读数显微镜检定夹具的设计及示值误差分析

刘 震

（福建省计量科学研究院，福建 福州 350003）

读数显微镜检定夹具的设计及示值误差分析

刘 震

（福建省计量科学研究院，福建 福州 350003）

笔者设计了一种用于检定读数显微镜的夹具，该夹具能够稳定夹持读数显微镜，并能够方便与专用玻璃标尺对线，解决读数显微镜检定时难以稳定对线的问题。经示值误差测量结果不确定度分析，该夹具的实际效果符合检定要求。

读数显微镜；示值误差；夹具

1 引言

读数显微镜是一种光学机械式长度计量器具，主要用于量具的刻线宽度及刻线间距等测量。它利用光学放大系统和测微鼓轮对内置分划尺进行细分达到精密测量的目的。根据JJG571-2004《读数、测量显微镜检定规程》[1]的要求，在检定读数显微镜示值误差项目时，需先将读数显微镜固定在专用的夹具上，再以专用玻璃标尺为标准器紧贴在镜筒座下进行对线测量。但在实际操作过程中，读数显微镜难以稳定地和专用玻璃标尺对线，特别是在转动测微鼓轮时，容易引起对线偏移。因此需设计一种专用的夹具来稳定夹持读数显微镜并能很好地与专用玻璃标尺对线。

2 存在的问题

读数显微镜典型的型号为JC-10和JC4-10两种，其分度值分别为0.01mm（或0.005mm）和0.0025mm，在计量性能上要求示值误差不超过1个分度。图1、2分别为两种典型的读数显微镜结构图。检定示值误差时，专用玻璃标尺紧贴在镜筒座下，再利用外部照明，在目镜内观察对线情况，此时如果不对读数显微镜进行固定，在转动测微鼓轮时，很难保证镜身的稳定。但即使对读数显微镜进行夹持固定，仍存在以下问题：当夹持镜身中下部位时，如镜筒或镜筒座，转动测微鼓轮仍会引起对线偏移，无法与玻璃标尺准确对线；同样，当夹持在显微镜中上部位置时，如分划板盒或目镜套筒上时，在调整与玻璃标尺对线时，因玻璃标尺紧贴镜筒底座，移动时容易引起镜身的摆动，难以对线。分析上述原因，认为镜筒与测微鼓轮非整体件，当转动测微鼓轮时会引起镜身的偏移，当夹持在与测微鼓轮一体的分划板盒或目镜套筒上时，虽然可以解决上述偏移问题，但由于玻璃标尺紧贴在镜筒座下，对线移动时对夹持点存在较大的力矩，易引起镜身的偏摆，难以准确对线。

图1 型号JC-10读数显微镜

图2 型号JC4-10读数显微镜

3 专用夹具的设计

根据上述原因分析，笔者设计了一套读数显微镜的专用夹具，如图3。检定时，把读数显微镜的目镜套筒夹持在V型套7上并确保镜身的垂直，专用玻璃标尺放置在XYR控制平台9上，向下移动主升降台4和辅助升降台6使读数显微镜的镜筒座与专用玻璃标尺接触，移动限位套筒3，使限位套筒3与主升降台4下边接触并锁紧，向上移动主升降台4一段距离（此时不能移动辅助升降台6），拆除读数显微镜的镜筒，再向下移动主升降台4，到与限位套筒3接触时锁紧，限位套筒3的目的是保证读数显微镜镜筒拆除前后物距不变。读数显微镜目镜套筒夹持在V型套7上保证了夹持的稳定性，由于读数显微镜镜筒被拆除，在物距保持不变的情况下，读数显微镜和专用玻璃标尺是非接触的，避免了玻璃标尺与镜筒座接触产生的力矩。夹具底座1及立柱2采用铸铁和钢制件，保证立柱的刚性，底座上安装XYR控制平台9，平台可在XY平面上前后左右移动及旋转，平台的表面为白色。在检定读数显微镜时，专用玻璃标尺刻线面朝上放置在XYR控制平台9上，开启照明灯8，玻璃标尺刻线在读数显微镜视场内清晰可见，利用XYR控制平台9的平移旋转特性，很容易对线。

图3 读数显微镜专用夹具结构图

4 示值误差不确定度分析

以型号JC-10分度值0.01mm的读数显微镜示值误差不确定度分析为例，依据《JJG571-2004读数、测量显微镜检定规程》进行示值误差检定，数学模型如下：

4.1 不确定度分量

读数显微镜示值误差检定时的不确定度分量主要有：专用玻璃标尺误差引入的不确定度分量测量重复性引入的不确定度分量对线瞄准读数误差引入的不确定度分量显微镜装夹稳定性引入的不确定度分量环境温度引入的不确定度分量在各不确定分量中，包含和考虑到环境温度对示值的影响很小，可以忽略不计，则=0，因此，最终的主要影响量是和，表1为不确定度分量一览表。

表1 不确定度分量一览表

4.1.1 专用玻璃标尺误差不确定度分量

专用玻璃标尺分度值0.1mm，测量范围（0～10）mm，校准结果=0.5μm，=3，任意两刻线间的间距误差不大于1.5μm。在检定分度值0.01mm的读数显微镜时，为检定方便可采用专用玻璃标尺的标称值，极限偏差按均匀分布，则：

4.1.2 测量重复性不确定度分量

采用本装置夹持读数显微镜，在重复条件下，对1mm玻璃尺刻线重复测量10次，按贝塞尔公式计算实验标准差S=1.2μm。由于在示值误差检定时，进行零位和受检点的两次对线读数，同时又重复进行两次测量取平均值，则：

4.1.3 合成标准确定度和扩展不确定度

各不缺度分量不相关，则合成标准确定度：

5 结束语

该设计的读数显微镜检定夹具夹持在读数显微镜目镜套筒上，增加了夹持稳定性，解决了读数显微镜难以稳定对线的实际问题。同时拆掉读数显微镜镜筒检定，使读数显微镜与玻璃标尺非接触，保护了玻璃标尺。该夹具操作简便具有很好的实用性，经使用时的测量结果不确定度分析，扩展不确定度=3.0μm，小于读数显微镜MPE：10μm的1/3要求，满足检定要求。

[1] JJG 571-2004读数、测量显微镜检定规程[S].北京,中国计量出版社,2005.

Design of Veri fi cation Fixture for Reading Microscope and Analysis of Indication Error

LIU Zhen
（Fujian Metrology Institute, Fuzhou 350003, Fujian, China）

A fi xture is designed for the reading microscope veri fi cation. The fi xture can stably clamp microscope and convenient align with special glass scale, it solves the problem of unstable align in reading microscope veri fi cation. The result of uncertainty of indication error shows that the actual effect of the fi xture meets the requirements of the veri fi cation.

Reading microscope; Indication error; Fixture

2017-08-07

刘 震，男，福建省计量科学研究院，工程师