数显倾角仪特性和校准方法的研究

陈晓丹

(福建省计量科学研究院，福建 福州 350003）

1 引言

随着科学技术发展，对各种物理量和角度测量的精度要求越来越高，自然对倾角仪的测量精度要求也越来越高。数显倾角仪作为测量角度的常用设备，是用于测量一个平面（或圆柱面）相对于水平面的倾斜角或两平面（或圆柱面）之间夹角的数显式测角仪器。随着仪器科学发展，不同类型的倾角仪相继出现，精度越来越高，所以对倾角仪进行校准也显得尤为重要。目前，我国尚无国家计量检定规程或校准规范为依据对其计量性能进行控制，文中根据倾角仪的结构特点和产品技术参数，提出了数显倾角仪的校准方法并对示值误差测量结果不确定度进行评定。

2 数显倾角仪的特点及应用领域

在日常工作中，普遍使用的的数显倾角仪测量范围为0°～360°，精度为±0.1°、±0.05°和±0.01°。数显倾角仪可进行360°完整测量，不受其结构限制，为铝合金测量结构。其工作原理为水平摆原理，故不需要任何特别设备，可利用自翻转的方法进行重新校正。数显倾角仪一般有多个测量面，且具有带磁测量面，可满足垂直或大角度倾斜金属面的角度测量。数显倾角仪还具备显示器翻转功能，当数显倾角仪倒置，液晶显示的角度读数会自动翻转朝上便于阅读。

数显倾角仪主要用于土木建筑工程倾斜面测量、工业设备安装测量、消防设施安装定位测量等，同时也广泛应用于铁道系统、水利系统、军事自动化、工业自动化、汽车行业、机械行业和建筑施工等领域的数字化几何量测量仪器。

3 数显倾角仪的常见形式及用途

市场上常见的电子数显倾角仪的型式分为手动型条式电子数显倾角仪（如图1所示）、自动矩形电子数显倾角仪（如图2所示）和方盒电子数显倾角仪（如图3所示）。手动型条式电子数显倾角仪，又称电子水平尺[1]，是最常用的一种，用于检验、测量、划线、设备安装、工业工程施工，主要用来检测或测量水平和垂直度，可分为铝合金方管型、工字型、压铸型、塑料型、异形等多种规格，长度从10cm到250cm多个规格，精度由水平尺材料的平直度和水准泡质量决定，常用水平尺的精度有±0.1°、±0.05°和±0.01°。自动矩形电子数显倾角仪又称数字角度尺[1]，操作方便，在一定测量范围内精度较高，常见类型的精度为±0.1°。方盒电子数显倾角仪体积较小，使用比较灵活，在一定测量范围内精度较高。

图1 手动型条式电子数显倾角仪

图2 自动矩形电子数显倾角仪

图3 方盒电子数显倾角仪

4 数显倾角仪的校准方法

通过对数显倾角仪的特点和常见形式的介绍，数显倾角仪的校准项目包括零值误差、漂移、示值误差和测角重复性，以下将对四个参数的校准进行逐一介绍。

4.1 零值误差[2]

4.1.1 下平面工作面为基准的零值误差

将仪器放置在调至水平仪零位检定器的工作台上[2]，读取其示值，然后将其在原位上调转180°，读取其示值。当两次读数值均超过一个分辨力时，按其相关说明书的调整方法调整仪器至上述两次操作读数值均满足在一个分辨力内。仪器的显示值为零值误差。

4.1.2 下V形工作面为基准的零值误差

测量前将芯轴固定在水平仪零位检定器的工作台面上[2]，再将倾角仪放置在芯轴上校准，然后按4.1.1的方法测量，计算出零值误差。

4.2 漂移

仪器预热稳定后，将仪器置于带校准平台的光学分度头装置测量范围内的任一示值，每隔5min观察1次示值，记录实测值，观察3次，示值间最大值与最小值之差即为仪器的漂移。

4.3 示值误差

将带校准平台的光学分度头装置安置在稳定、可靠的工作台上，调整校准平台的水平，要求不超过水准器的一个分度，调整好光学分度头校准装置的零值位置。将需校准的数显倾角仪吸牢在光学分度头的校准平台上，光学分度头的校准平台分别顺时针和逆时针旋转至相应的校准点，每次改变量依据倾角仪的量程选取，在量程范围内至少校准5个位置，待示值稳定后读取被校数显倾角仪相应的示值，重复测量3次。按公式（1）分别计算被校数显倾角仪示值误差。

4.4 测量重复性

在相同的测量条件下，在“3.3数显倾角仪示值误差”的校准基础上，按公式（2）计算其测量重复性，测量点的重复性均应满足不超过一个分辨力要求。

5 不确定度评定

以下采用带校准平台的高精度卧式光学分度头对被校数显倾角仪相应示值进行比较测量所得示值误差，其测量结果不确定度评定[3]。

5.1 测量模型

5.2 方差和灵敏系数

5.3 不确定度分量来源

5.4 不确定度计算

分辨力为0.1°、0.05°和0.01°的数显倾角仪测量不确定度计算结果，如表1所示。

表1 测量不确定度分量评定汇总表

6 结语

数显倾角仪采用地磁传感器或加速度传感器对倾角进行测量，目前市场数显倾角仪的种类较多，测量规范不够统一，且受其自身材料、使用环境等限制，数显倾角仪的使用寿命和精度往往会受多方面影响。若长期不进行校准，则会出现无法使用，甚至出现其他一系列问题。因此文中根据数显倾角仪的特性和产品技术参数，提出了数显倾角仪主要4个参数的校准，并提供实际校准数显倾角仪示值误差的测量不确定度评定的分析。

在分析数显倾角仪示值误差分成标准不确定度时，可看出数显量化误差和测角重复性产生的不确定度分量对结果影响较大。希望该校准方法能对计量部门开展数显倾角仪计量校准工作提供参考与帮助。