光栅式指示表检定仪的不确定度评定

唐薇

（中国飞机强度研究所，陕西西安，710065）

0 引言

本单位的机械加工和科研试验都需要用到大量的指示量具，这些指示量具为机械精密加工和科研试验中提供精确定位、精密的长度测量和位移变化。光栅式指示表检定仪主要用于检定和校准指针式、数显式及杠杆式的百分表和千分表。该检定仪主要由标准装置（高精度光栅尺、直线导轨及滑台）、接口电路及计算机三部分组成。它是利用高精度光栅测长原理，把直线位移变成电信号，经接口电路，将正弦波信号变为电脉冲，并利用计算机及其专用软件进行测量数据采集与检定/校准结果的处理，最后打印出数据的原始记录[1]。光栅式指示表检定仪根据其测杆行程（即标准值）测量指示表的测杆行程（即被测值），两个值之差就是被测点的示值误差。本单位使用的是半自动卧式指示表检定仪，具有操作方便，可靠性、稳定性高、自动打印、查询便捷等优点，能高精度、高效率地完成检定校准工作。

该检定仪的检定方法采用直接测量法，将指示表安装在指示表检定仪上，对好零位。转动检定仪的旋转手轮，手动检定时，对准被检表预检刻线，单击鼠标左键；自动检定时，在设定时间内对准被检表预检刻线，提示该点检定完成，直到工作行程的终点，提示正程检完；再继续前行10个分度值，返回满量程，按照上述方法进行返程检定。计算机自动完成标准光栅测得位移和指示表行程的比较，并进行数据的显示、处理及记录生成与打印。

1 不确定度分析

为了保证光栅式指示表检定仪的检定/校准数据准确可靠，需要对它进行不确定度分析。首先确定不确定度来源[2]。不确定来源主要包括A类不确定度和B类不确定度。A类不确定度主要是由检定仪多次的测量重复性引入的不确定度分量。B类不确定度则主要包括检定仪引入的不确定度分量、人员估读误差引入的不确定度分量、测力变化引入的不确定度分量、装夹倾斜引入的不确定度分量[3-4]。

2 不确定度评定

2.1 检定百分表的不确定评定

选取一个(0～10) mm、上海自动化仪表厂生产的编号为69-36938的指针式百分表进行不确定度评定。

2.1.1 A类不确定度评定

出厂编号为69-36938的指针式百分表，在装置正常的工作条件下，在其5 mm进程处等精度直接测量6次[5]，其示值误差测量结果见下表(单位:μm)：

表1 该百分表示值误差

通过计算，得到重复性：

由于百分表、千分表示值误差是以正行程最大误差与最小误差来计算，且将单次测量作为测量结果，故：

2.1.2 B类不确定度评定

(1)检定仪引入的不确定度分量uB1

参照JJG201-2008《指示类量具检定仪检定规程》[6]，该标准对百分表允许示值误差为±2μm，Δ1=2μm。按均匀分布，k取，其测量不确定度为：

(2)人员估读误差引入的不确定度分量uB2

对于百分表，允许估读误差为±1μ（m每格10等分），Δ2=1μm。由于百分表全程示值误差是以正行程最大误差与最小误差来计算[7]，按三角分布，k取，其测量不确定度为：

(3)测力变化引入的不确定度分量uB3

指示表与检定仪的接触为球面对平面接触，测力变形量δ为：

式中，当光栅式指示表检定仪测杆材料为硬质合金，百分表测头材料为钢时[8]，。p为测力值，由JJG34—2008《指示表（指针式、数显式）检定规程》[9]知，p=1.5N，Δp=0.5N。d是测头直径，d=2.5mm。

因此，由于测力变化引入的示值误差为±0.07μm。按均匀分布，k取，其测量不确定度为：

(4)装夹倾斜引入的不确定度分量uB4

根据规程要求，被检表测杆主轴与检定仪测杆主轴夹角θ误差为

很小，sinθ≈θ，估计误差Δθ为 0.1°，即 0.002rad，且该误差为均匀分布，k取，其测量不确定度为：

2.1.3 合成不确定度

由于各分量之间彼此独立，故：

将之前算的值带入上面的公式中，得到检定百分表的合成不确定度uc=1.49μm。

2.1.4 扩展不确定度

当置信概率p=95%时，取置信因子k=2，则扩展不确定度U=k×uc=3.0μm。

2.2 检定千分表的不确定评定

2.2.1 A类不确定度评定

选取一个(0～1)mm、哈尔滨量具刃具厂生产的出厂编号为12111的指针式千分表，在装置正常的工作条件下，对其0.5mm进程处等精度直接测量6次，示值误差测量结果如下(单位:μm)：

表2 该千分表示值误差

通过计算，得到重复性：

由于百分表、千分表示值误差是以正行程最大误差与最小误差来计算，且将单次测量作为测量结果，故：

2.2.2 B类不确定度评定

(1)检定仪引入的不确定度分量uB1

参照JJG201-2008《指示类量具检定仪检定规程》[6]，对千分表允许示值误差为±1μm，Δ1=1μm。按均匀分布，k取，其测量不确定度为：

(2)人员估读误差引入的不确定度分量uB2

对于千分表，允许估读误差为±0.2μ（m每格5等分），Δ2=0.2μm。由于千分表全程示值误差是以正行程最大误差与最小误差来计算，按三角分布，k取，其测量不确定度为：

(3)测力变化引入的不确定度分量uB3

指示表与检定仪的接触为球面对平面接触，测力变形量δ为：

式中，当光栅式指示表检定仪测杆材料为硬质合金，百分表测头材料为钢时[8]，。p为测力值，由JJG34—2008《指示表（指针式、数显式）检定规程》[9]知，p=1.5N，Δp=0.5N。d是测头直径，d=2.5mm。

因此，由于测力变化引入的示值误差为±0.07μm。按均匀分布，k取，其测量不确定度为：

(4)装夹倾斜引入的不确定度分量uB4

根据规程要求，被检表测杆主轴与检定仪测杆主轴夹角θ误差为

很小，sinθ≈θ，估计误差Δθ为 0.1°，即 0.002rad，且该误差为均匀分布，k取，其测量不确定度为：

2.2.3 合成不确定度

由于各分量之间彼此独立，故：

2.2.4 扩展不确定度

当置信概率p=95%时，取置信因子k=2，则扩展不确定度U=k×uc=1.2μm。

3 结论

将同一百分表和千分表送上级计量站检定，本单位指示表检定仪的检定结果y值与上级计量站的检定结果y0值分别进行比对，结果如表3和表4所示。

表3 百分表的两次检定结果误差比较

回程误差 2.0μm 2.0μm 0

表4 千分表的两次检定结果误差比较

由表3和表4的比对结果可知，|y-y0|≤U，因此该检定仪检定百分表和千分表的不确定度均得到验证。