摘 要：通過對(duì)工作用玻璃線紋尺實(shí)際應(yīng)用場景和現(xiàn)有溯源方式的分析研究，根據(jù)校準(zhǔn)方法開發(fā)和測量結(jié)果評(píng)定的原則，編寫了適用于精度等級(jí)較低的工作用玻璃線紋尺的校準(zhǔn)方法，選定了校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)器，并對(duì)該方法帶來的不確定度進(jìn)行評(píng)定，增加了國家計(jì)量檢定系統(tǒng)中二等以下玻璃線紋尺的傳遞環(huán)節(jié)，解決了工作用玻璃線紋尺的溯源問題。

關(guān)鍵詞：幾何量;玻璃線紋尺;不確定度;光學(xué)儀器;校準(zhǔn)

中圖分類號(hào)：TB921 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ?文章編號(hào)：1671-0797（2022）09-0052-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.09.014

0 ? ?引言

玻璃線紋尺是用玻璃制成的、表面上準(zhǔn)確地刻有等間距平行線的長度測量和定位元件，間距一般為1 mm、0.1 mm或0.01 mm，用于長度計(jì)量的量值傳遞，廣泛應(yīng)用于各級(jí)計(jì)量單位、研究所及精密機(jī)械加工廠計(jì)量室和車間。

本課題中的工作用玻璃線紋尺特指等級(jí)判定達(dá)不到《高等別線紋尺檢定規(guī)程》（JJG 73—2005）[1]要求的玻璃線紋尺。

隨著長度專業(yè)測量對(duì)操作便利性需求的發(fā)展，越來越多的光學(xué)儀器，如投影儀、影像測量儀、光學(xué)輪廓儀等被使用到日常的測量活動(dòng)中。由于光學(xué)系統(tǒng)計(jì)算的特點(diǎn)，設(shè)備供應(yīng)商將玻璃線紋尺作為自校器具提供給實(shí)際使用的企業(yè)以核查光學(xué)設(shè)備系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，越來越多的工作用玻璃線紋尺需要被溯源。

由于《線紋計(jì)量器具檢定系統(tǒng)》（JJG 2001—1987）[2]規(guī)定盡量減少傳遞環(huán)節(jié)，玻璃線紋尺的等別僅為一等、二等，沒有再多增設(shè)一個(gè)等級(jí)。且目前僅有中國計(jì)量科學(xué)研究院和華東國家計(jì)量測試中心兩家國家溯源單位擁有激光干涉比長儀，有能力開展一等、二等標(biāo)準(zhǔn)玻璃線紋尺的檢定。工作用玻璃線紋尺的用戶面臨著溯源周期長、路途遠(yuǎn)、因判定要求高而難以溯源合格等實(shí)際的溯源困難。

本課題經(jīng)過對(duì)線紋尺的溯源工作原理的研究、校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)器的選用比較、測量影響因素的評(píng)估和控制，編寫了工作用玻璃線紋尺的校準(zhǔn)規(guī)范，增加了國家計(jì)量檢定系統(tǒng)中二等以下玻璃線紋尺的傳遞環(huán)節(jié)，達(dá)到了開展工作用玻璃線紋尺的校準(zhǔn)活動(dòng)以滿足市場上日益增多的溯源需求的目的。

1 ? ?線紋尺溯源工作原理

經(jīng)調(diào)查，目前兩家國家檢定機(jī)構(gòu)開展一等、二等線紋尺檢定采用的標(biāo)準(zhǔn)器是在激光干涉比長儀作為測量基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上自主研發(fā)的，其主要的測量原理是根據(jù)激光干涉比長儀光學(xué)測量方法和光電顯微鏡作為刻線瞄準(zhǔn)裝置進(jìn)行讀數(shù)。該裝置體積龐大、投資金額大，應(yīng)用于商業(yè)校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)開展工作用玻璃線紋尺的校準(zhǔn)工作是不切實(shí)際的。

