超大量程數(shù)顯千分表校準(zhǔn)方法及測量不確定度分析

權(quán)伊明 張濤 胡偉強(qiáng)

中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所 遼寧 沈陽 110001

引言

隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，數(shù)顯千分表以其超大量程、高精度、高穩(wěn)定性用于機(jī)械加工及試驗測試技術(shù)，用以檢測被加工零件的尺寸形位偏差及試驗數(shù)據(jù)的測試。為保證檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要對數(shù)顯千分表進(jìn)行周期檢定校準(zhǔn)，檢定校準(zhǔn)的依據(jù)為JJG34-2008《指示表（百分表和千分表）檢定規(guī)程》[1]。在JJG34-2008《指示表（百分表和千分表）檢定規(guī)程》中，規(guī)定數(shù)顯千分表的量程檢定范圍不大于10mm，對量程大于10mm的數(shù)顯千分表的檢定校準(zhǔn)方法和示值誤差沒有詳細(xì)論述。為完成超大量程數(shù)顯千分表（量程：0～150mm）的校準(zhǔn)，通過生產(chǎn)實踐，設(shè)計了分量程校準(zhǔn)方式對超大量程數(shù)顯千分表進(jìn)行校準(zhǔn)。即量程在（0～10）mm內(nèi)，按JJG34-2008《指示表（百分表和千分表）檢定規(guī)程》的規(guī)定進(jìn)行校準(zhǔn)，采用絕對測量方式。對10mm以外的量程采用以三等量塊為基準(zhǔn)，以阿貝比長儀臺架為輔助數(shù)顯千分表裝夾機(jī)構(gòu)，采用比對測量方式進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)完成后，對兩種測量方式的測量不確定度進(jìn)行分析評定。

1 超大量程數(shù)顯千分表校準(zhǔn)方法

1.1 量程（0～10）mm內(nèi)校準(zhǔn)方法

測量標(biāo)準(zhǔn)儀器：全自動光柵式指示表檢定儀，測量范圍（0～50）mm，全程范圍內(nèi)示值誤差不大于6μm，任意30mm范圍內(nèi)示值誤差不大于3μm，任意10mm 范圍內(nèi)示值誤差不大于2μm，任意2mm范圍內(nèi)示值誤差不大于1.5μm，任意1mm范圍內(nèi)示值誤差不大于1μm。

測量方法：如圖1，將數(shù)顯千分表通過夾具裝夾在光柵式指示表檢定儀上，調(diào)整其裝夾位置，使全自動光柵式指示表檢定儀滿足數(shù)顯千分表校準(zhǔn)要求[2]。通過全自動光柵式指示表檢定儀對超大量程數(shù)顯千分表（0～10）mm內(nèi)的示值誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)方法按JJG34-2008《指示表（百分表和千分表）檢定規(guī)程》執(zhí)行。

圖1 光柵式指示表檢定儀校準(zhǔn)超大量程數(shù)顯千分表

1.2 量程（10～150）mm校準(zhǔn)方法

對10mm以外的量程采用以三等量塊為基準(zhǔn)，采用比對測量方式進(jìn)行校準(zhǔn)。

測量裝置：測量標(biāo)準(zhǔn)三等量塊，測量范圍（0～150）mm，測量不確定度0.10μm +1×10-6×ln。

測量方法：如圖2，將數(shù)顯千分表通過夾具裝夾在測量裝置上，調(diào)整其裝夾位置，使數(shù)顯千分表的測量線與測量工作臺保持垂直狀態(tài)[3]。將1mm三等量塊放置在工作臺上，升降阿貝比長儀立軸，使數(shù)顯千分表測頭與量塊中心接觸，撥動測頭數(shù)次，待數(shù)顯千分表讀數(shù)穩(wěn)定后，將數(shù)顯千分表顯示數(shù)值置零。再把10mm量塊放置在工作臺上，測頭對準(zhǔn)量塊中心撥動測頭數(shù)次，數(shù)顯千分表讀數(shù)穩(wěn)定后記錄數(shù)顯千分表讀數(shù)值，千分表讀數(shù)與量塊示值之差即為該點(diǎn)示值誤差。按順序依次更換量塊，校準(zhǔn)各點(diǎn)示值誤差。（10～100）mm范圍內(nèi)每隔10mm測量一點(diǎn)，（100～150）mm每隔25mm測量一點(diǎn)。校準(zhǔn)在正、反兩個行程上進(jìn)行。數(shù)顯千分表的示值誤差以正行程中各校準(zhǔn)點(diǎn)示值誤差最大值和最小值之差的最大值確定。正、反行程上同一點(diǎn)誤差之差的最大值為（10～100）mm測量段的回程誤差。

