測長儀校準規(guī)范使用中要注意的一個問題

常青，常晟

(1.中國賽寶實驗室，廣東 廣州 510610;2.西京學院機械系機械與自動化，陜西 西安 710049)

0 引言

已經頒布施行的JJF1189-2008《測長儀校準規(guī)范》在規(guī)范測長儀 (含數顯類)的校準方法、保證其量值準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，增加了對于數顯測長儀校準的規(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)光機電一體化的發(fā)展，原有的光學機械式讀數測長儀逐漸被數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顯測長儀的校準要求，這對于原規(guī)程是一個進步，也使得大量出現(xiàn)的數顯測長儀在實際使用中，具有了規(guī)范的量值溯源方法，從而保證了數顯測長儀對于產品尺寸測量的準確度。

1 發(fā)現(xiàn)問題

由于數顯測長儀的自身特性，在校準規(guī)范中沒有對數顯裝置的細分特性進行明確要求，使得數顯測長儀在實際使用中，對測量結果的準確度帶來一些意外的影響，使測量數據的可靠性產生疑問，特別是在φ10 mm以下的針規(guī)直徑中，很多測量值會與實際結果不一致。使用某型號的數顯測長儀 (機身號ZH0101)，針對1 mm點附近的儀器示值誤差進行的驗證，對相應被測樣品 (量塊)進行測量。儀器示值誤差結果見表1，其中示值誤差已進行修正。

表1 測量1 mm時的示值誤差

可以看出在1 mm點附近給出的儀器示值誤差的最大差值達到1.0 μm，并且在1.000 mm和1.001 mm兩點的示值誤差的差異為0.4 μm，1.009 mm和1.010 mm兩點的示值誤差的差異為0.5 μm，這種情況對實際測量，影響會很大。

同樣再選擇兩塊標稱尺寸為10.24 mm的量塊，經過偏差修正后，一塊實際值為10.2400 mm，一塊10.2398 mm，同時在數顯測長儀測量范圍中的三個位置進行測量，測量數據見表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，在其他測量點上也存在類似的情況，只要是標準量塊的實際值在微米量級不為0時，測量時其相近點的儀器示值誤差就會有明顯差異，這應該是數顯裝置所特有的，須引起注意。

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

但是，從表1所述的數顯測長儀示值誤差校準結果看，帶小數位的被測對象，其相鄰點示值誤差的最大差值達1.0 μm，并且按照儀器出廠指標中最大允許誤差 (0.5+L/100)μm的要求，個別點的示值誤差也超過了相應的要求，出現(xiàn)該問題的原因，就是數顯裝置的細分誤差引起的[2]，而細分誤差的影響可以通過對數顯裝置的結構特點進行敘述加以說明。

2 原因分析

測長儀的數顯裝置由光柵傳感器[3]構成，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，其輸出特性的轉換函數曲線并不是連續(xù)平滑的，而是具有很多離散的細密波紋[4]。從數學上講，一個函數曲線上如果有離散的細密波紋，此曲線就不是光滑的，而不光滑的曲線是不能進行微分運算的 (即誤差大小和方向不易控制和判定)。因為在有離散微小波紋的曲線上，在很微小區(qū)域內，曲線的斜率就有可能發(fā)生急劇變化(細分誤差產生的原因)。所以光柵傳感器無論分辨力有多高，示值變動性多么穩(wěn)定，都存在由此細密波紋帶來的斜率誤差 (細分誤差)。

當然，這類的誤差，不會超過波紋本身的幅值，它與所使用的光柵柵距有關，柵距越密，其可能帶來的斜率誤差也就越小，反之就越大。從目前已有的數據看，根據不同的光柵傳感器的柵距，國內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，對于一般準確度的測量沒有明顯影響，而對于準確度較高的測量該影響就很明顯了。

如果儀器使用了計算機技術，則對于轉換函數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的有限多個點上用計算機修正[5]，但問題是使用者需要在全量程內的無限多點上使用儀器。因此，在實際測量中，測量點有可能落在有效量程內的任何點上。從目前的技術可行性上講，對光柵傳感器轉換函數中的大量離散的細密波紋全部修正是不可能的。

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

3 解決辦法

基于以上原因，為了保證數顯測長儀的量值準確可靠，及更加合理地使用JJF1189－2008《測長儀校準規(guī)范》，有必要在數顯測長儀的校準中，增加對數顯測長儀數顯裝置細分誤差的控制。具體做法是校準示值誤差時，在選擇5個標準量塊的尺寸時，不要單純以整數標稱值的量塊做為校準用的標準，而應該輔之以整數后帶有小數尺寸的量塊做標準，對于小數尺寸，最好是具有微米標稱值。

此外，也可以在選擇5個整數標稱值的量塊校準示值誤差后，再選擇相應的微米尺寸量塊對數顯測長儀的示值誤差進行校準，尺寸的選擇建議量塊標稱值帶有1，3，5，7，9μm。如 1.001，1.003，…，1.009 mm，因為通常使用的100線/mm光柵傳感器，其刻線間隔為0.01 mm，即10 μm。這樣，在一個柵距轉換中，上述的五塊量塊基本均勻分布于一個柵距的5個位置，就可以很好地體現(xiàn)數顯裝置的細分誤差，這樣經過校準的數顯測長儀則基本上保證了量值準確，同時也不違背JJF1189－2008《測長儀校準規(guī)范》的具體規(guī)定。

4 說明

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

經過表1所述的實驗驗證，我們重新確定了數顯測長儀的測量對象，盡量以整數測量為主，對于帶有小數的測量對象，則要加以區(qū)分，如針規(guī)直徑的測量，如果針規(guī)直徑的標稱值在小數點后1位及以內，則可以不考慮該儀器細分誤差的影響;如果標稱值為小數點后2位，則對測量結果需要做一定的驗證，以排除儀器細分誤差的影響，當然如果有更好準確度的儀器，則不考慮用此類數顯測長儀進行測量;對于標稱值是小數點后3位及以上的，該類型數顯測長儀則不可以使用。

[1]國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.JJF1189－2008測長儀校準規(guī)范[S].北京:中國計量出版社，2008.

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

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

[4]楊進堂，楊慶輝.莫爾條紋動態(tài)細分誤差的測量 [J].計量技術，1998(7):14－16.

[5]胡章芳，應俊.減小光柵傳感器測量信號誤差的研究[J].重慶郵電大學學報:自然科學版，2007，19(6):697－701.