測長儀校準(zhǔn)規(guī)范使用中要注意的一個(gè)問題

常青，常晟

(1.中國賽寶實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510610;2.西京學(xué)院機(jī)械系機(jī)械與自動(dòng)化，陜西 西安 710049)

0 引言

已經(jīng)頒布施行的JJF1189-2008《測長儀校準(zhǔn)規(guī)范》在規(guī)范測長儀 (含數(shù)顯類)的校準(zhǔn)方法、保證其量值準(zhǔn)確傳遞方面起到了重要作用。從量值傳遞 (溯源)的角度看，它簡化了JJG55-1984《測長儀檢定規(guī)程》的具體要求，增加了對于數(shù)顯測長儀校準(zhǔn)的規(guī)定，降低了測長儀量值傳遞 (溯源)的工作量，提高了工作效率，受到了同行們的好評。

隨著量儀行業(yè)光機(jī)電一體化的發(fā)展，原有的光學(xué)機(jī)械式讀數(shù)測長儀逐漸被數(shù)字顯示的測長儀所取代，因此，在本次規(guī)范的制定中，從適用范圍上增加了數(shù)顯測長儀的校準(zhǔn)要求，這對于原規(guī)程是一個(gè)進(jìn)步，也使得大量出現(xiàn)的數(shù)顯測長儀在實(shí)際使用中，具有了規(guī)范的量值溯源方法，從而保證了數(shù)顯測長儀對于產(chǎn)品尺寸測量的準(zhǔn)確度。

1 發(fā)現(xiàn)問題

由于數(shù)顯測長儀的自身特性，在校準(zhǔn)規(guī)范中沒有對數(shù)顯裝置的細(xì)分特性進(jìn)行明確要求，使得數(shù)顯測長儀在實(shí)際使用中，對測量結(jié)果的準(zhǔn)確度帶來一些意外的影響，使測量數(shù)據(jù)的可靠性產(chǎn)生疑問，特別是在φ10 mm以下的針規(guī)直徑中，很多測量值會(huì)與實(shí)際結(jié)果不一致。使用某型號的數(shù)顯測長儀 (機(jī)身號ZH0101)，針對1 mm點(diǎn)附近的儀器示值誤差進(jìn)行的驗(yàn)證，對相應(yīng)被測樣品 (量塊)進(jìn)行測量。儀器示值誤差結(jié)果見表1，其中示值誤差已進(jìn)行修正。

表1 測量1 mm時(shí)的示值誤差

可以看出在1 mm點(diǎn)附近給出的儀器示值誤差的最大差值達(dá)到1.0 μm，并且在1.000 mm和1.001 mm兩點(diǎn)的示值誤差的差異為0.4 μm，1.009 mm和1.010 mm兩點(diǎn)的示值誤差的差異為0.5 μm，這種情況對實(shí)際測量，影響會(huì)很大。

同樣再選擇兩塊標(biāo)稱尺寸為10.24 mm的量塊，經(jīng)過偏差修正后，一塊實(shí)際值為10.2400 mm，一塊10.2398 mm，同時(shí)在數(shù)顯測長儀測量范圍中的三個(gè)位置進(jìn)行測量，測量數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同部位測量的儀器示值誤差

由此可見，不止在1 mm附近，在其他測量點(diǎn)上也存在類似的情況，只要是標(biāo)準(zhǔn)量塊的實(shí)際值在微米量級不為0時(shí)，測量時(shí)其相近點(diǎn)的儀器示值誤差就會(huì)有明顯差異，這應(yīng)該是數(shù)顯裝置所特有的，須引起注意。

