黎建平

（福建省測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站 福建福州 350001）

測繪專用鋼卷尺檢定影響因素探討

黎建平

（福建省測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站 福建福州 350001）

針對影響測繪專用鋼卷尺檢定的主要因素進(jìn)行較為深入細(xì)致地分析及探討，結(jié)合所做的試驗數(shù)據(jù)加以驗證，并對測量示值誤差進(jìn)行不確定度分析，給從事測繪專用鋼卷尺檢定工作的檢定人員提供參考。

測繪專用鋼卷尺；引張力；示值誤差

1 引言

測繪專用鋼卷尺是一種用途廣泛的大尺寸測量用的量具，使用方式主要為水平懸空測量，因此，其檢定過程不同于平臺式的測量方法。影響測繪專用鋼卷尺檢定的因素主要包括溫度、附加拉力、尺帶懸空等方面，在檢定時還應(yīng)考慮檢定環(huán)境及測量點(diǎn)的分布等要素。

2 測繪專用鋼卷尺檢定的基本要求

測繪行業(yè)專用鋼卷尺按其結(jié)構(gòu)可分為搖卷盒式鋼卷尺和搖卷架式鋼卷尺；按長度規(guī)格主要包含20m、30m、50m三種。

2.1 檢定方式

測繪專用鋼卷尺的檢定是將鋼卷尺固定在檢定墩上，使鋼卷尺處于懸空狀態(tài)；按鋼卷尺的長度在鋼卷尺兩端加規(guī)定拉力的重錘，穩(wěn)定重錘和鋼卷尺；在鋼卷尺處于靜止的狀態(tài)下，同時讀出鋼卷尺兩端讀數(shù)及溫度，讀數(shù)三次取平均值，以上為第一測回；用相同的方法再觀測兩個測回，其中每次讀數(shù)均要移動鋼卷尺10mm以上，才能進(jìn)行對準(zhǔn)和讀數(shù)，且鋼卷尺三次讀數(shù)之差及測回較差應(yīng)滿足相應(yīng)的規(guī)定。

2.2 檢定環(huán)境

檢定前半小時，將鋼卷尺先拉開，不加重錘放置。檢定鋼卷尺示值誤差時的溫度為(20±10)℃，并且鋼卷尺每一測回檢定時的最大溫差不超過2℃，檢定時風(fēng)速應(yīng)小于2米/秒。

2.3 檢定測量點(diǎn)的分布

全長為20m、30m、50m的鋼卷尺，其測量點(diǎn)的分布應(yīng)確保每10米區(qū)間至少有1個點(diǎn)，且測量點(diǎn)總點(diǎn)數(shù)不應(yīng)少于3個，形成的組合段長度應(yīng)均勻分布于整個測量范圍，這樣，通常情況下，20m、30m、50m鋼卷尺的檢測段數(shù)分別為3、4、5（或6）段，才能有效地控制鋼卷尺不同測段的檢測精度。

3 影響測繪專用鋼卷尺檢定的因素

3.1 檢定環(huán)境的變化

3.1.1 風(fēng)速對鋼卷尺檢定的影響

由于測繪專用鋼卷尺檢定設(shè)在室外場地進(jìn)行，當(dāng)風(fēng)力存在時，對鋼卷尺的尺帶將產(chǎn)生一定的作用力，使鋼卷尺產(chǎn)生抖動，從而影響鋼卷尺的讀數(shù)精度，因此，需考慮風(fēng)速對檢定結(jié)果的影響。在風(fēng)速影響試驗中，每10米為一個檢測區(qū)間，以保證檢測結(jié)果能準(zhǔn)確反映實(shí)際情況。通過對各類型測繪專用鋼卷尺在不同風(fēng)力影響下各個檢測區(qū)間對檢測數(shù)據(jù)穩(wěn)定性進(jìn)行綜合比較，當(dāng)風(fēng)速較大時，檢測數(shù)據(jù)波動明顯，因而，應(yīng)設(shè)定檢定時的最大風(fēng)速允許值。下表為某30m鋼卷尺檢測風(fēng)力影響試驗記錄表。

