垂直度檢測尺校準裝置的設計與研究

徐 芳，龔云濤，齊 飛

（1.武漢市計量測試檢定（研究）所，湖北 武漢 430050；2.湖北中煙工業有限責任公司武漢卷煙廠，湖北 武漢 430040）

垂直度檢測尺是建筑工程質量檢測器組中的裝置之一，主要用于建筑物墻面的垂直度測量，由測桿、指示表、活動銷、握尺、連接扣和靠腳等組成。垂直度檢測尺是可折疊式結構，合攏時工作長度為1 m，將檢測尺兩端靠腳和中間靠腳緊貼被測面，指針讀數為指示表下行刻度數值，分辨率為1 mm/m；展開時工作長度為2 m，將上下靠腳緊貼被測面，指針讀數為指示表上行刻度數值，分辨率為1 mm/2 m。

垂直度檢測尺的校準依據JJF 1110—2003 建筑工程質量檢測器組校準規范，其示值誤差規定為±0.5 mm/2 m；示值變動量規定為在2 m 的長度上不大于0.1 mm[1]。建筑工程質量檢測器組校準規范中提供了校準裝置結構簡圖，利用固定測砧固定垂直度檢測尺的上靠腳，旋轉測微頭接觸下靠腳，讀取示值。但由于測量示值誤差時，測量尺為展開狀態，上下靠腳距離為2 m，長度跨距大，導致校準操作不便利。另外，因檢測尺與校準裝置的接觸是檢定員通過手壓施力，當跨度過大時，難以保證接觸間隙滿足要求，影響測量重復性[2]。因此，亟須對校準裝置進行更為精細的設計和改進，以滿足實際工作需要。

1 垂直度檢測尺校準方法

垂直度檢測尺測量時是利用物體重心向下的原理，通過上下測桿的折疊和展開分別顯示1 m 或2 m 工作狀態時，上下靠腳所貼合的被測面偏離鉛垂面的程度。校準步驟如下。

首先，校準垂直度檢測尺示值變動量。固定檢測尺后，調節測微頭到零位、調節指示表指針到零位，前后旋轉測微頭使指示表指針發生偏離后，再重新將測微頭旋至零位，觀察指示表指針讀數[3]。前后各5 次，示值的最大值和最小值之差為示值變動量。

其次，校準垂直度檢測尺的示值誤差。固定檢測尺后，在量程范圍內均勻選擇5 個校準點，依次旋轉測微頭至正負示值，在檢測尺上靠腳不變的情況下，讓下靠腳在鉛直平面內發生偏離，以此分別校準指示表左右刻度值是否準確。

需要注意的是，校準裝置要保證垂直度檢測尺能復現自然鉛垂狀態，同時能設定偏離值，以檢驗垂直度檢測尺是否能夠準確復現出偏離鉛垂面的標準值。

2 校準裝置設計

校準裝置的設計需要滿足兩個條件：一是校準裝置能約束垂直度檢測尺豎直方向的自由度。檢測尺豎直方向的自由度被約束，能解決人工對垂直度檢測尺施壓導致的靠腳和被測面間隙難以控制的情況，且大大降低了校準尺工作距離大帶來的校準操作難度；二是校準裝置能保證垂直度檢測尺相對于鉛垂面左右擺動的情況。在檢測尺處于自然鉛垂狀態時，測微頭要能夠兩邊旋轉推動檢測尺前后擺動，以保證指示表的正負都能被校準。

針對上述要求，設計了一種夾持裝置，見圖1。將該夾持裝置套裝在垂直度檢測尺最上端，平行于上靠腳的水平位置有兩圓柱形裝夾螺栓，可放置在校準裝置的V 型槽固定裝置上，圓柱配合V 型槽轉動，利用重心向下的原理，可以保證當垂直度檢測尺處于自然鉛垂狀態。V 型槽固定裝置為垂直度檢測尺提供豎直方向的支撐，同時還提供繞X 軸方向的旋轉自由度，從而保證其能穩定懸掛在校準裝置上，保證測出數據的重復性。

