徐文劼 陳浩 虞瓊?cè)A / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

2015年8月，新修訂的JJG 4-2015《鋼卷尺》檢定規(guī)程經(jīng)國(guó)家質(zhì)檢總局批準(zhǔn)，自2016年2月起實(shí)施。由于舊規(guī)程已經(jīng)使用了14年，期間計(jì)量器具的生產(chǎn)技術(shù)、執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)和使用要求都有了較大改變。為此新規(guī)程進(jìn)行了一些修改、增加和刪除，尤其針對(duì)測(cè)量臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)裝置又提出了很多新的要求。

伴隨新檢定規(guī)程的實(shí)施，近兩年許多檢定校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)、區(qū)縣計(jì)量所、科研院所和企業(yè)也進(jìn)行了相關(guān)設(shè)備的采購(gòu)和升級(jí)來(lái)助力制造檢測(cè)生產(chǎn)水平的提升，其中不乏一些半自動(dòng)或全自動(dòng)的新型設(shè)備。由于鋼卷尺檢定的業(yè)務(wù)量大，開(kāi)展檢測(cè)的機(jī)構(gòu)多，業(yè)界存在大量自動(dòng)或手動(dòng)鋼卷尺測(cè)量臺(tái)需要定期進(jìn)行溯源。2016年組織的鋼卷尺示值誤差CNAS能力驗(yàn)證中，有十多家單位的比對(duì)結(jié)果En值大于1，比對(duì)結(jié)果不滿意占參與者的12.2%。經(jīng)過(guò)后續(xù)分析，發(fā)現(xiàn)測(cè)量臺(tái)的計(jì)量性能對(duì)示值誤差有很大影響，這一現(xiàn)象已經(jīng)影響了機(jī)構(gòu)正常的檢定校準(zhǔn)工作，需要研究制定出一套有針對(duì)性的校準(zhǔn)方法。

1 現(xiàn)狀與需求

長(zhǎng)期以來(lái)，大部分機(jī)構(gòu)采購(gòu)卷尺測(cè)量臺(tái)（見(jiàn)圖1）后，只對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺進(jìn)行檢定，對(duì)配套設(shè)備僅做功能性檢查。實(shí)際檢定工作中，測(cè)量臺(tái)導(dǎo)軌的直線度、張緊力的施加、讀數(shù)鏡頭的準(zhǔn)確度、被測(cè)鋼卷尺與標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺的平行度、零值誤差檢定器的準(zhǔn)確度等要素都會(huì)影響檢定結(jié)果。JJG 4-2015中對(duì)鋼卷尺檢定設(shè)備的性能提出了詳細(xì)的技術(shù)指標(biāo)和要求。若僅對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺進(jìn)行檢定，難以保證整套設(shè)備的技術(shù)特性達(dá)到要求。

圖1 卷尺測(cè)量臺(tái)

2 校準(zhǔn)方法及誤差分析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺的分段測(cè)量及誤差分析

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺的檢定一般使用激光干涉儀。將標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺平鋪于檢定臺(tái)上，施加規(guī)定的拉力使其張緊，通過(guò)激光干涉儀對(duì)尺身的標(biāo)尺間隔和示值誤差等項(xiàng)目進(jìn)行檢定。

標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺安裝于鋼卷尺測(cè)量臺(tái)上，完成固定后一般不可隨意移動(dòng)，這是作為檢定鋼卷尺的主標(biāo)準(zhǔn)器。檢定時(shí)將標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺與被測(cè)鋼卷尺平行地平鋪在測(cè)量臺(tái)上，通過(guò)目力觀察或用讀數(shù)顯微鏡比對(duì)兩者的線紋分度。

測(cè)量臺(tái)的長(zhǎng)度一般為5 m，假設(shè)被測(cè)鋼卷尺長(zhǎng)度為20 m，則需要分4段進(jìn)行測(cè)量，此過(guò)程中每段測(cè)量都會(huì)由標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺重復(fù)測(cè)量引入同一誤差。

