一種新型磁粉檢測(cè)用試片槽深的校準(zhǔn)方法及不確定度評(píng)定

趙重陽(yáng) 卞偉 李厚裔 謝平 劉釗 / 河北省計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院

0 引言

磁粉檢測(cè)用試片是校準(zhǔn)磁粉探傷機(jī)和磁軛式磁粉探傷機(jī)綜合靈敏度計(jì)量特性的標(biāo)準(zhǔn)器，可用于分析幾何形狀復(fù)雜的被測(cè)工件表面的磁場(chǎng)分布特征，確定被測(cè)工件表面的磁化電流值、磁場(chǎng)方向及強(qiáng)度和有效磁場(chǎng)范圍以及直接考察試驗(yàn)條件和操作方法是否恰當(dāng)。其外觀為一定厚度值的薄片，且薄片上刻有相應(yīng)幾何量技術(shù)要求的人工槽，人工槽深的尺寸公差是決定磁粉檢測(cè)用試片的分擋性能及同一性的重要因素[1-4]。目前，針對(duì)試片槽深的測(cè)量方法還沒(méi)有相應(yīng)的技術(shù)依據(jù)，只有GB/T 23907—2009《無(wú)損檢測(cè)磁粉檢測(cè)用試片》作為參照。但是，以觸針式輪廓儀作為主標(biāo)準(zhǔn)器對(duì)試片槽深進(jìn)行測(cè)量存在一些弊端[5-7]，主要表現(xiàn)在：試片人工槽的寬度小于輪廓儀針尖直徑，致使針尖無(wú)法探測(cè)人工槽的底部，從而導(dǎo)致試片槽深測(cè)量的不準(zhǔn)確，同時(shí)接觸式測(cè)量也會(huì)對(duì)試片產(chǎn)生一定的磨損，影響其后續(xù)使用。依據(jù)光學(xué)形貌儀產(chǎn)生干涉條紋的原理可知，被測(cè)表面高質(zhì)量的平面度和表面粗糙度是產(chǎn)生干涉條紋的基本條件，雖然磁粉檢測(cè)用試片很薄，但是通過(guò)校準(zhǔn)前對(duì)試片外形的預(yù)處理及擴(kuò)大光學(xué)形貌儀垂直方向的掃描范圍，可以產(chǎn)生干涉條紋并對(duì)試片表面進(jìn)行有效掃描。為此，本文基于光學(xué)形貌儀，提出一種非接觸式試片槽深的校準(zhǔn)方法。

1 校準(zhǔn)原理

光學(xué)形貌儀白光光源發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)光學(xué)透鏡組過(guò)濾后，進(jìn)入干涉物鏡，在干涉物鏡內(nèi)分成兩束，一束光照到試片表面后反射，另一束光照到參考表面后反射[8-9]。從試片表面和參考表面反射回來(lái)的兩束光重新匯合形成干涉條紋。再通過(guò)控制系統(tǒng)沿干涉物鏡的軸向?qū)υ嚻M(jìn)行掃描，掃描范圍覆蓋試片上表面及人工槽底部，同時(shí)利用圖像采集系統(tǒng)采集掃描后的干涉圖像，以干涉條紋最亮點(diǎn)作為參考標(biāo)準(zhǔn)，記錄最亮點(diǎn)對(duì)應(yīng)的物鏡掃描時(shí)的位置，并通過(guò)數(shù)據(jù)處理軟件來(lái)計(jì)算，最后轉(zhuǎn)化成試片表面相對(duì)高度信息，得到準(zhǔn)確的試片人工槽槽深的實(shí)測(cè)值。校準(zhǔn)原理如圖1 所示。

圖1 測(cè)量原理

2 校準(zhǔn)過(guò)程

以人工十字槽深標(biāo)稱值為30 μm 的磁粉檢測(cè)用試片為被測(cè)對(duì)象，首先用汽油將試片表面清理干凈，避免雜質(zhì)影響校準(zhǔn)結(jié)果，然后將試片置于光學(xué)形貌儀載物臺(tái)上，選用10×物鏡以試片上表面為基準(zhǔn)進(jìn)行軸向焦距調(diào)整，直到顯示界面出現(xiàn)明亮的干涉條紋。再設(shè)置物鏡掃描范圍對(duì)試片上表面及槽深進(jìn)行掃描，最后通過(guò)數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)所獲得的試片形貌進(jìn)行分析，得到試片槽深的實(shí)測(cè)值，并以10 個(gè)位置的測(cè)量結(jié)果的平均值作為校準(zhǔn)結(jié)果。測(cè)量數(shù)據(jù)：29.5 μm，28.9 μm，29.2 μm，28.8 μm，28.2 μm，28.6 μm，28.5 μm，29.1 μm，28.3 μm，28.8 μm，校準(zhǔn)結(jié)果為28.8 μm，試片三維形貌如圖2 所示。