于是通過對(duì)《高等別線紋尺檢定規(guī)程》（JJG 73—2005）[1]的高等別線紋尺的檢定工作原理和檢定標(biāo)準(zhǔn)器的要求的研究，決定自行建立開展工作用玻璃線紋尺校準(zhǔn)所需的整個(gè)測量裝置系統(tǒng)。該系統(tǒng)至少需要包括符合量值傳遞要求的測長系統(tǒng)作為主標(biāo)準(zhǔn)器、對(duì)齊刻線的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)和滿足開展被校準(zhǔn)工作用標(biāo)準(zhǔn)器測量范圍的工作臺(tái)面作為輔助標(biāo)準(zhǔn)器。

2 ? ?選用作為測長系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)器

如前文所述，工作用玻璃線紋尺是投影儀、影像測量儀、顯微鏡等光學(xué)設(shè)備的配套自校器具，提供給實(shí)際使用的企業(yè)以核查光學(xué)設(shè)備系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通常情況下，以上光學(xué)設(shè)備系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備提供商提供的測量精度或者企業(yè)內(nèi)部控制要求，允差要求在幾微米到十幾微米不等，通常為±10 μm。為了確保配套的工作用玻璃線紋尺能夠滿足核查需要，對(duì)使用的光學(xué)設(shè)備的性能好壞做出即時(shí)判斷，按照《測量儀器特性評(píng)定》（JJF 1094—2002）[3]的規(guī)定，要求工作用比例線紋尺的校準(zhǔn)測量不確定度≤1/3光學(xué)類儀器的最大允差，最好≤3 μm。由此可以推導(dǎo)選用的可作為測長系統(tǒng)基準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)器允差范圍需要優(yōu)于±1 μm，即需要選用達(dá)到納米級(jí)別精度的設(shè)備。

在研究過程中發(fā)現(xiàn)，激光干涉儀的測量原理是將激光束通過分光鏡分成兩路，一路反饋給探測器，另一路進(jìn)入移動(dòng)的反射鏡反射回探測器，通過測量光路長度改變來改變干涉光束的相對(duì)相位，并且由此產(chǎn)生相長干涉和相消干涉的循環(huán)，從而導(dǎo)致疊加光束強(qiáng)度的明暗周期變化，據(jù)此來進(jìn)行測量，如圖1所示，精度保持在±0.05×10-6以內(nèi)，遠(yuǎn)高于測量需求。

激光干涉儀還可以開展測長儀、導(dǎo)軌等平面度、線性、小角度、移動(dòng)距離的測量，綜合適用范圍、購買費(fèi)用等實(shí)際考量后，測量范圍為0～30 m的激光干涉儀被選用為測長基準(zhǔn)，即工作用玻璃線紋尺的主標(biāo)準(zhǔn)器。

在試用的測量過程中發(fā)現(xiàn)，激光干涉儀使用時(shí)會(huì)受到溫度、濕度、空氣中光折射等因素影響，所以在測量結(jié)果影響因素中決定采用上級(jí)溯源的整體測量不確定度作為激光干涉儀的不確定度引入[4]，即激光干涉儀示值誤差引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為1 m以內(nèi)的位移擴(kuò)展不確定度為0.4 μm，標(biāo)準(zhǔn)不確定度取其半寬，即0.2 μm。

3 ? ?選用工作平臺(tái)

按照激光干涉儀的工作原理，必須要選用能讓玻璃線紋尺移動(dòng)起來使光路發(fā)生變化的平臺(tái)才能獲得測量結(jié)果。砝碼的檢定原理即天平只作為衡器與顯示裝置，不參與標(biāo)準(zhǔn)砝碼與被校砝碼的量值傳遞過程，但需要滿足衡器合成不確定度≤1/6的被校砝碼最大允許誤差的要求[5]。參照砝碼的檢定原理，可移動(dòng)的工作平臺(tái)在移動(dòng)過程中平面會(huì)發(fā)生傾斜（圖2），故工作臺(tái)的平面度均需要控制在±0.5 μm范圍內(nèi)。