已知標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺的擴(kuò)展測(cè)量不確定度為

U= （5 + 5L）×10-3mm（k= 2）

分段測(cè)量中各段合成不確定度分量為正相關(guān)，測(cè)量長(zhǎng)度L處的不確定度分量u(ΔL)如表1所示。

表1 分段測(cè)量中各段不確定度分量

2.2 固定基面和尺鉤槽的安裝及誤差分析

檢定鋼卷尺時(shí)需要將標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺和被測(cè)鋼卷尺的尺帶平行地平鋪在卷尺測(cè)量臺(tái)上。如圖1中A向視圖所示。標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺緊靠固定基面安裝，被測(cè)鋼卷尺的尺鉤卡入與固定基面垂直的尺鉤槽，以此保證兩者沿尺帶方向的平行度。為了在檢定過(guò)程中確保該平行度，應(yīng)對(duì)固定基面和尺鉤槽的夾角進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量中可以選用合適的萬(wàn)能角度尺或角度規(guī)，將萬(wàn)能角度尺的直尺邊和測(cè)量面分別與被測(cè)固定基面及尺鉤槽相貼合，測(cè)出兩者的角度誤差。

假設(shè)固定基面與尺鉤槽的垂直度存在誤差，引起的平行度誤差為±2 mm/m。以5 m長(zhǎng)的鋼卷尺為例，根據(jù)余弦定理，可能引起沿尺帶方向測(cè)量誤差為0.01 mm，該誤差服從均勻分布，包含因子k為那么由固定基面和尺鉤槽垂直度誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(Δe0)為

2.3 讀數(shù)顯微鏡的使用及誤差分析

檢定I級(jí)鋼卷尺及測(cè)深鋼卷尺使用讀數(shù)顯微鏡讀數(shù)；檢定II級(jí)鋼卷尺，當(dāng)檢定員目力觀察存在疑問(wèn)時(shí)，仍需要使用讀數(shù)顯微鏡進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)上述分析，必須對(duì)讀數(shù)顯微鏡進(jìn)行校準(zhǔn)，該項(xiàng)目校準(zhǔn)一般使用測(cè)量不確定度不大于讀數(shù)顯微鏡最大允許誤差1/4的玻璃線紋尺或掩模板，使玻璃線紋尺的線紋處于讀數(shù)顯微鏡視場(chǎng)內(nèi)的測(cè)量位置，顯微鏡測(cè)得值與尺身標(biāo)準(zhǔn)值之差為顯微鏡的測(cè)量誤差。

檢定II級(jí)鋼卷尺時(shí)，受檢點(diǎn)偏差由目力估讀，測(cè)量時(shí)人眼分辨力大致為0.1 mm，由于一次測(cè)量帶有兩次人眼分辨力誤差，包含因子k為故人眼分辨力引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(Δe1)為

檢定I級(jí)鋼卷尺及測(cè)深鋼卷尺時(shí)，需用最大允許誤差為±0.01 mm的讀數(shù)顯微鏡進(jìn)行讀數(shù)。由讀數(shù)顯微鏡引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(Δe2)為

2.4 砝碼施加的拉力及誤差分析

鋼卷尺檢定時(shí)，需對(duì)被測(cè)鋼卷尺和標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺分別施加一個(gè)拉力使其張緊在測(cè)量臺(tái)上。這個(gè)力一般通過(guò)配套的砝碼施加，檢定規(guī)程中對(duì)張緊力的要求為：檢定臺(tái)長(zhǎng)度小于20 m時(shí)施加張緊力為（49±0.5）N；根據(jù)尺砣質(zhì)量檢定測(cè)深鋼卷尺時(shí)的張緊力分別為（15.7±0.3）N 或（9.8±0.3）N，要求配備10 kg、5 kg、1.6 kg和1 kg的砝碼。標(biāo)稱長(zhǎng)度小于 5 m 的弧形尺帶卷尺，檢定時(shí)張緊力不作規(guī)定。

為確保被檢尺和標(biāo)準(zhǔn)尺所受拉力符合檢定規(guī)程的要求，需對(duì)標(biāo)準(zhǔn)砝碼及加力機(jī)構(gòu)進(jìn)行定期校準(zhǔn)和檢查。砝碼有其對(duì)應(yīng)的檢定規(guī)程，可按相關(guān)規(guī)定對(duì)配套的砝碼進(jìn)行檢定。根據(jù)檢定規(guī)程要求，張緊力允許的偏差范圍為±0.5 N，換算成砝碼的質(zhì)量偏差為±0.05 kg，因此需要注意檢定后的砝碼是否符合鋼卷尺檢定規(guī)程的使用要求。要確認(rèn)尺身受到的張緊力，可在鋼絲與鋼卷尺之間加裝拉力計(jì)，測(cè)出鋼卷尺實(shí)際受力情況。

