激光线长测量仪示值误差的校准装置

/ .无锡市计量测试院；.宜兴市计量检定测试所

0 引言

激光线长测量仪是用在工业生产线上的板材、纸张、布匹等材料在生产过程中实时非接触检测其长度的一种测量仪器，测量准确度达到0.05%。目前，激光线长测量仪的生产厂商主要是美国BETA Laser-Mike、德国elovis、英国Polytec等，而国内没有厂商生产，对其示值溯源没有相应的校准依据可执行。本文对该测量仪器的示值误差溯源设计出一种校准装置，并进行了校准结果的不确定度分析，供大家参考。

1 激光线长测量仪工作原理

激光线长测量仪，采用双光线的激光多普勒干涉测量技术，实现非接触式长度测量。激光源发射出的激光通过光束分离器产生两束光在被测物体表面产生明暗相间的干涉条纹，光检测器通过回收激光检测到干涉条纹的变化，输出相应的电信号，如图1所示。被测物体移动，光检测器获得信号，测出被测物体的速度，并精确计算出通过测量区域的该物体的长度。

图1 激光多普勒干涉原理

被测物体的速度

式中：d—— 明暗条纹的间距，见图2；

λ—— 激光波长；

κ—— 入射角

图2 激光多普勒干涉条纹

2 激光线长测量仪校准装置

激光线长测量仪校准装置具有较强的综合检测与校准能力，操作简单、方便、可靠，能快速完成校准，很好地解决激光线长测量仪校准问题。

本装置采用了直径为300 mm的标准圆盘为主要标准器，周长是固定的。通过软件精确控制伺服电机带动标准圆盘转动，通过角编码器计算出标准圆盘的转动周长。该周长与激光线长测量仪读数装置显示的示值相比较，得出激光线长测量仪的示值误差。当伺服电机带动标准圆盘转动时，在软件上可以通过预先设置的周长值在任意长度上对激光线长测量仪进行校准。该装置主体部分结构如图3所示。

图3 激光线长测量仪校准装置结构

3 校准过程及不确定度分析

3.1 校准过程

如图3所示，将作者单位一台型号为BATE Laser-Mike LS9000，编号为CH862013，精度为0.05%的激光线长测量仪放置在工作台上，通过调节激光线长测量仪在线性导轨上位置，控制其景深距离(300 mm±30 mm)。当两束光斑重合为一束打在标准圆盘的中心线上，设置标准圆盘的线速度，启动伺服电机带动标准圆盘旋转，同时开起激光线长测量仪并按下零点键，根据预先设置的校准点，对激光线长测量仪示值进行校准。校准数据见表1。

3.2 不确定度分析

该型号的激光线长测量仪示值误差在±0.05%范围内，为了验证校准的准确性，作如下测量不确定度分析：

3.2.1 校准的重复测量引入的不确定度分量u1

将仪器测量头对准标准圆盘转动装置的中心，设定标准长度值100 m，然后连续10次重复测量：100.00、100.00、100.00、100.00、100.00、100.00、100.00、100.00、100.01、100.00，则实验标准差为0.003 m。

则u1= 0.003 m

表1 不同线速度下的示值误差（仪器分辨力：0.01 m）

3.2.2 标准装置允许误差引入的标准不确定度分量u2

校准装置的允许示值相对误差为0.005%。假设为均匀分布，则

3.2.3 仪器测量头对校准装置的圆中心引入的标准不确定度分量u3

仪器测量头中心对校准装置的圆中心的误差不超出2 mm。由试验数据得出，对中误差引入的不确定度分量为0.005%。假设为均匀分布，故

3.2.4 合成标准不确定度

3.2.5 扩展不确定度

取k= 2，可得扩展不确定度为

U=k·uc= 0.011 m

则Urel= 0.011%

通过分析得出，相对扩展不确定度小于出厂说明书规定的线性示值误差0.05%的三分之一，说明此校准装置具有非常好的可行性。

4 结语

目前，由我院起草的江苏省《激光线长测量仪校准规范》地方计量技术规范已经发布实施。我院研制的激光线长测量仪校准装置能很好地解决激光线长测量仪校准溯源的要求，保证激光线长测量仪的测量准确度，可以确保其对产品长度计量的准确，尤其在电线电缆行业，能有效减少因长度偏差带来的贸易纠纷，为企业控制生产成本，获得更高的经济效益。

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