劉香斌 吳月艷 張旭東

(中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100013 )

0 引言

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)量塊比較測(cè)量使用的儀器主要是接觸式干涉儀和光學(xué)計(jì)。20世紀(jì)90年代以來(lái)，很多計(jì)量機(jī)構(gòu)開始使用電感式量塊比較儀，其示值誤差在±0.03μm左右。其檢定或校準(zhǔn)大多參考接觸式干涉儀檢定規(guī)程。近年來(lái)進(jìn)口的量塊比較儀越來(lái)越多，其所標(biāo)注的技術(shù)指標(biāo)比較混亂，缺乏相關(guān)的法規(guī)文件來(lái)規(guī)范。2011年國(guó)家質(zhì)檢總局頒布并實(shí)施了JJF 1304—2011量塊比較儀校準(zhǔn)規(guī)范。經(jīng)過(guò)1年多的實(shí)施，發(fā)現(xiàn)在規(guī)范的使用中存在一些問(wèn)題和疑問(wèn)。多數(shù)問(wèn)題的焦點(diǎn)在于規(guī)范中涉及的雙測(cè)頭量塊比較儀與傳統(tǒng)的單測(cè)頭量塊比較儀的區(qū)別。因此，本文將主要介紹一下單、雙測(cè)頭量塊比較儀在使用和校準(zhǔn)方面的異同，同時(shí)對(duì)新校準(zhǔn)規(guī)范的一些問(wèn)題進(jìn)行說(shuō)明。

1 量塊比較儀的簡(jiǎn)介

量塊比較儀是檢定量塊的主要計(jì)量?jī)x器，它是采用比較方法測(cè)量量塊長(zhǎng)度的計(jì)量?jī)x器。該儀器使用范圍廣泛，使用量極大。量塊比較儀有很多種類和型號(hào)，其中，各種光學(xué)計(jì)、測(cè)長(zhǎng)儀、接觸式干涉儀等早已為大家所熟知和使用，測(cè)長(zhǎng)機(jī)用于比較測(cè)量大尺寸量塊，也可以認(rèn)為是量塊比較儀，但是，由于JJF 1304—2011量塊比較儀校準(zhǔn)規(guī)范中將量塊比較儀限定在垂直方式比較測(cè)量量塊的儀器，因此，我們?cè)谟懻摿繅K比較儀時(shí)不把測(cè)長(zhǎng)機(jī)考慮在內(nèi)。電感、光柵傳感器類型的量塊比較儀在近年來(lái)越來(lái)越廣泛的用于量塊比較測(cè)量上，成為了量塊比較儀的主流。新規(guī)范也主要適用于這類儀器。量塊比較儀結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

1、1a. 位移傳感器(測(cè)頭) 2. 參考量塊 3. 被測(cè)量塊 4. 儀器顯示器圖1 量塊比較儀結(jié)構(gòu)示意圖

圖1所示是雙測(cè)頭量塊比較儀的結(jié)構(gòu)示意。如果是單測(cè)頭量塊比較儀，就沒(méi)有了圖1中的1a位移傳感器，取而代之的是球筋工作臺(tái)或帶筋工作臺(tái)。

2 JJF 1304—2011量塊比較儀校準(zhǔn)規(guī)范執(zhí)行中的主要問(wèn)題

問(wèn)題1：適用范圍？

簡(jiǎn)單的說(shuō)，新規(guī)范的適用范圍是用來(lái)比較測(cè)量量塊長(zhǎng)度的儀器。限制條件是采用垂直安放量塊的方式，不包括測(cè)長(zhǎng)機(jī)類型。

這個(gè)范圍看似非常廣泛，包括了各種光學(xué)計(jì)、測(cè)長(zhǎng)儀和接觸式干涉儀等，實(shí)際上并非如此。新規(guī)范制定的原則是從儀器的用途或功能上來(lái)確定：對(duì)于用于(特別是僅僅用于)比較測(cè)量量塊長(zhǎng)度的儀器，使用新規(guī)范來(lái)校準(zhǔn)。對(duì)于接觸式干涉儀這樣已有檢定規(guī)程的儀器應(yīng)該按原規(guī)程進(jìn)行檢定。因?yàn)?，這些儀器除了可以比較測(cè)量量塊長(zhǎng)度以外還有其他的測(cè)量功能，原規(guī)程的檢定是全面完整的，可以確認(rèn)儀器是否符合要求。當(dāng)這些儀器僅僅用于比較測(cè)量量塊時(shí)，可以使用新規(guī)范來(lái)校準(zhǔn)。關(guān)于適用范圍的問(wèn)題，對(duì)于單、雙測(cè)頭量塊比較儀是一樣的。