對(duì)實(shí)驗(yàn)室可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)工作平臺(tái)的拉線位移傳感器導(dǎo)軌、投影儀、影像測量儀、體視顯微鏡、萬能工具顯微鏡和測長儀等，用激光干涉儀分別進(jìn)行了最大300 mm范圍內(nèi)的評(píng)估和測量，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，除鋼卷尺檢定平臺(tái)、大理石平臺(tái)和投影儀外，實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的設(shè)備拉線位移傳感器導(dǎo)軌、影像測量儀、體視顯微鏡、萬能工具顯微鏡和測長儀均可作為工作平臺(tái)使用。

4 ? ?選用作為瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)器

工作用玻璃線紋尺的校準(zhǔn)需要在起始位置和測量位置瞄準(zhǔn)對(duì)齊線紋刻度的左端或右端進(jìn)行位置標(biāo)記。對(duì)入選的5個(gè)可作為工作平臺(tái)的設(shè)備進(jìn)行初步篩選：

（1）拉線位移傳感器導(dǎo)軌沒有瞄準(zhǔn)裝置;

（2）測長儀是端度測量的設(shè)備，無法實(shí)現(xiàn)線紋類測量的刻線瞄準(zhǔn);

（3）體視顯微鏡是處于水平方向靜態(tài)測量，而導(dǎo)軌是垂直方向的移動(dòng)，無法實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)。

工作用玻璃線紋尺的線紋測量需要進(jìn)行表面識(shí)別，想要實(shí)現(xiàn)所看即所測的讀數(shù)還需要額外增配CCD讀數(shù)裝置。由于還有影像測量儀和萬能工具顯微鏡可以作為瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的備選方案來進(jìn)行選擇，拉線位移傳感器導(dǎo)軌或測長儀加裝CCD瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的方案暫不考慮。

針對(duì)影像測量儀和萬能工具顯微鏡的瞄準(zhǔn)誤差，選取一根200 mm的二等玻璃線紋尺作為被檢測對(duì)象，選取50 mm、100 mm、200 mm 3個(gè)測量點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)分別進(jìn)行10次獨(dú)立的重復(fù)性試驗(yàn)，一共進(jìn)行了3組，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)果如表2所示。

從表2試驗(yàn)結(jié)果得出，影像測量儀和萬能工具顯微鏡兩個(gè)設(shè)備引入的不確定度分別為0.52 μm和0.06 μm，均能滿足1/3玻璃線紋尺允差的要求。

5 ? ?確定測量過程中的不確定影響因素

從設(shè)備自帶的放大系統(tǒng)和觀察便利性上來看，預(yù)判重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)該是影像測量儀優(yōu)于萬能工具顯微鏡，必然是在測試過程中有較大的測量不確定影響因素導(dǎo)致目前得出了截然不同的結(jié)果，于是對(duì)測量過程中的不確定影響因素進(jìn)行逐一排摸，發(fā)現(xiàn)：

（1）試驗(yàn)中采用的影像測量儀最小讀數(shù)為1 μm，萬能工具顯微鏡為0.1 μm，在瞄準(zhǔn)過程中產(chǎn)生了約0.5 μm的由分辨力帶來的讀數(shù)誤差，因此在條件允許的情況下需要選擇最小讀數(shù)至少為0.1 μm的影像測量儀作為瞄準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)器。

（2）影像測量儀的放置環(huán)境為普通溫控室，而萬能工具顯微鏡放置的環(huán)境為溫度（20±2）℃、濕度（50±5）%的測量室，即測量精密螺紋規(guī)的恒溫恒濕房。加上激光干涉儀本身在使用過程中就要對(duì)環(huán)境溫度和濕度進(jìn)行補(bǔ)償，濕度是用于倒推飽和大氣壓下溫度的。由此推導(dǎo)出環(huán)境溫度會(huì)影響到玻璃線紋尺膨脹及膨脹系數(shù)的選擇，還會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大激光干涉儀的補(bǔ)償溫度與玻璃線紋尺尺溫溫度差。