數顯測微頭固定在升降平臺上（見圖2），可以上下調節測微頭在豎直方向上的高度，以滿足不同型號、不同長度的垂直度檢測尺的校準需要。測微頭能提供正負方向的偏移距離，實現垂直度檢測尺在鉛垂面的零位復現和標準值復現，從而進行示值誤差的校準。

圖1 垂直度檢測尺夾持裝置圖

圖2 測微頭支撐裝置圖

3 不確定度分析

依據JJF 1110—2003 建筑工程質量檢測器組校準規范[1]，對該垂直度檢測尺校準裝置示值誤差的測量結果不確定度進行評估[4-5]。

3.1 建立測量模型

由測量原理和方法，得到測量模型[4-5]為

式中：Δ 為垂直度檢測尺示值誤差，mm/2 m；A 為被校準垂直度檢測尺指示表的讀數值，mm/2 m；A0為測微頭示數值，mm/2 m。

3.2 方差和靈敏系數

依照

得

其中，c（A）=?Δ/?A=1，c（A0）=?Δ/?A0=-1。

3.3 標準不確定度分量評定

3.3.1 與儀器讀數有關的不確定度分量u（A）

1） 由垂直度檢測尺讀數時的量化誤差引入不確定度分量u（A1）。分辨力為0.2 mm/2 m 的垂直度檢測尺指示表讀數時的量化誤差以等概率出現在半寬為0.1 mm/2 m 的區間內，故引入不確定度分量u（A1），u（A1）=0.1 mm/=0.058 mm/2 m。

2） 由測量重復性引入不確定度分量u（A2）。對于測量重復性引入的不確定度分量，在量程范圍內選擇中間點9 mm/2 m 作為校準點，在重復性條件下連續測量10 次，得到測量列8.8 mm/2 m，8.9 mm/2 m，9.0 mm/2 m，9.2 mm/2 m，8.9 mm/2 m，9.0 mm/2 m，9.1 mm/2 m，9.0 mm/2 m，9.2 mm/2 m，9.0 mm/2 m，則平均值為9.01 mm/2 m。

由貝塞爾公式求單次測得值的實驗標準差，計算公式為由重復性引入的標準不確定度分量u（A2）計算公式為

由于量化誤差大于測量重復性，故與儀器讀數有關的不確定度分量u（A）取測量重復性，得u（A）=0.058 mm/2 m。

3.3.2 與校準裝置有關的不確定度分量u（A0）

校準裝置引入的不確定度主要由數顯測微頭的示值誤差引入，限數顯測微頭的最大允許誤差為±0.01 mm，按均勻分布，取包含因子k=0.01 mm/則u（A0）=0.01 mm

3.3.3 與裝配關系有關的不確定度分量u（Acp）

被檢的垂直度檢測尺裝夾固定在校準裝置上時，圓柱形裝夾螺栓需與上靠腳在同一水平線上。由于是人工操作，故而會有上下偏差影響。設定此因素的最大允許誤差為±0.1 mm/2 m，并假定其影響為均勻分布，故裝配關系引入的不確定度分量為

3.4 合成標準不確定度

垂直度檢測尺示值誤差的測量結果不確定度分量匯總見表1。

表1 不確定度分量一覽表

上述各不確定度分量間沒有值得考慮的相關性，因此合成標準不確定度為

3.5 擴展不確定度

取包含因子k=2，則有U=kuc=2×0.082 mm/2 m=0.16 mm/2 m。

4 結束語

按照JJF 1110—2003 建筑工程質量檢測器組校準規范要求，垂直度檢測尺的示值誤差為±0.5 mm/2 m；通過上文的分析計算可知，校準結果的擴展不確定度U=0.16 mm/2 m，k=2。由U=0.16 mm/2 m≤1/3 MPEV=0.17 mm/2 m 可知，該方法滿足垂直度檢測尺示值誤差校準的要求，校準結果質量可靠，測量數據準確可信。