測檢區(qū)區(qū)間左讀數(shù) 右讀數(shù)檢測風(fēng)風(fēng)速（m/s）m cm mm讀數(shù)最大差值（mm）0.01.7 7.0 1.8 7.1 20m＜L≤L≤10m 1.5 0 03 3.80.1 4 97 3.9 0.0 3.8 0.1 10m＜L≤0.1讀數(shù)最大差值（mm）1.9 0.20.2 19 929.2 0.4 m cm mm 20m 1.8 0 04 8.50.4 30 06 9.0 8.4 9.4 8.17.2 30m 2.2 0 10

從表中可看出（并經(jīng)多次試驗），當(dāng)風(fēng)速達(dá)到或超過2米/秒時，數(shù)據(jù)變動較為顯著，在較長的測段所檢測的數(shù)據(jù)三次讀數(shù)最大差值為0.4超過所規(guī)定的范圍，因此，應(yīng)盡量避免風(fēng)速較大時進(jìn)行檢測。

3.1.2 溫度因素對鋼卷尺檢定影響

1）鋼卷尺應(yīng)先拉開放置半小時后檢定。由于鋼卷尺檢定前所處的環(huán)境溫度與檢定場所氣溫有差異，且收卷在尺盒中的尺子與張開的鋼卷尺溫度又有所不同，因此，應(yīng)先將鋼卷尺拉開，不加重錘放置半小時，以達(dá)到與環(huán)境溫度達(dá)到平衡的效果。

2）檢定鋼卷尺示值誤差時的溫度為(20±10)℃。較高或較低的氣溫對鋼卷尺熱脹冷縮的作用明顯，因此，鋼卷尺檢定時環(huán)境的溫度應(yīng)設(shè)定在一定的范圍之內(nèi)。

3）一測回最大溫差不超過2℃。當(dāng)溫度劇烈變動時，對檢測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性將產(chǎn)生較大的影響，同一測回的三次讀數(shù)之差極易超限，且對檢測結(jié)果帶來一定的誤差，因而需控制溫差。

3.2 溫度、拉力、懸掛改正

3.2.1 溫度變化所產(chǎn)生的改正值

鋼卷尺在20℃時的實(shí)際長度L20℃由下式求得：

L20℃=L+α（T-20）L

△L=α（T-20）L

式中：L——被檢鋼卷尺在檢定溫度為T℃時，測量檢定場基線所得的長度，m；

T——檢定時空氣平均溫度，℃；

α——被檢鋼卷尺在常溫下的溫度線膨脹系數(shù)，℃-1。

3.2.2 附加拉力所帶來的測量誤差值

鋼卷尺在進(jìn)行檢定時，需在兩端附加相同的拉力。附加拉力與鋼卷尺的標(biāo)準(zhǔn)張力的不同導(dǎo)致了尺帶的相對伸縮現(xiàn)象。產(chǎn)生的測量誤差值△F由下式求得：

式中：L——被檢測在檢定拉力為P1時，測量檢定場基線所得的長度，m；

P1——檢定時的拉力，N；

P——被檢鋼卷尺的標(biāo)準(zhǔn)張力，N；

E——被檢鋼卷尺的伸縮彈性力，N/mm2；

S——被檢鋼卷尺尺帶的截面面積，mm2。

鋼卷尺尺帶的截面面積影響著拉力改正值，并與拉力改正值成反比關(guān)系。對于不同類型的鋼卷尺，其尺帶的截面面積并不相同，可根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)或通過試驗結(jié)果得到相應(yīng)的信息，比如田島50m標(biāo)準(zhǔn)張力為50 N的鋼卷尺截面面積為1.29mm2。