考慮到房間溫度控制的成本和可行性，直接在恒溫恒濕房的萬能工具顯微鏡上進(jìn)行了溫度方面的不確定影響評(píng)定。參照高等別線紋尺的建議，被校準(zhǔn)的工作用玻璃線紋尺需要預(yù)先等溫24 h[1]后進(jìn)行評(píng)估。取萬能工具顯微鏡最大量程對(duì)應(yīng)的200 mm工作用玻璃線紋尺作為評(píng)估對(duì)象，發(fā)現(xiàn)：

（1）線紋尺的線脹系數(shù)檢定誤差為±0.5×10-6 ℃-1，取最大測量范圍長度為200 mm的玻璃線紋尺時(shí)，測量環(huán)境溫度（20±X）℃與產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.04X μm的關(guān)系。

（2）由于激光干涉儀會(huì)測量氣溫、氣壓和濕度以補(bǔ)償激光波長的變化，而激光干涉儀溫度傳感器測溫與玻璃線紋尺的溫度差不超過0.2 ℃，標(biāo)尺線脹系數(shù)為10×10-6 ℃-1，服從反正弦分布，k=，則產(chǎn)生的不確定度為0.28 μm。

由此得出建立的測量系統(tǒng)所帶來的B類測量不確定度分量[4]如表3所示。

（3）為滿足測量要求，需要對(duì)A類不確定度[4]進(jìn)行評(píng)估，采用激光干涉儀對(duì)選定的被校工作用玻璃線紋尺的200 mm度值刻度進(jìn)行10次獨(dú)立的測量，并得到測量結(jié)果（圖3），根據(jù)貝塞爾公式計(jì)算可得重復(fù)性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差為0.71 μm。

為進(jìn)一步減少A類不確定度的引入，測試采用刻線左端對(duì)齊和右端對(duì)齊2次測量值的平均值為測量結(jié)果，則可得到A類不確定度引入為0.71/≈0.50 μm。

考慮到市場上工作用玻璃線紋尺的實(shí)際允差要求以及后續(xù)環(huán)境控制成本，最終選定將玻璃線紋尺的等溫溫度控制在（20±1）℃。最終評(píng)定下來的整體不確定度為（0～200 mm）：U=1.3 μm（k=2）。

6 ? ?編制工作用玻璃線紋尺的校準(zhǔn)方法

根據(jù)選擇好的標(biāo)準(zhǔn)器、需要控制的環(huán)境溫濕度等影響因素，對(duì)校準(zhǔn)程序進(jìn)行細(xì)化。

6.1 ? ?標(biāo)準(zhǔn)器

激光干涉儀、萬能工具顯微鏡。

6.2 ? ?環(huán)境控制

在溫度控制為（20±1）℃的恒溫房，玻璃線紋尺等溫后24 h進(jìn)行校準(zhǔn)。

6.3 ? ?校準(zhǔn)程序

（1）工具顯微鏡選用10X物鏡，將充分恒溫后的玻璃線紋尺放置于工具顯微鏡的工作臺(tái)上，調(diào)整工具顯微鏡焦距，使玻璃尺刻線成像清晰，將工具顯微鏡米字線縱刻線壓在玻璃線紋尺零刻線左端，調(diào)整工具顯微鏡工作臺(tái)調(diào)整螺釘，使玻璃線紋尺零刻線和尾刻線都與工具顯微鏡米字線縱刻線平行。

（2）激光干涉儀安裝及調(diào)試：將激光干涉儀的分光鏡固定在大理石平臺(tái)上，將反射鏡固定在工具顯微鏡移動(dòng)臺(tái)面上，通過全量程調(diào)整激光源、分光鏡和反射鏡形成光路回路，確保激光干涉儀在整個(gè)測量移動(dòng)過程中均能正確捕捉到回路光，保持可測量狀態(tài)。

