光栅式指示表检定仪示值误差的检定方法

朱绯红

(江苏省计量科学研究院，南京 210046)



光栅式指示表检定仪示值误差的检定方法

朱绯红

(江苏省计量科学研究院，南京 210046)

介绍一种检定方法，即采用高精度长度计和专用数显表作为标准器检定光栅式指示表检定仪示值误差，并对该方法进行可行性分析，证明此方法可行。与现有规程中的方法进行比较，该方法不仅能提高测量准确度，还能提高效率。

光栅式指示表检定仪；高精度长度计；示值误差；检定

0 引言

随着光栅技术的发展，一些高精度长度计在计量领域里应用越来越广泛。其主要应用于自动检测设备、手动测量或定位设备中，对长度、间距、高度、厚度或直线位移等参数可以快速、精确的测量。高精度长度计是基于光电扫描增量式光栅尺的测量原理，将测量杆的直线位移转化成电信号。如果对这些电信号进行采集处理并通过专用的数显仪表显示就能得出测量杆的直线位移量。由于长度计测量符合阿贝原则，所以测量准确度高。高精度长度计主要由高精度光栅装置、密珠导轨的测量杆装置、高性能的高速采样等组成。本文介绍一种用高精度长度计和专用的数显仪表检定光栅式指示表检定仪示值误差的方法。

1 现有规程中的方法

JJG 201—2008《指示类量具检定仪》检定规程[1]规定：检定光栅式指示表检定仪示值误差要用3等量块和不超过±0.1μm(如分辨力为0.01μm的电感测微仪)检定。所以我们在检定光栅式指示表检定仪时选用3等量块和电感测微仪中分度值为0.1μm，测量范围为±3μm这一档去检定光删式指示表检定仪示值误差。

2 新方法介绍

所用标准器：高精度长度计和专用的数显仪表的计量性能：分辨力为0.01μm，测量范围：0～50mm,误差：±0.2μm。检定步骤如下：

1)如图1所示，将高精度的长度计装夹在光栅式指示表检定仪φ8mm固定孔上，使长度计的测头与光栅式指示表检定仪的测量杆工作面接触。旋转检定仪的手轮，使测量杆移动约1mm，分别对专用数显表和光栅式指示表清零。

2)按照文献[1]规定的受检点进行检定。旋转检定仪的手轮，使检定仪的测量杆移动到规定的受检点处，观察专用数显表上显示的值。则每一受检点的示值误差Δi如公式(1)所示。

3)测量应在正反行程上进行，得到正反行程上每一个受检点的示值误差值，再依据规程数据处理方法，得到光栅式指示表检定仪的示值误差和回程误差。

Δi=Ldi-Lsi

(1)

式中：Δi为第i受检点的示值误差；Ldi为第i受检点光栅式指示表上显示的值；Lsi为第i受检点专用数显表上显示的值。

1.高精度长度计；2.专用数显表；3.光栅式指示表检定仪图1 检定示意图

3 可行性分析

用高精度长度计和专用的数显仪表(分辨力为0.01μm，测量范围为0～50mm,误差为：±0.2μm)检定光栅式指示表检定仪示值误差不确定度评定。

测量对象：一台光栅式指示表检定仪：测量范围0～50mm,文献[1]规定其计量性能要求：全量程最大允许误差为：6.0μm；任意30mm最大允许误差为3μm；任意10mm最大允许误差为2μm；任意2mm最大允许误差为2μm，任意1mm最大允许误差为1μm。

3.1 测量模型

Δ=Ld-Ls+Ld·ad·Δtd-Ls·as·Δts

(2)

式中 ：Ld为光栅式指示表检定仪的示值(20℃条件下)；Ls为专用数显表显示的示值(20℃条件下)；ad、 as分别为光栅式指示表检定仪和高精度长度计的线胀系数；Δtd、Δts分别为光栅式指示表检定仪和高精度长度计偏离20℃时的数值。

令δa=ad-as；δt=Δtd-Δts；

取L≈Ld≈Ls；a ≈ad≈as；Δt≈Δtd≈Δts

则公式(2)变为

Δ=Ld-Ls+L·Δt·δa-L·a ·δt

(3)

3.2 不确定度传播率

(4)