3.2.3 懸空測量導(dǎo)致的懸掛改正值

測繪專用鋼卷尺采用水平懸空測量方法檢定，由尺帶本身的重量而產(chǎn)生的測量誤差值△G由下式求得：

式中：Wg——被檢鋼卷尺尺帶的單位重量，N/ mm；

L——被檢鋼卷尺檢測時的測量長度值，mm；

P——檢定時的拉力，N。

鋼卷尺尺帶的單位重量與懸掛改正值成正比，對于不同品牌、不同標(biāo)準(zhǔn)張力的鋼卷尺，其單位重量值不同，因而需對該參數(shù)進(jìn)行數(shù)值的認(rèn)定，其數(shù)值可由多次試驗結(jié)果得出，即由稱出的尺重除以尺長，例如雄獅標(biāo)準(zhǔn)張力50 N鋼卷尺單位重量平均值為0.0001453（參考數(shù)據(jù)）。

3.2.4 示值誤差的判定

鋼卷尺的示值誤差是在水平懸空狀態(tài)測量下，進(jìn)行過溫度、拉力和懸空改正后的最大允許誤差，示值最大允許誤差為：±(0.3+0.2 L)mm。若三個測回的示值誤差均滿足要求，則取平均值作為示值誤差的檢定結(jié)果值。

3.3 其它因素

3.3.1 標(biāo)識及外觀：按規(guī)定的要求進(jìn)行判斷，包括尺子收卷靈活性、尺帶表面光潔度、分度線紋刻劃清晰度、尺帶或尺盒信息完整性等，其中允許有不影響計量性能的外觀缺陷。

3.3.2 線紋寬度為：(0.15～0.5)mm，同類線紋的長度與寬度應(yīng)一致，寬度誤差不超過線紋最大寬度的30%。

4 測量示值誤差不確定度分析

鋼卷尺的示值誤差是在水平檢定樁兩端懸掛相同的拉力下測定的長度，再通過溫度、拉力、懸掛改正后與檢定樁的標(biāo)準(zhǔn)距離進(jìn)行比較測定的。此次不確定度分析所使用的鋼卷尺長度為田島50m鋼卷尺，標(biāo)準(zhǔn)張力為50N，選用的重錘重量亦為50N（這時拉力改正數(shù)值為0），檢定區(qū)間段的標(biāo)準(zhǔn)距離為4.9360m，11.8295m，19.8848m，29.95177m，37.9980m，49.82128m。

4.1 數(shù)學(xué)模型的建立

由于鋼卷尺的示值誤差是通過對懸掛和溫度進(jìn)行改正后的檢測距離同水平檢定樁的實(shí)際距離對比得出，因此，其數(shù)學(xué)模型如下：

△L=La+LG+L△t-LS

其中：La——被檢鋼卷尺的檢測長度；LG——檢測時的懸掛改正誤差；L△t——檢測時溫度偏離20℃時引起的偏差量；LS——水平檢定樁的標(biāo)準(zhǔn)長度。

4.2 方差及靈敏系數(shù)的確定

靈敏系數(shù)：

4.3 計算分量不確定度

其分量如下：

4.3.1 由水平檢定樁基線長給出的不確定度分量u（LS）

已知基線邊長絕對精度為0.08mm，它服從正態(tài)分布，K=3，標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：u（LS1）=0.08mm/3≈0.027 mm。由于地質(zhì)和周邊環(huán)境的對水平檢定樁穩(wěn)定性的影響，檢定樁的各個點(diǎn)位位置會發(fā)生漂移等變化，根據(jù)每個檢定周期的檢定證書得出點(diǎn)位的變化量為0.3mm，按照B類不確定度評定，服從三角分布，則。計算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

4.3.2 由被檢鋼卷尺給出的不確定度分量u（La），其中包括：

1）讀數(shù)重復(fù)性給出的不確定度分量u（La1）

本站鋼卷尺檢定基線場的檢定區(qū)間段為4.9360m，11.8295m，19.8848m，29.95177m，37.9980m，49.82128m。因而測量重復(fù)性的不確定度分量也分別給出。因各測段不確定度分量的計算方法相同，故以下所有計算均以L=49.82128m為例進(jìn)行。當(dāng)L= 49.82128m時，重復(fù)測量10次，得出數(shù)據(jù)為49.8541、49.8587、49.8584、49.8538、49.8554、49.8587、49.8596、49.8542、49.8523、49.8536。由于每次測量數(shù)據(jù)是由兩端分別讀數(shù)，然后相減得出，所以單次測量實(shí)驗標(biāo)準(zhǔn)偏差：