上述的數(shù)顯測長儀，按照測長儀校準(zhǔn)規(guī)范中6.3條，即“示值范圍≤1000 mm的測長儀，選取5個(gè)量塊，其最小長度為10 mm，最大長度不小于示值范圍的90%，其余量塊的尺寸應(yīng)是校準(zhǔn)點(diǎn)間隔基本均勻。……”[1]的要求進(jìn)行校準(zhǔn)。針對以上表述，再加上原有檢定規(guī)程的影響，校準(zhǔn)測長儀示值誤差時(shí)，都基本上選擇標(biāo)稱值為整數(shù)的量塊，在本例所述的兩臺(tái)數(shù)顯測長儀，示值誤差的校準(zhǔn)點(diǎn)均選為10，30，50，70 mm和90 mm，對于小數(shù)尺寸則沒有校準(zhǔn)，從理論上講是符合校準(zhǔn)規(guī)范要求的，并且經(jīng)過校準(zhǔn)，兩臺(tái)數(shù)顯測長儀的示值誤差均在±0.5μm以內(nèi)。

但是，從表1所述的數(shù)顯測長儀示值誤差校準(zhǔn)結(jié)果看，帶小數(shù)位的被測對象，其相鄰點(diǎn)示值誤差的最大差值達(dá)1.0 μm，并且按照儀器出廠指標(biāo)中最大允許誤差 (0.5+L/100)μm的要求，個(gè)別點(diǎn)的示值誤差也超過了相應(yīng)的要求，出現(xiàn)該問題的原因，就是數(shù)顯裝置的細(xì)分誤差引起的[2]，而細(xì)分誤差的影響可以通過對數(shù)顯裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行敘述加以說明。

2 原因分析

測長儀的數(shù)顯裝置由光柵傳感器[3]構(gòu)成，目前常用的光柵類型有50線/mm、100線/mm和120線/mm幾種，正是由于光柵傳感器的這一特性，其輸出特性的轉(zhuǎn)換函數(shù)曲線并不是連續(xù)平滑的，而是具有很多離散的細(xì)密波紋[4]。從數(shù)學(xué)上講，一個(gè)函數(shù)曲線上如果有離散的細(xì)密波紋，此曲線就不是光滑的，而不光滑的曲線是不能進(jìn)行微分運(yùn)算的 (即誤差大小和方向不易控制和判定)。因?yàn)樵谟须x散微小波紋的曲線上，在很微小區(qū)域內(nèi)，曲線的斜率就有可能發(fā)生急劇變化(細(xì)分誤差產(chǎn)生的原因)。所以光柵傳感器無論分辨力有多高，示值變動(dòng)性多么穩(wěn)定，都存在由此細(xì)密波紋帶來的斜率誤差 (細(xì)分誤差)。

當(dāng)然，這類的誤差，不會(huì)超過波紋本身的幅值，它與所使用的光柵柵距有關(guān)，柵距越密，其可能帶來的斜率誤差也就越小，反之就越大。從目前已有的數(shù)據(jù)看，根據(jù)不同的光柵傳感器的柵距，國內(nèi)外光柵傳感器的這類誤差基本在幾十納米到幾百納米左右，對于一般準(zhǔn)確度的測量沒有明顯影響，而對于準(zhǔn)確度較高的測量該影響就很明顯了。

如果儀器使用了計(jì)算機(jī)技術(shù)，則對于轉(zhuǎn)換函數(shù)曲線不光滑的傳感器的示值誤差，制造廠一般有能力在量程內(nèi)的有限多個(gè)點(diǎn)上用計(jì)算機(jī)修正[5]，但問題是使用者需要在全量程內(nèi)的無限多點(diǎn)上使用儀器。因此，在實(shí)際測量中，測量點(diǎn)有可能落在有效量程內(nèi)的任何點(diǎn)上。從目前的技術(shù)可行性上講，對光柵傳感器轉(zhuǎn)換函數(shù)中的大量離散的細(xì)密波紋全部修正是不可能的。

通過以上敘述，可以看出數(shù)顯測長儀使用的光柵傳感器，也同樣會(huì)存在其自身的斜率誤差 (即細(xì)分誤差)問題，如果每毫米的線數(shù)少，或者所使用的光柵傳感器性能一般，則會(huì)帶來明顯的細(xì)分誤差，對帶有小數(shù)結(jié)果的影響就體現(xiàn)出來，使測量結(jié)果存在差異，這也是表1中兩臺(tái)同型號的數(shù)顯測長儀對同一對象進(jìn)行測量時(shí)，得到了不同的測量結(jié)果，其原因是兩臺(tái)數(shù)顯測長儀具有不同的細(xì)分誤差所致。

