三等標準金屬線紋尺檢定裝置的改進

1 引言

三等標準金屬線紋尺（以下簡稱三等線紋尺）的示值誤差，可用激光干涉儀進行測量，也可用二等線紋尺作為標準尺在測長機或其他檢定裝置上進行測量。應用激光干涉儀測量三等線紋尺，是通過光波干涉原理，將激光波長復現到三等線紋尺上，對其進行直接測量；應用二等線紋尺測量三等線紋尺，是在測長機等裝置上采用并聯或串聯的方式對其進行比較測量。隨著雙頻激光干涉儀的普及，越來越多的部門及單位開始利用雙頻激光干涉儀開展此項工作。本文介紹一種應用雙頻激光干涉儀對三等線紋尺進行測量的線紋尺檢定裝置的改進方法。

2 檢定裝置

線紋尺檢定裝置由雙頻激光干涉儀、雙導軌測長機、線紋顯示系統以及專用線紋尺調整臺等部件組成，見圖1。

圖1 線紋尺檢定裝置

該檢定裝置采用專用線紋尺調整臺對線紋尺進行調整，線紋顯示系統對三等線紋尺進行瞄準、定位，應用雙頻激光干涉儀進行示值誤差的測量。

2.1專用線紋尺調整臺

在雙導軌測長機基礎上設計專用線紋尺調整臺。專用線紋尺調整臺由線紋尺調整架、連接緊固件以及可調整定位臺組成。線紋尺調整架由連接緊固件連接定位在可調整定位臺上，如圖2所示。

線紋尺調整架對于線紋尺的支撐為貝塞爾支點，即支點距尺端231.3mm。線紋尺調整架在支撐部分可以對線紋尺進行上下方向調整及緊固，并且線紋尺調整架與連接緊固件連接的部分為三點可調高度支撐，為了便于線紋尺調整架水平調節，其與連接緊固件之間用壓緊彈簧進行連接；連接緊固件與可調整定位臺之間的連接可移動，調整、固定；可調整定位臺在上下方向可以升降調節，在水平方向可以前后調節。即專用線紋尺調整臺在滿足支撐點的同時，可以在三個不同的部分對線紋尺線紋進行水平調整。

圖2 專用線紋尺調整臺

2.2線紋顯示系統

線紋顯示系統由CCD攝像頭、顯示器、冷光源照明、可升降立柱、一維工作臺、可移動定位臺、連接緊固件組成，如圖3所示。CCD攝像頭與顯示器相連接，并且與冷光源照明均被定位在連接緊固件上，可升降立柱與連接緊固件相連且被固定在一維工作臺上，一維工作臺用連接緊固件定位在可移動定位臺上。

由于CCD攝像頭對于線紋尺線紋部分的攝像需要上下方向調整空間，故設置可升降立柱使攝像頭能進行上下方向的調整。一維工作臺、可移動定位臺的設置使攝像頭可以在水平方向上進行前后、左右的移動調整。冷光源照明的45°角照明使顯示線紋更加清晰明顯，同時不會產生照明溫度變化對線紋尺的影響。即線紋顯示系統實現了對CCD攝像頭的三維方向調整，并應用顯示器進行瞄準定位的功能。

圖3 線紋尺顯示系統

3 三等線紋尺示值誤差測量結果的不確定度分析

3.1建立數學模型，列出不確定度傳播律

三等線紋尺的實際長度可表示為：

[L=LR-L0] （1）

式中：[LR]——測量讀數平均值，mm；

[L0]——對零讀數平均值，mm；

則：[uc2（L）=c（LR）2u（LR）+c（L0）2u2（L0）] （2）

靈敏系數[c（LR）]=1，[c（L0）]=-1

3.2標準不確定度的評定

（1）測量讀數引入的不確定度

測量讀數引入的不確定度包括：雙頻激光干涉儀長度測量誤差引入的不確定度[u（LR1）]；雙頻激光干涉儀材料溫度傳感器誤差引入的不確定度[u（LR2）]；測量裝置引入的不確定度[u（LR3）]；測量重復性引入的不確定度引入的不確定度[u（LR4）]。

（2）雙頻激光干涉儀長度測量誤差引入的不確定度[u（LR1）]

根據中國計量院的檢定結果，本儀器的長度誤差在±0.7×10-6L范圍內，測量誤差在半寬0.7×10-6L范圍內均勻分布，設測量長度為1m，則

[u（LR1）]=0.7×10-6×1000×103/[3]=0.41μm

（3）雙頻激光干涉儀材料溫度傳感器誤差引入的不確定度[u（LR2）]

材料傳感器誤差不超過±0.1℃，由此對1000mm測量時產生的誤差Δ=0.1×α×1000×103，該誤差均勻分布，故

[u（LR2）]=Δ/[3]=0.1×18.5×10-6×1000×103/[3]=1.07μm

（溫度膨脹系數α=18.5×10-6/℃）

（4）測量裝置引入的不確定度[u（LR3）]

由于工作臺左右移動的軸線與激光軸線之間存在0.010mm的平行度，兩軸線間的距離為200mm，故

[u（LR3）]=0.010/1000×200/[3]=1.15μm

（5）測量重復性引入的不確定度引入的不確定度[u（LR4）]

重復測量線紋尺零刻線10次，得到一組數據：0.0μm、1.4μm、0.8μm、-0.1μm、0.6μm、-2.4μm、0.3μm、1.2μm、1.4μm、0.0μm，其實驗標準差為1.12μm，實際測量以4次校準結果的平均值作為測量結果，故

[u（LR4）]=1.12/[4]=0.56μm

合成以上各項可以得到與測量讀數有關的不確定度分量[u（LR）]：

[u2（LR）]=[u2（LR1）]+[u2（LR2）]+[u3（LR3）]+[u4（LR4）]

[u（LR）=u2（LR）+u2（LR2）+u2（LR3）+u2（LR4）]=1.72μm

3.3對零誤差引入的不確定度[u（L0）]

分辨力為0.1μm，對零量化誤差以等概率出現在半寬為0.05μm的區間，故：

[u（L0）]=0.05/[3]=0.03μm

3.4合成標準不確定度[uc]的評定

[uc=u2（LR1）+u2（L0）]=1.73μm

3.5擴展不確定度

取包含因子[k=2]，得[U=k?uc]=4μm

規程規定：三等線紋尺全長示值誤差檢定結果的擴展不確定度應不超過10μm（k=2），因此，該裝置滿足測量要求。

4 測量數據

分別用線紋尺檢定裝置和二等線紋尺對三等線紋尺進行測量。測量數據見表1、表2。

表2 線紋尺檢定裝置測量數據

由上面數據我們可以看出，應用兩種測量方式的最大差值為0.002mm，對于測量不確定度為10μm的測量系統是滿足要求的。

5 結論

上述應以雙頻激光干涉儀為標準器的線紋尺檢定裝置測量三等線紋尺示值誤差測量結果的不確定度分析以及測量表明，本文介紹的三等線紋尺檢定裝置的測量準確度滿足對三等線紋尺的測量要求，并且調整方式簡單快捷、瞄準定位清晰可視，可推廣使用。