光柵式指示表檢定儀的不確定度評定

唐薇

（中國飛機強度研究所，陜西西安，710065）

0 引言

本單位的機械加工和科研試驗都需要用到大量的指示量具，這些指示量具為機械精密加工和科研試驗中提供精確定位、精密的長度測量和位移變化。光柵式指示表檢定儀主要用于檢定和校準指針式、數顯式及杠桿式的百分表和千分表。該檢定儀主要由標準裝置（高精度光柵尺、直線導軌及滑臺）、接口電路及計算機三部分組成。它是利用高精度光柵測長原理，把直線位移變成電信號，經接口電路，將正弦波信號變為電脈沖，并利用計算機及其專用軟件進行測量數據采集與檢定/校準結果的處理，最后打印出數據的原始記錄[1]。光柵式指示表檢定儀根據其測桿行程（即標準值）測量指示表的測桿行程（即被測值），兩個值之差就是被測點的示值誤差。本單位使用的是半自動臥式指示表檢定儀，具有操作方便，可靠性、穩定性高、自動打印、查詢便捷等優點，能高精度、高效率地完成檢定校準工作。

該檢定儀的檢定方法采用直接測量法，將指示表安裝在指示表檢定儀上，對好零位。轉動檢定儀的旋轉手輪，手動檢定時，對準被檢表預檢刻線，單擊鼠標左鍵；自動檢定時，在設定時間內對準被檢表預檢刻線，提示該點檢定完成，直到工作行程的終點，提示正程檢完；再繼續前行10個分度值，返回滿量程，按照上述方法進行返程檢定。計算機自動完成標準光柵測得位移和指示表行程的比較，并進行數據的顯示、處理及記錄生成與打印。

1 不確定度分析

為了保證光柵式指示表檢定儀的檢定/校準數據準確可靠，需要對它進行不確定度分析。首先確定不確定度來源[2]。不確定來源主要包括A類不確定度和B類不確定度。A類不確定度主要是由檢定儀多次的測量重復性引入的不確定度分量。B類不確定度則主要包括檢定儀引入的不確定度分量、人員估讀誤差引入的不確定度分量、測力變化引入的不確定度分量、裝夾傾斜引入的不確定度分量[3-4]。

2 不確定度評定

2.1 檢定百分表的不確定評定

選取一個(0～10) mm、上海自動化儀表廠生產的編號為69-36938的指針式百分表進行不確定度評定。

2.1.1 A類不確定度評定

出廠編號為69-36938的指針式百分表，在裝置正常的工作條件下，在其5 mm進程處等精度直接測量6次[5]，其示值誤差測量結果見下表(單位:μm)：

表1 該百分表示值誤差

通過計算，得到重復性：

由于百分表、千分表示值誤差是以正行程最大誤差與最小誤差來計算，且將單次測量作為測量結果，故：

2.1.2 B類不確定度評定

(1)檢定儀引入的不確定度分量uB1

參照JJG201-2008《指示類量具檢定儀檢定規程》[6]，該標準對百分表允許示值誤差為±2μm，Δ1=2μm。按均勻分布，k取，其測量不確定度為：

(2)人員估讀誤差引入的不確定度分量uB2

對于百分表，允許估讀誤差為±1μ（m每格10等分），Δ2=1μm。由于百分表全程示值誤差是以正行程最大誤差與最小誤差來計算[7]，按三角分布，k取，其測量不確定度為：

(3)測力變化引入的不確定度分量uB3

指示表與檢定儀的接觸為球面對平面接觸，測力變形量δ為：

式中，當光柵式指示表檢定儀測桿材料為硬質合金，百分表測頭材料為鋼時[8]，。p為測力值，由JJG34—2008《指示表（指針式、數顯式）檢定規程》[9]知，p=1.5N，Δp=0.5N。d是測頭直徑，d=2.5mm。

因此，由于測力變化引入的示值誤差為±0.07μm。按均勻分布，k取，其測量不確定度為：

(4)裝夾傾斜引入的不確定度分量uB4

根據規程要求，被檢表測桿主軸與檢定儀測桿主軸夾角θ誤差為

很小，sinθ≈θ，估計誤差Δθ為 0.1°，即 0.002rad，且該誤差為均勻分布，k取，其測量不確定度為：

2.1.3 合成不確定度

由于各分量之間彼此獨立，故：

將之前算的值帶入上面的公式中，得到檢定百分表的合成不確定度uc=1.49μm。

2.1.4 擴展不確定度

當置信概率p=95%時，取置信因子k=2，則擴展不確定度U=k×uc=3.0μm。

2.2 檢定千分表的不確定評定

2.2.1 A類不確定度評定

選取一個(0～1)mm、哈爾濱量具刃具廠生產的出廠編號為12111的指針式千分表，在裝置正常的工作條件下，對其0.5mm進程處等精度直接測量6次，示值誤差測量結果如下(單位:μm)：

表2 該千分表示值誤差

通過計算，得到重復性：

由于百分表、千分表示值誤差是以正行程最大誤差與最小誤差來計算，且將單次測量作為測量結果，故：

2.2.2 B類不確定度評定

(1)檢定儀引入的不確定度分量uB1

參照JJG201-2008《指示類量具檢定儀檢定規程》[6]，對千分表允許示值誤差為±1μm，Δ1=1μm。按均勻分布，k取，其測量不確定度為：

(2)人員估讀誤差引入的不確定度分量uB2

對于千分表，允許估讀誤差為±0.2μ（m每格5等分），Δ2=0.2μm。由于千分表全程示值誤差是以正行程最大誤差與最小誤差來計算，按三角分布，k取，其測量不確定度為：

(3)測力變化引入的不確定度分量uB3

指示表與檢定儀的接觸為球面對平面接觸，測力變形量δ為：

式中，當光柵式指示表檢定儀測桿材料為硬質合金，百分表測頭材料為鋼時[8]，。p為測力值，由JJG34—2008《指示表（指針式、數顯式）檢定規程》[9]知，p=1.5N，Δp=0.5N。d是測頭直徑，d=2.5mm。

因此，由于測力變化引入的示值誤差為±0.07μm。按均勻分布，k取，其測量不確定度為：

(4)裝夾傾斜引入的不確定度分量uB4

根據規程要求，被檢表測桿主軸與檢定儀測桿主軸夾角θ誤差為

很小，sinθ≈θ，估計誤差Δθ為 0.1°，即 0.002rad，且該誤差為均勻分布，k取，其測量不確定度為：

2.2.3 合成不確定度

由于各分量之間彼此獨立，故：

2.2.4 擴展不確定度

當置信概率p=95%時，取置信因子k=2，則擴展不確定度U=k×uc=1.2μm。

3 結論

將同一百分表和千分表送上級計量站檢定，本單位指示表檢定儀的檢定結果y值與上級計量站的檢定結果y0值分別進行比對，結果如表3和表4所示。

表3 百分表的兩次檢定結果誤差比較

回程誤差 2.0μm 2.0μm 0

表4 千分表的兩次檢定結果誤差比較

由表3和表4的比對結果可知，|y-y0|≤U，因此該檢定儀檢定百分表和千分表的不確定度均得到驗證。