3 解決辦法

基于以上原因，為了保證數(shù)顯測長儀的量值準(zhǔn)確可靠，及更加合理地使用JJF1189－2008《測長儀校準(zhǔn)規(guī)范》，有必要在數(shù)顯測長儀的校準(zhǔn)中，增加對數(shù)顯測長儀數(shù)顯裝置細(xì)分誤差的控制。具體做法是校準(zhǔn)示值誤差時(shí)，在選擇5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)量塊的尺寸時(shí)，不要單純以整數(shù)標(biāo)稱值的量塊做為校準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)，而應(yīng)該輔之以整數(shù)后帶有小數(shù)尺寸的量塊做標(biāo)準(zhǔn)，對于小數(shù)尺寸，最好是具有微米標(biāo)稱值。

此外，也可以在選擇5個(gè)整數(shù)標(biāo)稱值的量塊校準(zhǔn)示值誤差后，再選擇相應(yīng)的微米尺寸量塊對數(shù)顯測長儀的示值誤差進(jìn)行校準(zhǔn)，尺寸的選擇建議量塊標(biāo)稱值帶有1，3，5，7，9μm。如 1.001，1.003，…，1.009 mm，因?yàn)橥ǔＪ褂玫?00線/mm光柵傳感器，其刻線間隔為0.01 mm，即10 μm。這樣，在一個(gè)柵距轉(zhuǎn)換中，上述的五塊量塊基本均勻分布于一個(gè)柵距的5個(gè)位置，就可以很好地體現(xiàn)數(shù)顯裝置的細(xì)分誤差，這樣經(jīng)過校準(zhǔn)的數(shù)顯測長儀則基本上保證了量值準(zhǔn)確，同時(shí)也不違背JJF1189－2008《測長儀校準(zhǔn)規(guī)范》的具體規(guī)定。

4 說明

以上是在使用JJF1189－2008《測長儀校準(zhǔn)規(guī)范》中發(fā)現(xiàn)的細(xì)分誤差問題，由于細(xì)分誤差不能像示值誤差一樣對測量結(jié)果進(jìn)行修正，因此，在實(shí)際使用中一定要保證細(xì)分誤差是已知可控的，否則將給后續(xù)的測量準(zhǔn)確度帶來不可知的影響。

經(jīng)過表1所述的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，我們重新確定了數(shù)顯測長儀的測量對象，盡量以整數(shù)測量為主，對于帶有小數(shù)的測量對象，則要加以區(qū)分，如針規(guī)直徑的測量，如果針規(guī)直徑的標(biāo)稱值在小數(shù)點(diǎn)后1位及以內(nèi)，則可以不考慮該儀器細(xì)分誤差的影響;如果標(biāo)稱值為小數(shù)點(diǎn)后2位，則對測量結(jié)果需要做一定的驗(yàn)證，以排除儀器細(xì)分誤差的影響，當(dāng)然如果有更好準(zhǔn)確度的儀器，則不考慮用此類數(shù)顯測長儀進(jìn)行測量;對于標(biāo)稱值是小數(shù)點(diǎn)后3位及以上的，該類型數(shù)顯測長儀則不可以使用。

[1]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJF1189－2008測長儀校準(zhǔn)規(guī)范[S].北京:中國計(jì)量出版社，2008.

[2]水文.長度測量用光柵傳感器的誤差分析 [J].工具技術(shù)，1984(9):44－46.

[3]何道清，張禾，諶海云.傳感器與傳感器技術(shù) [M].北京:科學(xué)出版社，2008.

[4]楊進(jìn)堂，楊慶輝.莫爾條紋動(dòng)態(tài)細(xì)分誤差的測量 [J].計(jì)量技術(shù)，1998(7):14－16.

[5]胡章芳，應(yīng)俊.減小光柵傳感器測量信號誤差的研究[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，19(6):697－701.