數(shù)字式智能平面水平動(dòng)態(tài)分析儀示值誤差檢定方法

邵建橋　宮美望　王　婷 / 青島市計(jì)量技術(shù)研究院

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數(shù)字式智能平面水平動(dòng)態(tài)分析儀示值誤差檢定方法

邵建橋?qū)m美望王婷 / 青島市計(jì)量技術(shù)研究院

摘要介紹了數(shù)字式智能平面水平動(dòng)態(tài)分析儀工作原理，簡(jiǎn)述了其示值誤差的檢定方法。對(duì)檢定方法進(jìn)行了實(shí)例試驗(yàn)，得出了試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并評(píng)定了該示值誤差檢定結(jié)果的不確定度，研究和試驗(yàn)結(jié)果論證了該示值誤差檢定方法的準(zhǔn)確性，證明了該檢定方法適用于此儀器示值誤差的檢定。

關(guān)鍵詞數(shù)字式智能平面水平動(dòng)態(tài)分析儀；示值誤差；檢定；測(cè)量不確定度

0　引言

數(shù)字式智能平面水平動(dòng)態(tài)分析儀是一種平面角測(cè)量?jī)x器。其主要功能有平面角的測(cè)量、方位角的測(cè)量以及平面度的快速測(cè)量等，可以應(yīng)用在設(shè)備安裝、工作臺(tái)調(diào)平、鐵路系統(tǒng)鐵軌的水平位置確定、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)架的水平找正等領(lǐng)域。該儀器操作簡(jiǎn)單直觀，對(duì)使用者操作技能要求不高，便于快速測(cè)量、智能分析，滿足了機(jī)械加工企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)量的要求。

1　工作原理

該儀器在X軸與Y軸方向安裝有兩組角度傳感器，依據(jù)計(jì)量原理的融合技術(shù)以及誤差的計(jì)算機(jī)補(bǔ)償技術(shù)，將數(shù)字化虛擬儀器、角度傳感器與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，計(jì)算機(jī)軟件的虛擬儀表顯示動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)。平面水平動(dòng)態(tài)分析儀如圖1所示。

2　示值誤差的檢定方法

依據(jù)設(shè)計(jì)原理及工作原理，由于該儀器在X軸和Y軸方向安裝有兩組角度傳感器，因此需對(duì)這兩個(gè)方向上的示值誤差分別使用小角度檢查儀進(jìn)行檢定。首先，將小角度檢查儀的橋形工作臺(tái)橫向調(diào)至水平，將平面水平分析儀+X軸方向放置在工作臺(tái)的平工作面上，使其縱向與該儀器的+X軸方向相一致。調(diào)整小角度檢查儀的調(diào)整螺絲，使平面水平分析儀在+X軸方向上處于零位。在小角度檢查儀的立式光學(xué)計(jì)下各放置1 mm的量塊，調(diào)整立式光學(xué)計(jì)至零位。在+X軸正行程各受檢位置依次放置相應(yīng)尺寸量塊，并調(diào)整小角度檢查儀立式光學(xué)計(jì)復(fù)指零位，分別在各個(gè)相應(yīng)位置讀取平面水平分析儀相對(duì)于標(biāo)稱值的示值誤差。當(dāng)檢測(cè)到測(cè)量范圍終點(diǎn)時(shí)，開始返回進(jìn)行反行程方向的檢定。以同樣方法，分別對(duì)該儀器-X軸、+Y軸以及-Y軸方向示值誤差進(jìn)行檢定。

圖1　平面水平動(dòng)態(tài)分析儀

3　示值誤差檢定試驗(yàn)

依據(jù)上述示值誤差檢定方法，以分辨力為C =0.001 mm/m的儀器為例進(jìn)行試驗(yàn)。小角度檢查儀跨距為500 mm。表1、表2、表3、表4分別為在平面動(dòng)態(tài)分析儀+X軸、-X軸、+Y軸、-Y軸方向上測(cè)得的數(shù)據(jù)。

表1　平面動(dòng)態(tài)分析儀+X軸方向示值誤差

該平面動(dòng)態(tài)分析儀在+X軸方向示值誤差為+14字，即+0.014 mm/m（于表中1 200字處）。

表2　平面動(dòng)態(tài)分析儀-X軸方向示值誤差

該平面動(dòng)態(tài)分析儀在-X軸方向示值誤差為+18字，即+0.018 mm/m（于表中2 000字處）。

表3　平面動(dòng)態(tài)分析儀+Y軸方向示值誤差

該平面動(dòng)態(tài)分析儀在+Y軸方向示值誤差為+5字，即+0.005 mm/m（于表中2 000字處）。

表4　平面動(dòng)態(tài)分析儀-Y軸方向示值誤差

該平面動(dòng)態(tài)分析儀在-Y軸方向示值誤差為-17字，即-0.017 mm/m（于表中2 000字處）。

綜上試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以看出該平面動(dòng)態(tài)分析儀最大示值誤差為±0.018 mm/m（測(cè)量范圍為±2 mm/m）。

4　測(cè)量不確定度評(píng)定

4.1測(cè)量模型

Δi= δi－a/L

式中：Δi—— 被測(cè)平面水平動(dòng)態(tài)分析儀的示值誤差，mm/m；

δi—— 平面水平動(dòng)態(tài)分析儀實(shí)際顯示值，mm/m；

a —— 量塊的尺寸差，mm；

L —— 小角度檢查儀兩光學(xué)計(jì)測(cè)頭軸線間距離，mm

4.2方差和傳播系數(shù)