圖2 阿貝比長儀校準(zhǔn)超大量程數(shù)顯千分表

2 不確定度分析與評定

2.1 以光柵式指示表檢定儀為標(biāo)準(zhǔn)的測量數(shù)顯千分表值誤差不確定度

2.1.1 不確定度來源。對數(shù)顯千分表（0～10）mm內(nèi)的示值誤差用光柵式指示表檢定儀進(jìn)行校準(zhǔn)，不確定度來源包括測量重復(fù)性、光柵式指示表檢定儀示值誤差、數(shù)顯千分表和檢定儀的線膨脹系數(shù)差、數(shù)顯千分表和檢定儀的溫度差等[4]。

2.1.2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定。

2.1.2.1 測量重復(fù)性引入的不確定度。對光柵式指示表檢定儀，在重復(fù)性條件下分別測量千分表中點(diǎn)示值誤差10次，得到實驗標(biāo)準(zhǔn)差s不超過0.05μm，則測量重復(fù)性引入的不確定度為：

2.1.2.2 檢定儀的示值誤差引入的不確定度u1。光柵式指示表檢定儀示值誤差在任意10mm范圍內(nèi)不大于3μm，估計為均勻分布，則光柵式指示表檢定儀示值誤差引入的不確定度為：

2.1.2.3 指示表和檢定儀線膨脹系數(shù)引入的不確定度u2。指示表和檢定儀的線膨脹系數(shù)差在±2×10-6℃-1范圍內(nèi)，估計為均勻分布，校準(zhǔn)時溫度偏移標(biāo)準(zhǔn)溫度不超過5℃，測量時最大測量長度為10mm，則：

2.1.2.4 指示表和檢定儀溫度差引入的不確定度u4。指示表和檢定儀的溫度差估計在±1℃的范圍內(nèi)均勻分布，測量時最大測量長度為10mm，線膨脹系數(shù)以11.5×10-6℃-1計算，則：

2.1.4 擴(kuò)展不確定度。取置信概率p=95%，k=2，因指示表示值誤差是最大值和最小值之差，則光柵式指示表檢定儀測量（0～10）mm指示表的擴(kuò)展不確定度為：

2.2 以三等量塊為標(biāo)準(zhǔn)的測量數(shù)顯千分表值誤差不確定度

2.2.1 不確定度來源。對數(shù)顯千分表（10～150）mm內(nèi)的示值誤差用三等量塊進(jìn)行校準(zhǔn)，不確定度來源包括測量重復(fù)性、量塊示值誤差、數(shù)顯千分表和量塊的線膨脹系數(shù)差、數(shù)顯千分表和量塊的溫度差等[5]。

2.2.2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定。

千分表測量重復(fù)性可以通過重復(fù)性實驗得到。對千分表10mm校準(zhǔn)點(diǎn)重復(fù)測量10次，通過貝塞爾公式計算，得到其實驗標(biāo)準(zhǔn)差s=0.52μm，則千分表測量重復(fù)性引入的不確定度為：

根據(jù)JJG 146-2011《量塊檢定規(guī)程》的規(guī)定，三等量塊中心長度的測量不確定度不大于，其置信概率為99%，k=2.7，對零量塊為1mm，則對零用量塊中心長度引入的不確定度為：

2.2.2.4 千分表和量塊間線膨脹系數(shù)引入的不確定度分量。因量塊和千分表的線膨脹系數(shù)均為，兩者的線膨脹系數(shù)差在區(qū)間內(nèi)為均勻分布，校準(zhǔn)時溫度偏移標(biāo)準(zhǔn)溫度不超過1℃，測量時最大測量長度為150mm，則：

2.2.2.5 千分表和量塊間的溫度差引入的不確定度分量

。千分表和量塊間的溫度差估計在±0.3℃的范圍內(nèi)均勻分布，測量時最大測量長度為150mm，線膨脹系數(shù)以11.5×10-6℃-1計算，則：

2.2.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度。各分量彼此獨(dú)立不相關(guān)，則測量(10～150)mm數(shù)顯千分表的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

2.2.4 擴(kuò)展不確定度。取置信概率p=95%，包含因子k＝2，則：

3 結(jié)束語

本文詳細(xì)闡述了超大量程數(shù)顯千分表的校準(zhǔn)方法和不確定度分析評定，從大量程數(shù)顯千分表校準(zhǔn)結(jié)果和不確定度分析結(jié)果來看，分量程校準(zhǔn)方法完全滿足超大量程數(shù)顯千分表的校準(zhǔn)需求，可以用于超大量程數(shù)顯千分表的周期校準(zhǔn)，以保證了量值傳遞的準(zhǔn)確可靠。