檢定時，以三次測量結(jié)果取平均值作為測量結(jié)果，故

2）拉力偏差給出的不確定度分量u（La2）

根據(jù)懸掛改正公式可知，由拉力引起的偏差為：

拉力偏差以相等概率出現(xiàn)在半寬0.5N的區(qū)間，

同時由0.5N拉力引起的尺長變形偏差為：

△=L×103×△/p（E×F）

式中：L為鋼卷尺的長度，拉力偏差△p≤0.5N，彈性系數(shù)E=205800N/mm3，鋼卷尺的橫截面積F=1.29mm2。

故△=1.88×10-3L

拉力偏差以相等概率出現(xiàn)在半寬0.5N的區(qū)間，本鋼卷尺拉力偏差視為平均分布，故標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為（以L=49.82128m為例）:本鋼卷尺拉力偏差視為平均分布，故標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為（以L=49.82128m為例）:

通過計算，由于0.5N拉力引起的尺長變形，而導(dǎo)致懸掛偏移量均小于0.001mm，故認(rèn)為u（LaG）、u（Lap）獨(dú)立不相關(guān)，則計算合成不確定度：

3）檢測區(qū)間溫度偏差給出的不確定度分量u（La3）

由公式u（L a3）＝L×α△t得出溫度對于鋼卷尺長度的偏差值。

式中：L—鋼卷尺的標(biāo)稱長度；α—鋼卷尺的線膨脹系數(shù)11.5×10-6；△t—測量時的溫度的差值，根據(jù)鋼卷尺保持條件和實(shí)驗場地條件，要求△t≤2℃。溫度偏差以相等概率出現(xiàn)在半寬2℃的區(qū)間，視為平均分布，故標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為:

以上分量不存在相關(guān)性，故合成不確定度為：

4.3.3 由人為瞄準(zhǔn)誤差引出的不確定度分量u（R）

在鋼卷尺檢定讀數(shù)時，人眼的分辨率為0.1mm，由于檢定是兩端讀數(shù)，故按B類不確定度評定方法，確定半寬為0.2mm，服從均勻分布，且每測回讀數(shù)為3次平均值，則：

4.4 計算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度Uc及擴(kuò)展不確定度U當(dāng)L=49.82128mm，

取包含因子k=2，則擴(kuò)展不確定度：U=k·Uc當(dāng)L=49.82128m，U=k·Uc=2.7mm；同理可得出其他測段L=4.9360m、L=11.8295m、L=19.8848m、L= 29.95177m、L=37.998m時，其擴(kuò)展不確定度數(shù)值分別為0.34、0.76mm、1.1mm、1.6mm、2.0mm。

5 結(jié)束語

測繪專用鋼卷尺作為傳統(tǒng)的長度測量設(shè)備，以其經(jīng)濟(jì)、便捷在水利、建筑、交通、礦井等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，其懸空測量方式具有獨(dú)特性。作者利用本單位現(xiàn)有的檢定場地和設(shè)備，結(jié)合多年來對測繪專用鋼卷尺檢定的第一手資料和較為豐富的經(jīng)驗，輔以大量的試驗數(shù)據(jù)，在本文中對檢定所涉及的影響因素進(jìn)行了分析和總結(jié)，給從事測繪專用鋼卷尺檢定工作的人員提供參考。

［1］JJG 4—1999鋼卷尺檢定規(guī)程.

［2］JJG 741—2005標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺檢定規(guī)程.

［3］YBJ 212-1988冶金建筑安裝工程施工測量規(guī)范.

［4］JJF 1059.1—2012測量不確定度評定與表示.