式中，灵敏系数ci：

c1=∂Δ/∂Ld=0；c2=∂Δ/∂Ls=-1；c3=∂Δ/∂δa=L·Δt；c4=∂Δ/∂δt=-L·a

3.3 测量不确定度来源

1)测量不确定度u2包括测量重复性u2.1和标准器长度计u2.2；2)光栅式指示表检定仪和高精度长度计线膨胀系数差u3；3)光栅式指示表检定仪和高精度长度计之间温度差u4。

3.4 标准不确定度评定

1)由于受检点是根据规程设定的，一般认为是常量，所以c1=0u1=0

2)测量重复性引入的不确定度分量u2.1

对受检点50mm重复测量3次，其测量数据见表1。

表1 受检点50mm重复测量数据表

采用极差法计算u2.1：

3)标准器高精度长度计引入的标准不确定度分量u2.2

4)光栅式指示表检定仪和高精度长度计线膨胀系数差引入的标准不确定度分量u3

当L=50mm时， c3u3=L·Δt·u3=0.82×10-6×5×104=0.041μm,依次有：L=30mm，c3u3=0.025μm；L=10mm，c3u3=0.0082μm；L=2mm，c3u3=0.0016μm；L=1mm，c3u3=0.00082μm。

5)光栅式指示表检定仪和高精度长度计温度差引入的标准不确定度分量u4

当L=50mm时，c4u4=-(L·a )·u4=-50×103×6×10-6×0.17=-0.051μm，依次有：L=30mm，c4u4=-0.031μm；L=10mm，c4u4=-0.010μm；L=2mm，c4u4=-0.002μm；L=1mm，c4u4=-0.001μm。

6)合成标准不确定度uc

由于以上各不确定度分量不相关，则

当L=50mm时，

则L=30mm, uc=0.13μm; L=10mm, uc=0.13μm;L=2mm，uc=0.12μm; L=1mm, uc=0.12μm。

7)扩展不确定度U

由于光栅式指示表示值误差是正反行程中受检点的示值误差的最大值减去最小值，所以：

由于光栅式指示表检定仪示值误差测量结果的扩展不确定度均小于或等于光栅式指示表检定仪最大允许误差的1/3，所以此方法可行。

4 新方法的优点

1)检定效率高，速度快。因为用量块检定时，需要更换不同量块，操作麻烦。例如检定一个测量范围0～50mm的光栅式指示表检定仪,要更换量块20多次。

2)读数直观而且数据处理比较简单。用量块进行检定时计算每一个受检点的示值误差还需要所用量块的修正量，数据处理较麻烦。

3)由于现在90%以上的光栅式指示表检定仪都是卧式的，实际工作时经常会出现量块的工作面与固定在光栅式指示表检定仪测量轴上的三珠工作台中三个接触点形成的工作面不平行(实际工作中要调整量块放置的位置通过电感测微仪找最小值点)。这也是实际检定过程的一个重要的误差来源。而用高精度长度计进行检定，就没有由于量块放置的问题引入的测量误差。

4)由于指示表检定时，数据量很大，越来越多的计量检定机构以及企业都购置了全自动光栅式指示表检定仪。利用高精度的长度计以及专用的软件就会实现全自动检定全自动光栅式指示表检定仪示值误差。而用量块进行检定，只能实现静手动检定，不能实现自动检定。

5)用该标准器也可用来检定机械式百分表检定仪和千分表检定仪。而且检定千分表检定仪时，可以全量程检定，避免用量块检定时采用分段法进行检定。

5 结论

本文结合自己工作经验，介绍采用高精度长度计和专用数显仪表检定光栅式指示表检定仪示值误差。一是供同行们参考，二是希望为将来修订《指示类量具检定仪》检定规程提供借鉴与帮助。

[1] 国家质量监督检验检疫总局.JJG201—2008《指示类量具检定仪检定规程》

[2] 国家质量监督检验检疫总局.JJF1331—2011《电感测微仪校准规范》

[3] 国家质量监督检验检疫总局.JJG146—2011《量块检定规程》

[4] JJF1059.1—2012 测量不确定度评定与表示

[5] 杨华，蒲建军，樊永元.用测长仪检定杠杆表示值误差的新方法.计量技术，2008(11)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.12.20