式中：C(δi) = 1；

C(a) = -1/L；

C(L) = a/L2

4.3標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量評(píng)定

4.3.1測(cè)量重復(fù)性估算的分量u(δ1)

對(duì)平面水平動(dòng)態(tài)分析儀X軸方向上在0.1 mm/m（100個(gè)數(shù)）位置重復(fù)測(cè)量10次，得到δ1的測(cè)量列：0.100 mm/m、0.100 mm/m、0.100 mm/m、0.100 mm/m、0.101 mm/m、0.100 mm/m、0.100 mm/m、0.100 mm/m、0.101 mm/m、0.100 mm/m。

則平均值Δ= 0.100 2 mm/m

故u (δ1) = 0.000 42 mm/m

4.3.2數(shù)顯量化誤差估算的分量u (δ2)

平面水平動(dòng)態(tài)分析儀最小分辨力為1個(gè)字，即0.001 mm/m，該量以等概率落在半寬為1/2個(gè)字的區(qū)間內(nèi)。

為不重復(fù)計(jì)算，故：

4.3.3標(biāo)準(zhǔn)角度（垂直方向）給出的不確定度分量u (a)

4.3.3.1量塊中心長(zhǎng)度的不確定度影響分量u (a1)

4.3.3.2量塊的長(zhǎng)度變動(dòng)量影響的分量u (a2)

實(shí)際操作中，假設(shè)量塊的中心瞄準(zhǔn)圓半徑≤1 mm，并在該區(qū)域范圍內(nèi)服從均勻分布，由此引起的變動(dòng)量按

e = h/2×(a/b)計(jì)算

式中：h —— 變動(dòng)量；

a —— 中心瞄準(zhǔn)圓半徑；

b —— 量塊測(cè)量面短邊的1/2

b = 4.5-1.5 = 3 mm（不含邊緣的1.5 mm）

e = （0.16/2）×1/3 = 0.03 μm

取k = 2.68

u (a2) = 0.03/2.68 = 0.011 μm

4.3.3.3光學(xué)計(jì)對(duì)線誤差估算的分量u (a3)

對(duì)線誤差是由分度線寬度決定的，一般不會(huì)超過(guò)分度線寬度的三分之一。目視立式光學(xué)計(jì)分度線寬度為15 μm，放大80倍，對(duì)線誤差為15/（80×3）= 0.062 μm，該量在半寬區(qū)間內(nèi)為三角分布，故

4.3.3.4光學(xué)計(jì)的示值變動(dòng)性估算的分量u (a4)

依據(jù)檢定規(guī)程JJG 45-1999《光學(xué)計(jì)》，分度值為1 μm的光學(xué)計(jì)，其示值變動(dòng)性應(yīng)不超過(guò)0.1 μm，在誤差范圍內(nèi)符合均勻分布，半寬為0.1/2=0.05 μm，包含因子k =，故：

則標(biāo)準(zhǔn)角度給出的不確定度分量：

4.3.4兩光學(xué)計(jì)測(cè)頭中心距不準(zhǔn)估算的分量u (L)

4.3.4.1兩光學(xué)計(jì)測(cè)頭中心距偏差

依據(jù)檢定規(guī)程JJG 300-2002《小角度檢查儀》，兩定位指示計(jì)中心距偏差為±0.05 mm，服從均勻分布，包含因子k =

4.3.4.2光學(xué)計(jì)兩定位指示計(jì)軸線平行度

依據(jù)JJG 300-2002，兩定位指示計(jì)軸線平行度偏差不超過(guò)±0.02 mm，服從均勻分布，包含因子k =4.3.4.3光學(xué)計(jì)兩定位指示計(jì)測(cè)帽球心與套孔軸心線的重合性

依據(jù)JJG 300-2002，兩定位指示計(jì)測(cè)帽球心與套孔軸心線的重合性不超過(guò)±0.06 mm，服從均勻分布，包含因子k =

則：

4.4測(cè)量不確定度匯總

通過(guò)以上分析，各分量測(cè)量不確定度見(jiàn)表5。

表5　各分量測(cè)量不確定度

4.5合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

各影響量互相獨(dú)立，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度按下式計(jì)算：

4.6擴(kuò)展不確定度

取k = 2，則擴(kuò)展不確定度：

同樣，對(duì)平面水平動(dòng)態(tài)分析儀在Y軸方向上的測(cè)量結(jié)果不確定度進(jìn)行分析，得出UY= 0.001 mm/m。

5　結(jié)語(yǔ)

本文提出了平面水平動(dòng)態(tài)分析儀示值誤差的一種檢定方法，使用該方法對(duì)儀器的示值誤差進(jìn)行了檢定試驗(yàn)，并且評(píng)定了該示值誤差測(cè)量結(jié)果的不確定度。本文的研究和試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法準(zhǔn)確度高、科學(xué)高效。適用于智能平面水平動(dòng)態(tài)分析儀示值誤差的檢定。

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Verification method of indication errors of the digital intelligent dynamic analytical level

Shao Jianqiao，Gong Meiwang，Wang Ting

（Qingdao Institute of Measurement Technology）

Abstract:The operational principle of the digital intelligent dynamic analytical levels is introduced in the paper. The verification method of indication errors is briefly described. By the means of test expreriments of the method, the test data have been obtained. The uncertainty of verification results are evaluated. Research and test results proved the accuricy of the method, and show that the method is suitable for indication error verification of the instrument.

Key words:digital intelligent dynamic analytical levels; indication error; verification; uncertainty of measurement