圖2 試片三維形貌

3 槽深校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度評(píng)定

3.1 校準(zhǔn)方法

磁粉檢測(cè)用試片槽深采用光學(xué)形貌儀直接測(cè)量得到。

3.2 測(cè)量模型

由測(cè)量原理可知磁粉檢測(cè)用試片槽深的測(cè)量模型為

式中：D—— 磁粉檢測(cè)用試片槽深度值；

L—— 儀器實(shí)測(cè)值

3.3 方差和靈敏系數(shù)

根據(jù)方差合成定律，輸出量的估計(jì)方差由各輸入量的估計(jì)方差所合成。式（1）是一線性測(cè)量模型，且各輸入量按相互獨(dú)立互不相關(guān)處理，在方差合成中不考慮高階項(xiàng)及相關(guān)的影響。依方程：

3.4 影響磁粉檢測(cè)用試片槽深校準(zhǔn)結(jié)果的各不確定度分量

1）光學(xué)形貌儀引入的不確定度分量u1

光學(xué)形貌儀上級(jí)溯源單位為中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，校準(zhǔn)依據(jù)為NIM-ZY-QY-NM-105《干涉式三維表面形貌測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)作業(yè)指導(dǎo)書》，且通過(guò)了CNAS資質(zhì)。因此，根據(jù)溯源證書可得光學(xué)形貌儀引入的不確定度分量。

2）磁粉檢測(cè)用試片不均勻引入的不確定度分量u2

校準(zhǔn)結(jié)果由試片10 個(gè)位置槽深的實(shí)測(cè)平均值得到，依據(jù)測(cè)量結(jié)果，根據(jù)貝塞爾公式，可得

3）測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量u3

用光學(xué)形貌儀，在重復(fù)性測(cè)量條件下在同一位置測(cè)量10 次，測(cè)量值為28.6 μm，28.6 μm，28.5 μm，28.6 μm，28.6 μm，28.5 μm，28.5 μm，28.7 μm，28.5 μm，28.6 μm。測(cè)量平均值為28.6 μm，根據(jù)貝塞爾公式可得單次實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差s= 0.07 μm。

4）光學(xué)形貌儀噪聲引入的不確定度分量u4

根據(jù)光學(xué)形貌儀上級(jí)溯源證書可知，儀器噪聲引入的測(cè)量誤差為納米級(jí)，因此，對(duì)磁粉檢測(cè)用試片槽深做不確定度分析時(shí)，可忽略噪聲引入的不確定度分量。

5）光軸與試片表面的垂直度引入的不確定度分量u5

光學(xué)形貌儀配備的全自動(dòng)樣品臺(tái)可將試片移動(dòng)至系統(tǒng)分析軟件的中間視場(chǎng)內(nèi)，同時(shí)通過(guò)光學(xué)形貌儀自帶的傾斜調(diào)制裝置，能夠有效地調(diào)整光軸與試片表面的垂直度。因此，光軸與試片表面不垂直引入的不確定度分量u5可忽略不計(jì)。

6）環(huán)境因素引入的不確定度分量u6

光學(xué)形貌儀位于負(fù)一層的恒溫實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，開展磁粉檢測(cè)用試片校準(zhǔn)前，試片經(jīng)過(guò)了不少于4 h 的恒溫。光學(xué)形貌儀自帶的氣懸浮減震平臺(tái)，有效地避免了因振動(dòng)導(dǎo)致校準(zhǔn)結(jié)果的不準(zhǔn)。因此，環(huán)境因素引入的不確定度分量u6可忽略不計(jì)。

3.5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴(kuò)展不確定度

光學(xué)形貌儀的分辨力為0.1 nm，因此，重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量大于光學(xué)形貌儀分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量，故按前者進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)不確定度的合成。因此，合成的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

取包含因子k= 2，則擴(kuò)展不確定度為

槽深為30 μm 的磁粉檢測(cè)用試片的最大允許誤差為±4 μm[10]，則滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

以光學(xué)形貌儀為主標(biāo)準(zhǔn)器的非接觸式磁粉檢測(cè)用試片槽深的校準(zhǔn)方法，規(guī)避了接觸式校準(zhǔn)方法的弊端，具有自動(dòng)化程度高、三維形貌可視化、校準(zhǔn)準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)試片槽深校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度評(píng)定驗(yàn)證了該方法的可行性，為磁粉檢測(cè)用試片槽深的校準(zhǔn)提出了一種切實(shí)可行的新方法，也為起草磁粉檢測(cè)用試片校準(zhǔn)規(guī)范提供了一定的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。