冲击试样缺口投影仪标准比对样板缺口半径的校准方法及测量不确定度分析

金京 伍玲 / 武汉市计量测试检定研究所

0 引言

金属材料冲击试验对于冲击试样的缺口要求严格，缺口的细微变化都可能引起试验结果出现偏差。为保证加工出的冲击试样缺口符合国标，检验缺口的加工质量是一个重要的控制方法。随着国内工业技术的发展，目前国内越来越多的行业诸如锅炉压力容器、冶金和机械等已普遍采用夏比V形缺口冲击试验。冲击试样缺口投影仪是根据目前国内大部分用户的实际需求以及国标GB/T 229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》中对冲击试样缺口的要求而设计开发的一种专用于检查夏比V形（深2 mm）和U形（深2 mm）冲击试样缺口加工质量的光学仪器，是广大冶金、锅炉压力容器、车船和工程机械制造及科研等部门实验室的必备专用设备。而其中标准比对样板V形、U形缺口圆弧半径则是冲击试样缺口投影仪的主要计量参数，需要做计量特性的要求和进行量值溯源。但是，目前国内尚无冲击试样缺口投影仪的校准方法。行业相关企业需要做好内部质量控制，确保设备正常工作状态，确保产品符合国家标准要求，同时面对企业客户的考核和评审需求，以及监管评审等，制定与之对应的校准规范或是详尽的校准方法，开展相应的计量校准工作，有利于保证此类设备的量值准确。

1 概述及要求

冲击试样缺口投影仪是一种专用于检查夏比V形和U形冲击试样缺口加工质量的专用光学仪器，主要由标准比对样板、投影屏、光学投影系统和机械系统组成。通过发出的光线经聚光镜照射到冲击试样上，再经物镜将冲击试样缺口放大50倍后的轮廓投射在标准比对样板投影屏上，与标准比对样板进行比对，以确定被检测的冲击试样缺口加工是否合格。冲击试样缺口投影仪结构如图1所示，投影屏上的标准比对样板如图2所示。

图1 冲击试样缺口投影仪

图2 标准比对样板

1）标准比对样板V形缺口圆弧

标准比对样板图V形缺口圆弧半径标注值为0.225 mm、0.25 mm、0.275 mm，标称值为11.25 mm、12.5 mm、13.75 mm，根据 GB/T 229-2007 对缺口根部半径尺寸与偏差的要求，制定冲击试样缺口投影仪标准比对样板V形缺口圆弧半径最大允许误差为±0.25 mm。

2）标准比对样板U形缺口圆弧

标准比对样板上U型缺口圆弧半径标注值为0.93 mm、1 mm、1.07 mm，标称值为 46.5 mm、50 mm、53.5 mm，根据GB/T 229-2007对缺口根部半径尺寸与偏差的要求，制定冲击试样缺口投影仪标准比对样板U形缺口圆弧半径最大允许误差为±0.7 mm。

2 校准条件及校准用标准器

校准时温度为（20±5）℃；湿度为≤75%RH；不得有影响校准结果的振动或其他干扰源。

校准用标准器为万能工具显微镜，示值MPEV：（1 +L/100）μm；L为被测长度（mm）。也可采用满足测量不确定度要求的其他测量设备进行校准。

3 标准比对样板V形缺口圆弧半径校准方法

将标准比对样板放置于万能工具显微镜的工作台面上，调整仪器，选择适当放大倍数的物镜，能从万能工具显微镜目镜视场中观察到清晰的V形缺口轮廓。调整万能工具显微镜工作台，使主显微镜十字水平分度线与缺口底部水平线对齐。分别对三段半径不同的圆弧进行测量，每段圆弧分别测量弓高和弦长，在选择弦长时尽可能选取弦长的最大值来进行测量，然后按式（1）分别计算出每段不同圆弧的半径值即为校准结果：

