王貴勇，朱林茂，祝鐵柱，王 蓬，王海舟

(1.鋼鐵研究總院，北京 100081；2.鋼研納克檢測技術(shù)股份有限公司，北京 100081)

0 引言

引伸計標定器是一種專門用于對各類引伸計進行標定的純機械式的高精度位移儀器，由剛性支架、兩個同軸的心軸或者裝卡引伸計的夾具以及能夠準確地測量沿心軸軸向位移變化的測微頭組成[1]。

對引伸計標定器的示值進行校準，常用的方式是使用量塊作為主標準器進行校準[2]。由于需要的校準點較多，校準過程中針對每個校準點都需要置換不同的量塊，因此導(dǎo)致校準工作麻煩且費時；同時，使用量塊校準時，影響校準結(jié)果的因素包括轉(zhuǎn)動測微頭時量塊的受力，環(huán)境溫度以及示值的經(jīng)驗估讀等，對實驗人員的操作水平要求較高；而且，由于用于校準的每個量塊自身都有一定的誤差，數(shù)據(jù)處理時往往需要將這些誤差考慮進去，導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理較為復(fù)雜，且工作量較大，降低了效率。

激光干涉儀是以激光波長為已知長度，利用邁克爾遜干涉系統(tǒng)測量位移的通用長度、位移的測量儀器[3-4]，其具有精度高、應(yīng)用范圍廣、環(huán)境適應(yīng)能力強等特點，在各行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。

本文根據(jù)引伸計標定器的工作原理和結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計并搭建了基于激光干涉儀的引伸計標定器示值校準系統(tǒng)，實現(xiàn)對引伸計標定器的高精度、高效率校準。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理與工作流程

引伸計標定器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。引伸計標定器由測微頭、剛性支架、可動心軸及固定心軸等組成。其工作原理為：對引伸計進行標定時，根據(jù)引伸計的標距將引伸計標定器的可動心軸和固定心軸調(diào)整到合適的距離，然后將引伸計安裝到固定心軸及可動心軸上，用卡尺測量引伸計的安裝標距是否正確。安裝完成后，通過轉(zhuǎn)動測微頭，分別記錄測微頭的讀數(shù)和引伸計的示值，對引伸計的工作狀態(tài)、性能參數(shù)等進行判斷及修正，達到引伸計計量標定的目的。

圖1 引伸計標定器結(jié)構(gòu)示意圖

基于激光干涉儀的引伸計標定器示值校準系統(tǒng)如圖2所示，由工作臺、激光干涉儀、引伸計標定器、干涉反射鏡及其連接件等組成。其中，工作臺由導(dǎo)軌及可移動的臺面組成。激光干涉儀和引伸計標定器分別安裝到工作臺兩端的的臺面上。校準系統(tǒng)的工作原理為：干涉反射鏡安裝到引伸計標定器的可動心軸上，對激光干涉儀的光路進行對準，轉(zhuǎn)動引伸計標定器的測微頭，測微頭帶動干涉反射鏡移動，從激光干涉儀發(fā)射的激光光束通過干涉反射鏡發(fā)射回去，實現(xiàn)移動位移的測量。

圖2 基于激光干涉儀的引伸計標定器示值校準系統(tǒng)示意圖

根據(jù)引伸計標定器校準時對標準器具準確度的要求，以及量值溯源、傳遞的要求，選用型號為XD1LS,測量范圍為0～45 m,線性分辨率為0.001 μm 的激光干涉儀。激光干涉儀經(jīng)計量機構(gòu)校準，其擴展不確定度為U=0.14 μm+10-7L，(k=2)，L為激光干涉儀測量的實時行程，滿足引伸計標定器示值校準的精度要求。

基于激光干涉儀的引伸計標定器示值校準系統(tǒng)工作流程如圖3所示。其工作流程為：校準引伸計標定器時，將引伸計標定器放置到工作臺一端的臺面上，安裝干涉反射鏡，調(diào)整引伸計標定器的位置使干涉反射鏡與激光發(fā)射鏡對中，沿工作臺的導(dǎo)軌移動臺面，觀察校準系統(tǒng)全程是否均有讀數(shù)，以確認對中是否符合要求。對中確認后，將測微頭旋轉(zhuǎn)至零點，并將校準系統(tǒng)清零。然后旋轉(zhuǎn)測微頭逐點進行校準，并進行數(shù)據(jù)記錄及處理，直至校準工作完成。在校準中，需要將標定器的固定心軸拆下來，使激光光束能夠穿過支架的中心孔，到達干涉反射鏡。

圖3 工作流程圖

對中調(diào)整時，可通過沿導(dǎo)軌移動放置標定器的臺面并觀察校準系統(tǒng)的示值，如果校準系統(tǒng)全程均有讀數(shù)，則對中調(diào)整到達要求，否則需要重新進行對中調(diào)整。

2 校準結(jié)果不確定度評定

使用搭建的引伸計標定器示值校準系統(tǒng)在室溫為(20±1)℃，相對濕度為38%～46%的環(huán)境下對編號為F56的引伸計標定器進行校準。采用GUM法[5-6]對其示值的校準結(jié)果進行不確定度評定。

2.1 建立測量模型

測量模型如下：

Y=X

(1)

式中：X為校準系統(tǒng)的示值；Y為引伸計標定器的測量結(jié)果。

2.2 標準不確定分量來源分析

引伸計標定器示值校準結(jié)果的標準不確定度分量主要來源于以下幾個方面：

(1)測量重復(fù)性引入的標準不確定度分量u1。

根據(jù)貝塞爾公式[7]，得到單次測量結(jié)果的標準偏差為

(2)

m次測量的算術(shù)平均值的標準偏差為

(3)