問(wèn)題2：量塊尺寸的選擇？

校準(zhǔn)量塊比較儀示值誤差的標(biāo)準(zhǔn)器是量塊對(duì)。規(guī)范中給出了量塊尺寸的選擇表，見表1。序列A與序列B構(gòu)成的每一對(duì)量塊的長(zhǎng)度差值是標(biāo)準(zhǔn)值。

關(guān)于量塊尺寸的選擇，首先，選擇表1中序列1、2、3四塊量塊組成三個(gè)量塊對(duì)，提供5μm、10μm、 20μm三個(gè)長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)值用于校準(zhǔn)儀器的示值誤差。這個(gè)選擇應(yīng)該是清楚的，對(duì)于單、雙測(cè)頭量塊比較儀是一樣的。由于量塊比較儀的傳感器不同，如電感傳感器的示值有非線性誤差問(wèn)題，光柵傳感器有細(xì)分均勻性問(wèn)題、光柵信號(hào)移相是否精準(zhǔn)問(wèn)題等等，因此，這三個(gè)量塊對(duì)是最低要求，使用者應(yīng)根據(jù)不同儀器的具體情況盡量增加量塊對(duì)以保證校準(zhǔn)的準(zhǔn)確。如示值范圍較小時(shí)可增加1μm、2μm；示值范圍較大時(shí)可增加50μm、100μm等。

對(duì)于單、雙測(cè)頭量塊比較儀不一樣的地方是雙測(cè)頭量塊比較儀還要選擇序列4、5、6。這就引出了下面第3個(gè)問(wèn)題。

表1 量塊尺寸 單位：mm

注：位移傳感器示值范圍超過(guò)±20μm時(shí)，根據(jù)使用情況增加校準(zhǔn)點(diǎn)；帶“*”號(hào)序列的量塊對(duì)可選。

問(wèn)題3：三對(duì)相同標(biāo)稱長(zhǎng)度的量塊有什么意義？

序列4、5、6量塊對(duì)的標(biāo)稱長(zhǎng)度是一樣的，從比較測(cè)量量塊長(zhǎng)度的最小值到最大值。增加序列4、5、6是針對(duì)雙測(cè)頭量塊比較儀的，是為了校準(zhǔn)雙測(cè)頭量塊比較儀測(cè)量不同長(zhǎng)度量塊時(shí)，示值誤差是否都能滿足要求。雙測(cè)頭量塊比較儀的上、下測(cè)頭對(duì)準(zhǔn)是否良好，工作臺(tái)對(duì)量塊的實(shí)際支撐面是否穩(wěn)定且與測(cè)頭位移方向垂直，下測(cè)頭伸出長(zhǎng)度多少，等等這些問(wèn)題都可能造成測(cè)量長(zhǎng)度不同的量塊時(shí)，盡管示值相同或接近，但是，示值誤差會(huì)不相同，所以也會(huì)產(chǎn)生不同的測(cè)量結(jié)果。這就是雙測(cè)頭量塊比較儀的不同點(diǎn)造成的，而單測(cè)頭量塊比較儀由于對(duì)工作臺(tái)有嚴(yán)格的要求不會(huì)產(chǎn)生這樣的問(wèn)題，也就不需要選擇序列4、5、6了。

3 單、雙測(cè)頭量塊比較儀使用上的區(qū)別

單測(cè)頭量塊比較儀測(cè)量10mm及以下的量塊時(shí)采用球筋工作臺(tái)，測(cè)量大于10mm的量塊時(shí)采用帶筋工作臺(tái)，因此，通常使用兩臺(tái)儀器實(shí)現(xiàn)量塊的比較測(cè)量，否則需要更換工作臺(tái)以適應(yīng)不同長(zhǎng)度的量塊。雙測(cè)頭量塊比較儀沒(méi)有此類要求，只需一臺(tái)儀器就可以實(shí)現(xiàn)量塊的比較測(cè)量。

單測(cè)頭量塊比較儀測(cè)量時(shí)，通過(guò)撥動(dòng)撥叉控制測(cè)頭重復(fù)接觸量塊表面可以檢查量塊表面是否清潔，確保讀數(shù)準(zhǔn)確。雙測(cè)頭量塊比較儀通常是測(cè)頭自動(dòng)移動(dòng)接觸量塊工作面、停止并采數(shù)。如果量塊表面有灰塵、油污等將直接影響測(cè)量結(jié)果，造成粗大誤差。這個(gè)區(qū)別主要是由于單測(cè)頭量塊比較儀通常是手動(dòng)操作，而雙測(cè)頭量塊比較儀是自動(dòng)操作造成的。如果單測(cè)頭量塊比較儀是自動(dòng)操作也會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題。

