李 軍 孫維強 / 江蘇省昆山市計量測試所

大量程數(shù)顯千分表校準方法及相關問題

李 軍 孫維強 / 江蘇省昆山市計量測試所

0 引言

大量程數(shù)顯千分表一般指行程大于10 mm，分辨力在0.01 mm、0.001 mm、0.000 1 mm的數(shù)顯指示表。此類大量程數(shù)顯千分表因測量量程大，體積小，準確度高，適用場合廣泛，在企業(yè)中深受測量人員的歡迎，特別在機械精密加工、模具制造行業(yè)運用非常多。而大量程數(shù)顯表的校準一直無檢定規(guī)程和校準規(guī)范參考，各計量機構校準方法也不盡相同。近年來在大量程數(shù)顯千分表的校準工作中，發(fā)現(xiàn)了三個問題：（1）很多大量程千分表，在校準整數(shù)點或有規(guī)律的測量點時，表的準確度非常好，而在校準一些任意測量點時，準確度就會有差異；（2）不同裝夾方式（垂直裝夾和水平裝夾）的測量結果特別是回程誤差大相徑庭；（3）不同的標準器和測量方法在相同的測量點，測出來誤差也有差異。為此，筆者搜集了各類表的資料，做了很多基礎的實驗。從測量的基本原理、內(nèi)部結構、測力以及解決方案同大家一起探討。

1 常見大量程數(shù)顯千分表

常見表測量原理和性能區(qū)別：測量元件基本有三類，容柵、光柵、磁柵。三者機械組成類似，都是由容柵付、光柵付、磁柵付和對應的處理電路組成。

1.1 容柵測量原理

利用電容的周期性變化來測量位移。固定容柵和移動容柵在保持一定距離做相對運動時，固定容柵的柵距是5.08 mm，占空比50%，移動容柵的柵距一般是固定容柵柵距的1/8，為0.635 mm。將電容的變化經(jīng)過電路的放大，解調(diào)近似為正弦波的信號，讓移動容柵和固定容柵相對移動5.08 mm，與電路中的一個正弦信號的一個周期對應，結合鑒相電路和細分電路可以測量相對位移。特點是速度比較快，分辨力比較高，結構簡單，功耗小等，在大量程數(shù)顯表上運用廣泛。不完全統(tǒng)計，容柵結構的數(shù)顯表占95%以上。以瑞士SYLVACSA229系列千分表為例，可以做到直接測量量程為150 mm, 示值誤差10 μm以內(nèi)，分辨力0.001 mm，重復性為2 μm，測試移動速度達0.4 m/s準確度不變。

1.2 光柵測量原理

光柵用光敏器件感應莫爾條紋的明暗變化來測量位移。主光柵與副光柵保持一定的姿態(tài)做相對運動時，產(chǎn)生周期性的電流信號，一般用在數(shù)顯表上的光柵為50線/mm，主副光柵一樣，即柵距是20 μm,占空比50%。將電流的變化經(jīng)過電路的放大、濾波和三差校正后得到兩路相位差為90°的正弦信號，讓主副相對移動20 μm，與電路中的一個正弦信號的一個周期對應，結合鑒相電路和細分電路可以測量相對位移。特點：移動速度非?？臁蚀_度高、分辨力高，在大量程高準確度數(shù)顯表上有所運用。其功耗比較大，電源的供給也限制了部分場所的運用。另外，使用環(huán)境條件相對要求也高，成本相對容柵要高很多。以日本nikon系列千分表為例，可以做到直接測量量程為100 mm，示值誤差1.2 μm以內(nèi)，分辨力0.000 1 mm，重復性為0.1 μm。瞬間速度達到1 m/s。

1.3 磁柵測量原理

通過磁電轉換產(chǎn)生感應電動勢的周期性變化來測量位移。與容柵和光柵一樣，將電流的變化經(jīng)過一系列電路的處理放大，濾波和校正后得到兩路相位差為90°的正弦信號與柵距對應，結合鑒相電路和細分電路可以測量相對位移，特點是在各種工作環(huán)境下保持非常好的工作特性。以日本SONY DE系列千分表為例，可以做到直接測量量程為30 mm，示值誤差1 μm以內(nèi)，分辨力0.000 1 mm，重復性為0.2 μm。

2 校準注意事項

2.1 電子細分

根據(jù)容柵、光柵、磁柵幾種測量原理，都有一個電子細分過程，所以校準時要非常關注電子細分誤差。電子細分誤差的校準需要在若干個細分周期內(nèi)抽取合適的點來校準，在正常的校準點外(JJG 34 - 2008)建議適當增加細分點。現(xiàn)在的細分計數(shù)原理有很多采用的是CPLD或FPGA作為器件，其特點是，并行處理模式、速度快，結合精碼和粗碼分離的算法，粗碼是移向和比較器得出結果，而精碼是通過軟件算法得出結果，兩者相加為表的最后示值。精碼的準確度取決于單周期信號的質(zhì)量，主要是相位、幅值、直流偏置。粗碼的準確度取決于柵距刻線誤差及機械誤差。所有校準細分點可以和整數(shù)點結合，貫穿全程，以0 ～ 25 mm為例，如：1.002 mm，5.005 mm，