圖1所示的是典型的鋼卷尺測(cè)量臺(tái)，使用中應(yīng)定期對(duì)滑輪和鋼絲進(jìn)行功能性檢查，防止滑輪機(jī)構(gòu)滯澀或鋼絲無(wú)法正常受力，影響檢定工作。

由拉力引起的誤差為

δ=L×103×Δp/(9.8EF)

式中：L——鋼卷尺的長(zhǎng)度；

Δp——拉力偏差，由規(guī)程 JJG 741-2005《標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺》知Δp≤0.5 N；

E——彈性系數(shù)，E= 20 000 kg/mm2；

F——鋼卷尺的橫截面積，該尺的橫截面寬度為 12 mm，其厚度為 0.22 mm（F= 12×0.22 mm2）

δ= 9.66×10-4L

拉力偏差Δp以相等的概率出現(xiàn)在半寬為0.5 N的區(qū)間，認(rèn)為其服從均勻分布，包含因子k取 。由于被檢鋼卷尺和標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺都需加一定的拉力，故拉力誤差在5 m測(cè)量過(guò)程中存在兩次影響。由張緊力誤差引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(Δe3)為

2.5 零位檢定器的使用及誤差分析

對(duì)測(cè)深鋼卷尺的零值誤差進(jìn)行檢定時(shí)，需要使用零值誤差檢定器，其外觀如圖2所示。

使用時(shí)將被測(cè)尺砣的端面與檢定器的零位擋板靠緊，對(duì)尺帶施加規(guī)定的張緊力，同時(shí)在500 mm線紋處讀出零值誤差。

鋼卷尺檢定規(guī)程中對(duì)測(cè)深鋼卷尺零值檢定器的要求為MPE：±0.15 mm。為滿足要求，可使用合適的校對(duì)標(biāo)尺對(duì)零值檢定器進(jìn)行校準(zhǔn)（見(jiàn)圖3），校準(zhǔn)需要給出300 mm、400 mm和500 mm處的示值誤差和相應(yīng)的測(cè)量不確定度。

圖2 零值誤差檢定器

圖3 零值檢定器的校對(duì)標(biāo)尺

2.6 合成標(biāo)準(zhǔn)及擴(kuò)展不確定度

基于上述校準(zhǔn)項(xiàng)目的影響量，對(duì)于5 m的鋼卷尺，測(cè)量臺(tái)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

I級(jí)鋼卷尺

II級(jí)鋼卷尺

相應(yīng)的擴(kuò)展不確定度為：

I級(jí)鋼卷尺UI= 0.09 mm（k= 2）

II級(jí)鋼卷尺UII= 0.04 mm（k= 2）

3 結(jié)語(yǔ)

鋼卷尺是最為常見(jiàn)的通用量具，相關(guān)檢定工作量大面廣，鋼卷尺測(cè)量臺(tái)承擔(dān)著繁重的檢測(cè)任務(wù)。對(duì)設(shè)備的保養(yǎng)維護(hù)和定期校準(zhǔn)，是保障檢測(cè)工作平穩(wěn)有序開(kāi)展的重要環(huán)節(jié)。目前還有大量開(kāi)展相關(guān)檢測(cè)業(yè)務(wù)的機(jī)構(gòu)未加入CNAS能力驗(yàn)證計(jì)劃，對(duì)測(cè)量臺(tái)整體的校準(zhǔn)未給予足夠重視。隨著檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，目前鋼卷尺測(cè)量臺(tái)種類繁多，全自動(dòng)、半自動(dòng)型鋼卷尺測(cè)量臺(tái)也已逐漸興起，檢測(cè)市場(chǎng)需求日益擴(kuò)大，相關(guān)領(lǐng)域的研究也需與時(shí)俱進(jìn)，為鋼卷尺檢測(cè)臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)化工作指明方向。