水平陪检标准器性能参数测量方法的研究*

刘素洁 王蔚晨

(1.宁波市计量测试研究院，宁波 315048； 2.中国计量科学研究院，北京 100029)



水平陪检标准器性能参数测量方法的研究*

刘素洁1王蔚晨2

(1.宁波市计量测试研究院，宁波 315048； 2.中国计量科学研究院，北京 100029)

水平陪检标准器具有准确度高、便于携带的特点，因此一直以来都被作为水平传递标准应用于水准仪检定装置的现场检测，但是对于水平陪检标准器的溯源，国内始终缺乏有效的手段。本文提出了一种新的溯源方法，利用两套180°共轴放置的长焦距高分辨率平行光管，借助双面平行反射镜，实现了对水平陪检标准器的溯源，并对此进行了实验。实验结果显示，水平陪检标准器的摆差β为-13.62″，楔角a 为0.69″，镜面与铅垂线的夹角δ为0.01″，实验中的重复性均在0.04″～0.07″之间。

计量学；水平准线；水平陪检标准器；平行光管

0 引言

水平陪检标准器(以下简称吊镜)是基于自动安平原理的双摆位反射镜系统。利用重力原理使一个平行平面反射镜悬吊在两组X吊带中间。在重力的作用下，补偿反光镜的法线方向始终保持在水平面内，补偿误差为±0.1″/1′[1]。基于上述这些特性，水平陪检标准器被作为水平传递标准应用于水准仪的检定装置中。但实际由于吊镜的机械结构和加工误差等原因，存在若干个引起镜面倾斜的因素，使得双面反射镜并非铅垂，以此为水平传递标准也将会引入一定的系统误差，因此亟需对吊镜进行溯源，以完善水平准线的量值溯源体系[2-5]。

1 吊镜自身的影响因素分析

吊镜内部的双面反射镜从理论上来说两个反射面是平行的，但实际由于加工问题，使其存在一个微小的角度，俗称楔角，记为a 。悬挂支架的不完全水平以及双面反射镜自身的偏重都使其与铅垂方向存在一个角度，但是由于这两个因素引起的角度在吊镜转换摆位时方向变化一致，因此合并为一个参量，定义为摆差，记为β。由于机械加工和装配的因素，转动轴也并非铅垂，因而将由转动轴倾斜引起的镜面与铅垂线的夹角记为δ[6]。

2 吊镜的溯源方法

2.1 实验原理分析

将两支焦距为2000mm的平行光管对称地放置在由隔振地基和隔振平台组成的底座上，此处用两支长焦距的平行光管而不用普通的平行光管或是自准直仪是为了获得更高的精度，此平行光管自身的光学分辨率是0.65″，通过CCD图像采集软件获得的分辨率为0.01个像素，经过测试得知，该系统1个像素对应的是0.22″，也就是说经CCD图像采集后的分辨率为0.002″，远远高于普通平行光管0.01″的分辨率，且比普通平行光管具有更好的稳定性。

实验过程中还借助了平行平面反射镜(以下简称双面镜),该方案的原理简图如图1所示，中间的切换工作台上并排放置被检水平陪检标准器和双面镜。

1.隔振平台；2.1#长焦距平行光管；4.2#长焦距平行光管；3.5.CCD；6.切换工作台；7.吊镜； 8.平行平面反射镜；9.导轨图1 吊镜溯源的原理图

将吊镜放置在平行光管的中间，切换摆位后光管读数的变化主要取决于以下几个影响因素：楔角a 、摆差β、转动轴倾斜引起的镜面倾斜δ以及平行光管和水平面的交角θ1和θ2。a 、θ1和θ2符号始终为正，β和δ在同一摆位时反应在两光管的读数均为一正一负，吊镜切换摆位时β的方向和原来相反，而δ的方向没有变化。1#和2#光管的读数在摆Ⅰ时分别记为A1、A2，在摆Ⅱ时分别记为B1、B2，得到第(1)组方程如下：

A1=a /2+β+δ+θ1

(1)

A2=a /2-β-δ+θ2

(2)

B1=a /2-β+δ+θ1

(3)

B2=a /2+β-δ+θ2

(4)

由第(1)组方程可得

β=[(A1-A2)-(B1-B2)]/4

(5)

A1-A2=2β+2δ+(θ1-θ2)

(6)

A1+A2=a +(θ1+θ2)

(7)