10.008 mm，15.011 mm，20.014 mm，25.017 mm。找到最大誤差和最小誤差對應的校準點，進行加密點校準。加密點選取以誤差的最大值和最小值對應校準的前后1/10柵距為單位，共20點為宜。如果取粗碼的整數(shù)倍的誤差最大值和最小值來選取加密校準點，并不是非?？茖W。

2.2 測力

大量程表的機械結構及測力：大量程數(shù)顯表和普通指示表一樣，基本上都是由測桿、測套和彈簧組成，和普通指示表一樣會增加阻尼或活塞裝置，這是因為彈簧的彈力與行程成正比，大行程必然相對大的彈力，大彈力有大的加速度，大的加速度在足夠長的行程中，會有兩種不利于測量的因素：一是高的瞬時速度使上述三種測量原理都丟失準確度，測量不可靠；二是在測量時測頭會快速碰撞上被測工件而反彈，損傷工件和本身。所以增加阻尼和活塞結構，一般活塞結構有截流孔泄壓和自然泄壓兩種方式。將使測桿移動更為均勻，大大地降低運行速度，測量更為穩(wěn)定可靠。然而阻尼或活塞都會增加測桿的自重，加上測桿一般比普通指示表的測桿長很多，為保證全程運動順暢不阻滯，一般測量力比普通指示表都大。為弄清楚彈簧彈力和測桿自重之間在不同的裝夾方式下的關系，以標準器量程為0 ～ 20 N、分辨力為0.01 N的測力傳感器（準確度為0.5%）做實驗，結果見表1。

在不同裝夾方式下，測頭力的影響還比較大，對結果特別是回程誤差影響很明顯。所有校準此類大量程數(shù)顯表必須在垂直的條件下，才能做到數(shù)據(jù)準確統(tǒng)一。

表1 不同的裝夾方式下的實驗

3 校準方法及標準器選擇

針對大量程千分表的特點，要準確地校準大量程千分表對所用的標準器有很高的要求?，F(xiàn)在很多計量機構都用指示表檢定儀或者用量塊做標準器來校準，國內(nèi)的指示表檢定儀準確度不能滿足大量程數(shù)顯表的校準，還有其結構都是水平裝夾。量塊和測微臺校準大量程數(shù)顯表，標準器準確度沒有問題，不過加密點的校準，對量塊的尺寸要求非常多，拼接量塊將會非常麻煩或者說是不太可能做到。綜上所述，大量程數(shù)顯表的校準所用的標準器必須滿足三個條件：（1）全程誤差小于0.5 μm，高分辨力，至少不低于0.1 μm；（2）可以準確地移動每個0.01 μm步進；（3）如果制造商明示指示表只有在垂直使用時才能保證其準確度，那么裝夾方式必須是立式垂直的。目前國內(nèi)的標準器準確度基本上都無法滿足。

為徹底解決大量程數(shù)顯表校準時碰到的上述三個問題，經(jīng)過仔細分析研究，并且委托專業(yè)生產(chǎn)廠商，提出一種可以解決上述問題的高準確度立式位移發(fā)生器。該位移發(fā)生器具備準確度高、裝夾方便等特點。以250線/mm光柵尺為基準，透射式光柵原理，再結合粗碼+精碼坐標旋轉算法，做到0.01 μm的分辨力，量程50 mm，測量重復性為0.1 μm。曾用海德漢長度計做比對，全程誤差優(yōu)于0.5 μm。選用了高準確度的小螺距滾珠絲桿和高細分芯片，可以做到0.05 μm步進，結合脈沖電子手輪和FPGA控制，告別傳統(tǒng)機械手輪對小步進無法實現(xiàn)的弊病。配備了各種直徑裝夾裝置，方便校準工作。特別是在校準過程中，對有數(shù)據(jù)接口的大量程數(shù)顯表能全自動校準，而且自動判斷誤差的最大值和最小值，自動計算加密校準點。全程校準完后，能自動到加密校準點位置，進行加密校準，大大地減少了工作量，降低了工作強度。該儀器對傳統(tǒng)的裝夾也做了改進，保證了測量軸心的平行，減小了裝夾誤差。更為關鍵的是該位移發(fā)生器采用了一種硬件電路和軟件綜合調(diào)理的方法，能很好地解決光柵信號的直流偏置差、幅值差、相位差等三差問題。

4 結語

三差問題一直是光柵信號最難突破的難點，因為解決不好，高細分帶來的高分辨力沒有任何意義，也談不上準確度了。

[1] 全國幾何量工程參量計量技術委員會. JJG 34-2008[S]. 北京：中國計量出版社，2008.

[2] 全國幾何量工程參量計量技術委員會. JJG 989-2004[S]. 北京：中國計量出版社，2004.