超大量程數顯千分表校準方法及測量不確定度分析

權伊明 張濤 胡偉強

中國航發沈陽發動機研究所 遼寧 沈陽 110001

引言

隨著數字技術的發展，數顯千分表以其超大量程、高精度、高穩定性用于機械加工及試驗測試技術，用以檢測被加工零件的尺寸形位偏差及試驗數據的測試。為保證檢測數據的準確性，需要對數顯千分表進行周期檢定校準，檢定校準的依據為JJG34-2008《指示表（百分表和千分表）檢定規程》[1]。在JJG34-2008《指示表（百分表和千分表）檢定規程》中，規定數顯千分表的量程檢定范圍不大于10mm，對量程大于10mm的數顯千分表的檢定校準方法和示值誤差沒有詳細論述。為完成超大量程數顯千分表（量程：0～150mm）的校準，通過生產實踐，設計了分量程校準方式對超大量程數顯千分表進行校準。即量程在（0～10）mm內，按JJG34-2008《指示表（百分表和千分表）檢定規程》的規定進行校準，采用絕對測量方式。對10mm以外的量程采用以三等量塊為基準，以阿貝比長儀臺架為輔助數顯千分表裝夾機構，采用比對測量方式進行校準。校準完成后，對兩種測量方式的測量不確定度進行分析評定。

1 超大量程數顯千分表校準方法

1.1 量程（0～10）mm內校準方法

測量標準儀器：全自動光柵式指示表檢定儀，測量范圍（0～50）mm，全程范圍內示值誤差不大于6μm，任意30mm范圍內示值誤差不大于3μm，任意10mm 范圍內示值誤差不大于2μm，任意2mm范圍內示值誤差不大于1.5μm，任意1mm范圍內示值誤差不大于1μm。

測量方法：如圖1，將數顯千分表通過夾具裝夾在光柵式指示表檢定儀上，調整其裝夾位置，使全自動光柵式指示表檢定儀滿足數顯千分表校準要求[2]。通過全自動光柵式指示表檢定儀對超大量程數顯千分表（0～10）mm內的示值誤差進行校準。校準方法按JJG34-2008《指示表（百分表和千分表）檢定規程》執行。

圖1 光柵式指示表檢定儀校準超大量程數顯千分表

1.2 量程（10～150）mm校準方法

對10mm以外的量程采用以三等量塊為基準，采用比對測量方式進行校準。

測量裝置：測量標準三等量塊，測量范圍（0～150）mm，測量不確定度0.10μm +1×10-6×ln。

測量方法：如圖2，將數顯千分表通過夾具裝夾在測量裝置上，調整其裝夾位置，使數顯千分表的測量線與測量工作臺保持垂直狀態[3]。將1mm三等量塊放置在工作臺上，升降阿貝比長儀立軸，使數顯千分表測頭與量塊中心接觸，撥動測頭數次，待數顯千分表讀數穩定后，將數顯千分表顯示數值置零。再把10mm量塊放置在工作臺上，測頭對準量塊中心撥動測頭數次，數顯千分表讀數穩定后記錄數顯千分表讀數值，千分表讀數與量塊示值之差即為該點示值誤差。按順序依次更換量塊，校準各點示值誤差。（10～100）mm范圍內每隔10mm測量一點，（100～150）mm每隔25mm測量一點。校準在正、反兩個行程上進行。數顯千分表的示值誤差以正行程中各校準點示值誤差最大值和最小值之差的最大值確定。正、反行程上同一點誤差之差的最大值為（10～100）mm測量段的回程誤差。

圖2 阿貝比長儀校準超大量程數顯千分表

2 不確定度分析與評定

2.1 以光柵式指示表檢定儀為標準的測量數顯千分表值誤差不確定度

2.1.1 不確定度來源。對數顯千分表（0～10）mm內的示值誤差用光柵式指示表檢定儀進行校準，不確定度來源包括測量重復性、光柵式指示表檢定儀示值誤差、數顯千分表和檢定儀的線膨脹系數差、數顯千分表和檢定儀的溫度差等[4]。

2.1.2 標準不確定度評定。

2.1.2.1 測量重復性引入的不確定度。對光柵式指示表檢定儀，在重復性條件下分別測量千分表中點示值誤差10次，得到實驗標準差s不超過0.05μm，則測量重復性引入的不確定度為：

2.1.2.2 檢定儀的示值誤差引入的不確定度u1。光柵式指示表檢定儀示值誤差在任意10mm范圍內不大于3μm，估計為均勻分布，則光柵式指示表檢定儀示值誤差引入的不確定度為：

2.1.2.3 指示表和檢定儀線膨脹系數引入的不確定度u2。指示表和檢定儀的線膨脹系數差在±2×10-6℃-1范圍內，估計為均勻分布，校準時溫度偏移標準溫度不超過5℃，測量時最大測量長度為10mm，則：

2.1.2.4 指示表和檢定儀溫度差引入的不確定度u4。指示表和檢定儀的溫度差估計在±1℃的范圍內均勻分布，測量時最大測量長度為10mm，線膨脹系數以11.5×10-6℃-1計算，則：

2.1.4 擴展不確定度。取置信概率p=95%，k=2，因指示表示值誤差是最大值和最小值之差，則光柵式指示表檢定儀測量（0～10）mm指示表的擴展不確定度為：

2.2 以三等量塊為標準的測量數顯千分表值誤差不確定度

2.2.1 不確定度來源。對數顯千分表（10～150）mm內的示值誤差用三等量塊進行校準，不確定度來源包括測量重復性、量塊示值誤差、數顯千分表和量塊的線膨脹系數差、數顯千分表和量塊的溫度差等[5]。

2.2.2 標準不確定度評定。

千分表測量重復性可以通過重復性實驗得到。對千分表10mm校準點重復測量10次，通過貝塞爾公式計算，得到其實驗標準差s=0.52μm，則千分表測量重復性引入的不確定度為：

根據JJG 146-2011《量塊檢定規程》的規定，三等量塊中心長度的測量不確定度不大于，其置信概率為99%，k=2.7，對零量塊為1mm，則對零用量塊中心長度引入的不確定度為：

2.2.2.4 千分表和量塊間線膨脹系數引入的不確定度分量。因量塊和千分表的線膨脹系數均為，兩者的線膨脹系數差在區間內為均勻分布，校準時溫度偏移標準溫度不超過1℃，測量時最大測量長度為150mm，則：

2.2.2.5 千分表和量塊間的溫度差引入的不確定度分量

。千分表和量塊間的溫度差估計在±0.3℃的范圍內均勻分布，測量時最大測量長度為150mm，線膨脹系數以11.5×10-6℃-1計算，則：

2.2.3 合成標準不確定度。各分量彼此獨立不相關，則測量(10～150)mm數顯千分表的合成標準不確定度為：

2.2.4 擴展不確定度。取置信概率p=95%，包含因子k＝2，則：

3 結束語

本文詳細闡述了超大量程數顯千分表的校準方法和不確定度分析評定，從大量程數顯千分表校準結果和不確定度分析結果來看，分量程校準方法完全滿足超大量程數顯千分表的校準需求，可以用于超大量程數顯千分表的周期校準，以保證了量值傳遞的準確可靠。