智能测头I—Probe校准方法研究

丁建萍

摘 要：文章以T3激光跟踪仪测量两个固定点距离为参考值，将智能测头I-Probe测量结果与参考值做比对，结果符合智能测头I-Probe技术指标。最后对智能测头I-Probe测量不确定度进行了分析。

关键词：激光跟踪仪；智能测头I-Probe；不确定度

中图分类号：TE271 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）29-0054-02

本文总结出了一种智能测头I-Probe的校准评价方法，为设备的校准、验收提供了相关依据。

1 智能测头I-Probe校准方法

智能测头I-Probe必须与API T3激光跟踪仪配套使用，是API T3激光跟踪仪智能附件之一。因此，在校准时，必须配套使用校准合格的T3激光跟踪仪（T3激光跟踪仪校准符合国家检定规程JJF-1242-2010及企业标准Q4 AF17.1-2011）。本文通过比对的方法检查I-Probe的测长精度能否满足技术指标，并分析了测量不确定度和给出不满足技术指标时的校准方法，具体工作框图如图1所示。

1.1 智能测头系统

智能测头测量系统，由于智能测头I-Probe是激光跟踪仪的一个特殊附件，其内部有矢量转换模块，其精度会影响智能测头的测长精度，通过对两个固定点距离的测量，并将测量结果与T3激光跟踪仪使用靶球测量结果比对，可以检查出智能测头测长精度。

1.2 智能测头测长数据分析

通过智能测头I-Probe测量两个固定点距离的统计分析，可以得到实验操作对智能测头测长精度重复性测量的分散性，以及智能测头在实验室工作状态是否稳定。

采用智能测头测量系统，在SA软件环境下，使用智能测头采集数据点，并计算两固定点距离，通过两固定点距离值反映智能测头的测长精度。环境温度20±2 ℃变化，SA软件环境下智能测头采集数据点，两固定点距离值见表1所示。

两固定点距离平均值：X=■■Xi=4 361.2561 mm（1）

两固定点距离标准偏差：S=■=6.9 ？滋m（2）

从智能测头测量两固定点距离标准偏差与智能测头空间长度测量不确定度比较，实验操作对智能测头空间长度测量影响不大，智能测头在实验室环境下，整个系统工作状态稳定，智能测头测量数据是合理可靠。

1.3 靶球测长数据分析

在SA软件环境下，使用靶球采集数据点，并计算两固定点距离，将两固定点距离值作为基准值。环境温度20±2℃变化，将智能测头更换为靶球，在SA软件环境下用靶球采集数据点，两固定点距离值见表2所示。

两固定点距离平均值：X=■■Xi=4 361.2579 mm（3）

两固定点距离标准偏差：S=■=4.5 ？滋m（4）

从靶球测量两固定点距离标准偏差可以看出，采用靶球的空间长度测量较好，说明实验室环境下，整个系统工作状态稳定，靶球测量数据的平均值可以作为基准值。将智能测头测量值与靶球所测量的基准值进行比对，见表3所示，最大差值绝对值为0.0146 mm。满足智能测头技术指标（50 ？滋m，≤10 m；15 ？滋m+5 ppm，>10 m）。

2 智能测头I-Probe测量不确定度评定

目前，常用的坐标测量仪器的不确定度评定有两种方法：①通过对标准件的测试进行评定。如三坐标测量机所用的标准球板、经纬仪所用的基准尺等，通过对标准件的已知几何参数进行重复性测量，并对结果进行分析，得到仪器的测量不确定度。②通过与测量精度更高的仪器比对进行评定，将两者的测量结果比较，也可以得出仪器的测量不确定度。对智能测头I-Probe的测量不确定度分析，采用比对的方法进行不确定度评定。将测量准确度更高的靶球测量系统测量两固定点距离作为基准值，并与智能测头I-Probe测量值进行比对，分析影响智能测头测量的各种因素的不确定度分量，最终给出智能测头测量不确定度。

分析智能测头A类和B类不确定度，智能测头重复性测量的实验标准差可被视为被测件贡献的A类标准不确定度。B类不确定度评定主要包含了四种影响因素的不确定度：①智能测头示值的标准不确定度；②靶球测量系统误差引入的不确定度；③热膨胀系数引入的不确定度；④环境温度对测量引入的不确定度。

2.1 A类不确定度评定

智能测头测量两固定点距离的实验标准差记为，利用下面的贝塞尔公式，即可计算出标准差。

S=■ （5）

式中：Xi为10次重复性测量值；■为10次重复性测量值的算术平均值；n为测量次数。

用贝塞尔公式计算的实验标准差可被视为被测件贡献的标准不确定度，说明了被测件重复性测量的分散性。则标准不确定度：

u1=S1=6.9 ？滋m（6）

2.2 B类不确定度评定

2.2.1 智能测头示值的标准不确定度

均方根误差可作为衡量测量精度的一种数值指标，它能够定量给出实际测量距离相对于理想测量距离的平均偏差。由智能测头I-Probe示值误差为：

？啄i=Li-Ti（7）

式中：Li为智能测头测量两固定点距离值；

Ti为靶球测量系统测量两固定点距离平均值。

均方根误差值：

？滓=■ （8）

按照均匀分布，引入智能测头示值的不确定分量u2：

u2=■=3.9 ？滋m（6）

2.2.2 靶球测量系统误差引入的不确定度

靶球测量系统误差引入的不确定度分量可被视为由靶球测量两固定点距离的实验标准差所贡献，则靶球测量系统引入的不确定度分量：

u3=4.5 ？滋m（10）

2.2.3 热膨胀系数引入的不确定度

经校准过的激光跟踪仪的干涉仪的波长补偿误差的测量示值误差优于10-6L，L为测量长度。

由于热膨胀系数引入的误差：

？驻L1=L·？驻a·？驻t（11）

式中，L为测量长度，？驻a为热膨胀系数的变化量，？驻t为环境温度变化量。

万象距离标准器热膨胀系数a=（11.5±1）×10-6℃-1，环境温度20 ℃±2 ℃，温度平均值偏离不超过？驻t=0.2 ℃。

按均匀分布，热膨胀系数引入智能测头测长精度的不确定分量u4（测量长度4.4 m）：

u4=■=0.5 ？滋m（12）

2.2.4 环境温度对测量引入的不确定度分量

由环境温度测量引入的误差：

？驻L1=L·a·？驻t（13）

式中，L为测量长度，a为热膨胀系数，？驻L为环境温度变化量。

万象距离标准器热膨胀系数a=（11.5±1）×10-6℃-1，环境温度20 ℃±2 ℃，温度平均值偏离不超过？驻t=0.1 ℃。

按均匀分布，环境温度引入智能测头测长精度的不确定度分量u5（测量长度4.4 m）：

u5=■=2.9 ？滋m（14）

2.2.5 扩展不确定度

以上各不确定度分量独立不相干，则合成标准不确定度：

uc=■=9.6 ？滋m（15）

扩展不确定度：

U=19.2 ？滋m，k=2（16）

本文总结了以T3激光跟踪仪测量两个固定点距离为参考值，将智能测头I-Probe测量结果与参考值做比对，对智能测头I-Probe的检测方法做了分析，结果符合智能测头I-Probe技术指标。最后，对智能测头I-Probe测量不确定度进行了分析。验证了检测智能测头I-Probe的方法是合理的。

参考文献：

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[5] API T3，激光跟踪仪使用手册[S].