通常雙測(cè)頭量塊比較儀帶有量塊安放的定位架，可以準(zhǔn)確地將量塊被測(cè)點(diǎn)置于測(cè)頭下，保證被測(cè)位置的準(zhǔn)確；而單測(cè)頭量塊比較儀一般沒(méi)有定位架，需要測(cè)量者用人眼控制定位。

對(duì)于彎曲比較大的小量塊，有可能與工作臺(tái)接觸不良，單測(cè)頭量塊比較儀需要將量塊翻面測(cè)量，而雙測(cè)頭量塊比較儀，下測(cè)頭可良好接觸，則不需要翻面測(cè)量。

4 單、雙測(cè)頭量塊比較儀校準(zhǔn)上的區(qū)別

量塊比較儀校準(zhǔn)規(guī)范中規(guī)定了5項(xiàng)計(jì)量特性：工作臺(tái)、示值范圍、示值誤差、測(cè)量重復(fù)性、漂移。

工作臺(tái)只適用于單測(cè)頭量塊比較儀，其技術(shù)指標(biāo)多達(dá)6項(xiàng)，用以確保量塊的下工作面能與工作臺(tái)良好接觸，不影響測(cè)量準(zhǔn)確度。而雙測(cè)頭量塊比較儀由于下測(cè)頭可以伸出接觸量塊下工作面，因此，對(duì)工作臺(tái)無(wú)特殊要求，只要保證量塊穩(wěn)定安放，沒(méi)有毛刺等突出物損壞量塊即可。這是單、雙測(cè)頭量塊比較儀的最大區(qū)別。

量塊比較儀的示值誤差是最主要的技術(shù)指標(biāo)，示值范圍也是一個(gè)重要的技術(shù)參數(shù)，它是與示值誤差緊密相關(guān)的。通常示值范圍小時(shí)，其示值誤差就小，反之就大。這兩個(gè)指標(biāo)一起提出，可以更完整的表明儀器的計(jì)量性能。

單測(cè)頭量塊比較儀的示值范圍可以準(zhǔn)確的得到，而雙測(cè)頭量塊比較儀可以不考慮下測(cè)頭的范圍，通常將上測(cè)頭的示值范圍作為儀器的示值范圍。

校準(zhǔn)儀器的示值誤差時(shí)，單測(cè)頭量塊比較儀只選擇表1中的序列1、2、3即可，而雙測(cè)頭量塊比較儀則要選擇表1中的序列1、2、3和序列4、5、6。

表1中下方注的第一行文字有兩點(diǎn)要注意：

1)示值范圍以±20μm表示的含義的理解。有的儀器示值范圍是從-20μm到+20μm，(這樣的儀器多是表盤顯示的)；多數(shù)儀器示值范圍是從0μm到20μm，儀器可在任意位置置零，則可變?yōu)?μm到-20μm或者-10μm到+10μm(這種儀器多是數(shù)顯的或連接計(jì)算機(jī)的)。校準(zhǔn)示值誤差時(shí)應(yīng)該從5μm、10μm、 20μm到-5μm、-10μm、-20μm進(jìn)行。雙測(cè)頭量塊比較儀必須“+、-”方向都要校準(zhǔn)，而對(duì)于單測(cè)頭量塊比較儀的數(shù)顯或計(jì)算機(jī)類則可以只校準(zhǔn)“+”方向，因?yàn)槠洹?”和“-”方向的示值誤差是一樣的。

2)示值范圍大于20μm時(shí)需要增加量塊。例如示值范圍為200μm時(shí)，可以增加50μm、100μm、 200μm三個(gè)測(cè)量點(diǎn)。當(dāng)然對(duì)于不同類型儀器也有“+、-”方向問(wèn)題。

測(cè)量重復(fù)性和漂移的特性，對(duì)于兩種比較儀基本一致。使用和校準(zhǔn)上采取相同的方法即可，唯一需要注意的是灰塵或油污等的影響反應(yīng)不同。

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)際上，單、雙測(cè)頭量塊比較儀還有大大小小很多不同，由于其大多屬于制造及研究方面，有機(jī)會(huì)的話，可以再與大家詳細(xì)探討，此處僅就使用及校準(zhǔn)方面的不同做一簡(jiǎn)單介紹，相同之處就不贅述了，供有關(guān)人員參考并請(qǐng)批評(píng)指正。

參考文獻(xiàn)

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