可见要解出a 和δ也需要改变a 和δ的方向，而改变δ的方向只能通过转动吊镜底座180°获得，吊镜底座转动时β的方向也发生了变化，此时，1#和2#光管的读数在摆Ⅰ时分别记为B1″、B2″，在摆Ⅱ时分别记为A1″、A2″，得到第(2)组方程如下：

A1″=a /2+β-δ+θ1

(8)

A2″=a /2-β+δ+θ2

(9)

B1″=a /2-β-δ+θ1

(10)

B2″=a /2+β+δ+θ2

(11)

由第(2)组方程可得

A1″-A2″=2β-2δ+(θ1-θ2)

(12)

式(6)和式(11)联立可解出

δ=[(A1-A2)-(A1″-A2″)]/4

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

由第(3)组方程可得

(18)

将式(18)代入式(7)即可解出

(19)

将各已知量代入后还能解得θ1和θ2：

(A1″-A2″)+(B1-B2)]/4

(20)

(A1″-A2″)-(B1-B2)]/4

(21)

2.2 实验过程

切换工作台，将吊镜移入两平行光管的光路中，在摆Ⅰ和摆Ⅱ位置分别读出对应的4个Y值A1、A2、B1、B2，再将吊镜底座旋转180°，在摆Ⅱ和摆Ⅰ位置分别读出对应的4个Y值A1″、A2″、B1″、B2″。重新切换到双面镜，如此重复测量10次。

3 实验数据处理

本次实验装置见图2，黑色保温罩中的切换工作台见图3，CCD图像采集软件见图4。

图2 实验装置

图3 切换工作台

图4 CCD图像采集软件

实验中用CCD图像采集软件每隔500ms采集1个数，采集40个数后取平均值记录，连续测10组数据，两平行光管测得的数据见表1(此读数为像素，经测试，该系统一个像素对应的是0.22″)。

表1 平行光管测吊镜和双面镜的数据 单位：像素

将表1中的数代入式(5)(13)(19)(20)(21)，并换算成(″)，得到的数据见表2。

表2 经计算得到的数据值 单位：″

至此，吊镜使用中影响测量精度的关键参数均已获得，同时也获得了两根平行光管偏离水平面的夹角。

4 测量不确定度分析

本次实验环境温度为20.0℃,相对湿度为50%，影响测量不确定度的因素主要有：

1)光管的稳定性。两根光管放置在隔振地基和隔振平台组成的底座上，理论上来说人员走动对它的影响应该不大，但实际由于光管的超高精度，由过去的实验数据表明，周围有人员走动时光管的变化量在1″以上，因此实验过程中只留下2名实验人员，且禁止走动。另外，实验中光管的短期稳定性是一个很重要的因素，通过对系统稳定性的监测可知，光管的短期稳定性在0.04″以内。

2)光管出射光线不平行。根据自准直仪的测量原理，当光管的出射光线不平行，且反射镜的中心偏离了光管光轴的中心时会引入不确定度，估算此不确定度为0.06″。

3)本次实验中获得的各参数标准偏差在0.04″～0.07″不等，按A类标准不确定度评定。人员操作时的误差已体现在测量重复性之中，在此不予单独考虑。

结合上述评定，可知用此套装置对吊镜进行溯源时的不确定度应在0.2″以内。

5 结论

综上所述，利用两套180°共轴放置的长焦距高分辨率的平行光管，借助双面镜就能对吊镜进行溯源，而且通过CCD图像采集软件，还能进一步提高分辨率，最终将测量不确定度控制在0.2″以内，实现了水平准线的高精度复现。

[1] 刘海波，陈志高.水准仪检定装置的校准[J].中国计量.2004(7):67～69

[2] 张卫东，张琳娜.水准仪检定装置水平准线偏差检定方法的探讨[J].计量学报.2008.9(29):48～51

[3] 齐乘光，付辉清，沈妮，等.自动安平式水平准线计量标准[J].计量技术.1999(6):30～32

[4] 贾敏强，刘海波，付辉清.铅垂线实现方法研究[J].大地测量与地球动力学.2007.6(27):139～141,155

[5] 郝群.激光准直和CCD测量技术在大型尺寸形位误差测量中的应用研究[D].北京：清华大学，1997

[6] 刘素洁，丁晨，王蔚晨，等.水平陪检标准器镜面倾斜量测量方法的探讨[J].计量技术.2015(2):11～14

*中国计量科学研究院基金项目：建立光学水平准线标准的研究(AJG1209)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.06.16