式中：Ri——被测缺口圆弧半径值；

Hi——被测缺口圆弧弓高测得值；

Di——被测缺口圆弧弦长测得值

4 标准比对样板U形缺口圆弧半径校准方法

从万能工具显微镜目镜视场中观察到清晰的U形缺口轮廓。分别对三段半径不同的圆弧进行测量，每段圆弧分别测量弓高和弦长，在选择弦长时尽可能选取弦长的最大值来进行测量，然后按式（1）分别计算出每段不同圆弧的半径值即为校准结果。

5 测量不确定度分析

5.1 测量任务

用万能工具显微镜测量冲击试样缺口投影仪标准比对样板标注半径为1 mm，实际半径为50 mm的U形缺口圆弧半径。

5.2 目标不确定度

根据JJF 1094-2002《测量仪器特性评定》中5.3.1.4规定，扩展不确定度U（k= 2）与其最大允许误差的绝对值MPEV之比，应小于或等于1∶3，即

依据校准方法，U形缺口圆弧半径MPEV=±0.7 mm，将其代入式（2）中，得到与之对应的目标不确定度UT= 0.24 mm。

5.3 不确定度传播公式

5.4 标准不确定度评定

1）弦长测量重复性引入的不确定度分量u1(Di)：选取放大后半径为50 mm的U形缺口圆弧，在重复性条件下分别连续测量10次，其弓高和弦长测得数据见表1。

表1 测量数据

依据表1，弦长测量重复性引入的标准不确定度分量u1(Di)，根据测量数据可得：u1(Di) = 2.8 μm

2）弓高测量重复性引入的不确定度分量u1(Hi)：依据表1，弓高测量重复性引入的标准不确定度分量u1(Hi)，根据测量数据可得：u1(Hi) = 4.8 μm

3）标准器分辨力引入的不确定度分量u2：万能工具显微镜分辨力为0.2 μm，区间半宽为0.1 μm，服从均匀分布 ，可得：u2= 0.06 μm

重复性引入的标准不确定度分量和标准器分辨力引入的标准不确定分量，取结果较大者，则u2舍去。

4）标准器误差引入的不确定度分量u(B)：万能工具显微镜示值MPEV：（1 +L/100）μm；L为被测长度（mm），取L最大值100 mm时，在半宽为2.0 μm区间内服从均匀分布，测弓高和弦长时，引入 2 次，可得：

5）温度差引入的不确定分量u(Δt)：测量环境温度条件为（20±5）℃，被测件材料为玻璃，其线膨胀系数α= 10×10-6℃-1，被测行程L最大取 100 mm，服从均匀分布，可得：u(Δt) = 2.89 μm

6）线膨胀系数差引入的不确定分量u(Δα)：实验环境温度取最大偏离t= 5 ℃，测件材料为玻璃，其线膨胀系数α1= 10×10-6℃-1，而标准器金属线膨胀系数为α2= 11.5×10-6℃-1，被测行程L最大取100 mm，服从均匀分布，可得：

5.5 标准不确定度一览表

冲击试样缺口投影仪圆弧半径的测量不确定度来源与数值汇总于表2。

表2 标准不确定度一览表

5.6 合成标准不确定度

5.7 扩展不确定度

取包含因子k= 2，则U=kuc= 13.1 μm ≈ 0.02 mm

5.8 不确定度计算讨论

通过上述不确定度计算表明，U= 0.02 mm ＜UT（0.24 mm），目标不确定度合格判据U≤UT得到满足。

6 结语

冲击试样缺口投影仪利用光学投影方法将被测的冲击试样V形或U形缺口与标准比对样板比对，以确定被检测的冲击试样缺口加工是否合格。因此，冲击试样缺口投影仪标准比对样板缺口半径检测的准确性，显得尤为重要。本文通过对冲击试样缺口投影仪的结构和标准比对样板V形、U形缺口圆弧半径技术要求的分析，研究选用冲击试样缺口投影仪标准比对样板缺口半径的测量标准设备，给出的校准方法，一定程度上规范了冲击试样缺口投影仪在实际计量校准过程中的操作问题。