（3）用工具顯微鏡米字線縱刻線瞄準(zhǔn)線紋尺的零刻線，與零刻線左邊相切，激光干涉儀清零、打開溫濕度補(bǔ)償;移動(dòng)X軸滑板，使玻璃線紋尺移動(dòng)整毫米刻線，再將工具顯微鏡米字線縱刻線與玻璃線紋尺該點(diǎn)刻線左邊相切，讀出激光干涉儀上的顯示值，即為玻璃線紋尺的刻線實(shí)際間隔，依次校準(zhǔn)玻璃線紋尺其他刻線間距，直至玻璃線紋尺最大測量范圍。

（4）再將工具顯微鏡米字線縱刻線與玻璃線紋尺零刻線右邊相切，干涉儀清零，移動(dòng)X軸滑板，使玻璃線紋尺間隔整毫米刻線，再將工具顯微鏡米字線縱刻線與玻璃線紋尺該點(diǎn)刻線右邊相切，讀出激光干涉儀上的顯示值，依次校準(zhǔn)玻璃線紋尺其他刻線間距，直至玻璃線紋尺最大測量范圍。

（5）對(duì)于測量范圍為0～1 mm的玻璃尺，校準(zhǔn)間隔為0.1 mm;測量范圍為0～10 mm的玻璃尺，校準(zhǔn)間隔為1 mm;測量范圍大于0～10 mm的玻璃尺，校準(zhǔn)間隔為測量范圍內(nèi)均勻分布的10點(diǎn)。

（6）取左端對(duì)齊和右端對(duì)齊[1]兩種壓線方式的2次測得值的平均值為校準(zhǔn)結(jié)果。

（7）根據(jù)工作用玻璃線紋尺作為玻璃實(shí)物量具，具有材料穩(wěn)定的特性以及光學(xué)類設(shè)備的復(fù)校周期，玻璃尺校準(zhǔn)周期建議不超過1年。

7 ? ?結(jié)語

本文以激光干涉儀作為測長系統(tǒng)基準(zhǔn)，以萬能工具顯微鏡作為移動(dòng)平臺(tái)和瞄準(zhǔn)測量裝置，并對(duì)校準(zhǔn)過程中的測量不確定度評(píng)定后，可以開展最大允許誤差≥3.9 μm的用于量值傳遞的工作用玻璃線紋尺的校準(zhǔn)活動(dòng)以及最大允許誤差≥10 μm的光學(xué)儀器配套的自校專用工作用玻璃線紋尺的校準(zhǔn)活動(dòng)，為《線紋計(jì)量器具檢定系統(tǒng)》（JJG 2001—1987）[2]傳遞環(huán)節(jié)多增設(shè)了一個(gè)環(huán)節(jié)，更為商業(yè)實(shí)驗(yàn)室開展校準(zhǔn)提供了科學(xué)的校準(zhǔn)方法和經(jīng)濟(jì)適用的標(biāo)準(zhǔn)器，滿足了精密機(jī)械加工廠計(jì)量室和車間、幾何測量工廠或?qū)嶒?yàn)室對(duì)工作用玻璃線紋尺的校準(zhǔn)溯源需求。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 高等別線紋尺檢定規(guī)程：JJG 73—2005[S].

[2] 線紋計(jì)量器具檢定系統(tǒng)：JJG 2001—1987[S].

[3] 測量儀器特性評(píng)定：JJF 1094—2002[S].

[4] 測量不確定度評(píng)定與表示：JJF 1059.1—2012[S].

[5] 砝碼檢定規(guī)程：JJG 99—2006[S].

收稿日期：2022-02-15

作者簡介：沈瑋煒（1986—），女，上海人，工程師，研究方向：檢測和/或校準(zhǔn)設(shè)備改良與運(yùn)用。