhì)量檢測器組校準(zhǔn)規(guī)范中6.1.4關(guān)于垂直度檢測尺示值誤差的校準(zhǔn)要求并沒有提到對零值誤差進(jìn)行校準(zhǔn)，而建筑工程質(zhì)量檢測器組垂直度檢測尺的零位是反映被測建筑物墻面垂直度最常用的計(jì)量性能指標(biāo)。筆者認(rèn)為應(yīng)該對垂直度檢測尺的零值誤差進(jìn)行校準(zhǔn)，通過對垂直度檢測尺零位示值誤差進(jìn)行校準(zhǔn)才能確定垂直度檢測尺在90°位置時(shí)誤差是多少。通過實(shí)驗(yàn)、研究、設(shè)計(jì)并建立一個(gè)校準(zhǔn)裝置對垂直度檢測尺的零值誤差進(jìn)行校準(zhǔn)，建立此校準(zhǔn)裝置精度高、操作方便、工作效率高，是一種快速校準(zhǔn)零值誤差的科學(xué)方法。

建筑工程質(zhì)量檢測器組（垂直度檢測尺）校準(zhǔn)裝置是由鉛垂器（由支架、鉛錘、垂線組成，垂線用直徑不超過1mm的尼龍線，支架高度為2.5m金屬材料）;金屬工作臺（工作臺表面粗糙度：Ra0.8μm，有三個(gè)可調(diào)整螺釘支撐金屬工作臺）;阻尼器（由玻璃油杯和變壓器油組成）。配套設(shè)備：夾具2個(gè)（固定在金屬工作臺上）;200mm鋼直尺。通過支架、鉛垂器、阻尼器建立一個(gè)垂直度標(biāo)準(zhǔn)器。鉛垂通過懸掛在支架上方的垂線穿過金屬工作臺的小孔沉降到阻尼器中，阻尼器中的變壓器油主要是增加阻尼防止垂線擺動(dòng)對垂線起到穩(wěn)定作用，以保證垂直度標(biāo)準(zhǔn)器所建立的垂直度標(biāo)準(zhǔn)90°值的準(zhǔn)確可靠。

建筑工程質(zhì)量檢測器組（垂直度檢測尺）的校準(zhǔn)方法：先將金屬工作臺調(diào)整：通過合像水平儀、金屬工作臺底下的調(diào)整螺釘將金屬工作臺調(diào)整到水平狀態(tài)。將支架放到金屬工作臺附近，垂線及鉛垂懸掛在支架上并將鉛垂穿過金屬工作臺的小孔沉降到阻尼器中平衡1h以上觀察垂線無晃動(dòng)即可。將垂直度檢測尺展開并鎖緊，然后放在金屬工作臺上并與支架上的懸掛的鉛垂線靠近（注意不要觸碰鉛垂線），用眼睛觀察垂直度檢測尺上下固定支點(diǎn)與垂線留有一縫隙即可，然后用金屬工作臺上面的2個(gè)夾具將垂直度檢測尺固定。零值誤差校準(zhǔn)：首先通過200mm鋼直尺測量垂直度檢測尺的上下固定支點(diǎn)與鉛垂線之間的縫隙寬度是否相等，如果不相等可通過金屬工作臺底下的調(diào)整螺釘對垂直度檢測尺進(jìn)行調(diào)整至上下固定支點(diǎn)與垂線的縫隙寬度相等為止，這時(shí)垂直度標(biāo)準(zhǔn)器的標(biāo)準(zhǔn)值可認(rèn)為是90°（誤差可忽略不計(jì)），再觀察垂直度檢測尺指示表的指針否偏離零位，如果指針偏離零位則零值誤差等于示值（偏離值）減去標(biāo)準(zhǔn)值。參照J(rèn)JF1110-2003建筑工程質(zhì)量檢測器組校準(zhǔn)規(guī)范6.1.4關(guān)于垂直度檢測尺示值誤差的要求規(guī)定，零值誤差應(yīng)不大于±0.5mm/2m。