重復(fù)性測量結(jié)果引入的標準不確定分量為

(4)

(2)上級計量機構(gòu)引入的標準不確定度u2。

根據(jù)校準證書給出的擴展不確定及包含因子求得，即

(5)

式中：U2為上級計量機構(gòu)給出的激光干涉儀的校準結(jié)果不確定度；k2為校準結(jié)果不確定度的包含因子。

(3)校準系統(tǒng)分辨力引入的標準不確定分量u3。

(6)

式中ε為校準系統(tǒng)的分辨力。

(4)測微頭分度值引入的不確定度分量u4。

假設(shè)測微頭的最小分度值為δ，瞄準誤差為0.1δ，該量呈三角分布，則分量為

(7)

式中δ為測微頭的最小分度值，mm。

2.3 計算合成標準不確定度

假設(shè)各標準不確定度分量之間相互獨立，互不相關(guān)，根據(jù)不確定傳播率公式[8]，得到合成標準不確定度為

(8)

2.4 計算擴展不確定度

擴展不確定度為

U=k·uc

(9)

式中k為包含因子。

相對擴展不確定為

(10)

式中：U為擴展不確定度；l為引伸計標定器校準點的示值，mm。

2.5 不確定度驗證

采用量塊進行比對的方法[9]對校準系統(tǒng)的校準結(jié)果不確定度結(jié)果進行驗證，應(yīng)滿足公式：

(11)

(12)

3 實驗與結(jié)果分析

3.1 實驗應(yīng)用

基于激光干涉儀的引伸計標定器示值校準系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用如圖4所示。操作流程為：將引伸計標定器放置到工作臺的一端臺面上，然后將干涉反射鏡安裝到標定器的可動心軸上，并對激光光路進行對中調(diào)整。之后將標定器的測微頭調(diào)到零點并對校準系統(tǒng)的示值進行清零，即可開始校準。由于激光干涉儀的干涉鏡和反射鏡集成到一起，相對于干涉鏡和反射鏡分離的結(jié)構(gòu)，在光路對中調(diào)整時非常方便，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便的特點。

圖4 基于激光干涉儀的引伸計標定器示值校準系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用圖

3.2 校準結(jié)果不確定度評定計算及驗證

3.2.1 計算測量重復(fù)性引入的不確定度分量u1

對引伸計標定器的示值做10次獨立重復(fù)測量，并以3次測量的算術(shù)平均值的標準偏差作為測量結(jié)果，通過式(2)～式(4)計算得到測量重復(fù)性引入的不確定度分量。不確定度取2位有效數(shù)字，測量結(jié)果及其他計算數(shù)據(jù)保留4位小數(shù)，重復(fù)性測量數(shù)據(jù)如表1所示,根據(jù)表1計算得到的標準不確定度結(jié)果如表2所示。

3.2.2 計算由上級計量機構(gòu)引入的標準不確定度分量u2

引伸計標定器校準系統(tǒng)的校準證書由上級計量機構(gòu)給出的校準結(jié)果不確定度為U2=0.14 μm+1×10-7L(k2=2)，根據(jù)式(5)計算得到由上級計量機構(gòu)引入的標準不確定度分量u2=0.07 μm+0.05×10-7L。

表1 重復(fù)性測量數(shù)據(jù) mm

表2 標準不確定度計算結(jié)果 mm

3.2.3 計算由校準系統(tǒng)分辨力引入的不確定度u3

根據(jù)引伸計標定器的精度要求，校準引伸計標定器時設(shè)置校準系統(tǒng)的分辨力為ε=0.1 μm，根據(jù)式(6)計算得到由分辨力引入的標準不確定度u3=0.029 μm。

3.2.4 計算由測微頭的最小分度值引入的不確定度分量u4

測微頭的最小分度值δ=0.2 μm，根據(jù)式(7)計算得到由測微頭的最小分度值引入的標準不確定度分量u4=0.008 μm。

3.2.5 計算合成標準不確定度及擴展不確定度

不確定度分量匯總見表3。

根據(jù)式(8)～式(10)，取置信概率為95%的包含區(qū)間，則包含因子k=2,計算得到合成標準不確定度及擴展不確定度匯總表見表4。

表3 不確定度分量匯總

表4 合成標準不確定度及擴展不確定度匯總表

3.2.6 校準結(jié)果不確定度驗證

使用量塊對0.1 mm，0.3 mm，0.5 mm，10 mm，25 mm的校準點進行校準，測量數(shù)據(jù)見表5。

表5 量塊校準數(shù)據(jù)匯總表 mm

表6 不確定度的驗證結(jié)果

根據(jù)表1、表5的測量結(jié)果，繪制各校準點的誤差曲線圖，如圖5所示。

圖5 各校準點的誤差曲線圖

從圖5可以看出，使用校準系統(tǒng)和量塊對同一引伸計標定器進行校準，示值誤差均在誤差范圍內(nèi)。而且基于激光干涉儀的校準系統(tǒng)的校準結(jié)果示值誤差整體上要小于2等量塊的校準結(jié)果示值誤差。

4 結(jié)束語

根據(jù)引伸計標定器的結(jié)構(gòu)特點和工作原理，設(shè)計并搭建了基于激光干涉儀的引伸計標定器示值校準系統(tǒng)。采用該系統(tǒng)對引伸計標定器的示值進行了校準，并對校準結(jié)果不確定度進行了評定及比對驗證。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、性能穩(wěn)定、效率高的特點，能夠滿足引伸計標定器示值誤差的校準要求，具備投入實驗室應(yīng)用的條件。該系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用可為有關(guān)引伸計標定器示值的校準提供設(shè)計參考。