钢卷尺测量台的校准方法

徐文劼 陈浩 虞琼华 / 上海市计量测试技术研究院

0 引言

2015年8月，新修订的JJG 4-2015《钢卷尺》检定规程经国家质检总局批准，自2016年2月起实施。由于旧规程已经使用了14年，期间计量器具的生产技术、执行标准和使用要求都有了较大改变。为此新规程进行了一些修改、增加和删除，尤其针对测量台标准装置又提出了很多新的要求。

伴随新检定规程的实施，近两年许多检定校准机构、区县计量所、科研院所和企业也进行了相关设备的采购和升级来助力制造检测生产水平的提升，其中不乏一些半自动或全自动的新型设备。由于钢卷尺检定的业务量大，开展检测的机构多，业界存在大量自动或手动钢卷尺测量台需要定期进行溯源。2016年组织的钢卷尺示值误差CNAS能力验证中，有十多家单位的比对结果En值大于1，比对结果不满意占参与者的12.2%。经过后续分析，发现测量台的计量性能对示值误差有很大影响，这一现象已经影响了机构正常的检定校准工作，需要研究制定出一套有针对性的校准方法。

1 现状与需求

长期以来，大部分机构采购卷尺测量台（见图1）后，只对标准钢卷尺进行检定，对配套设备仅做功能性检查。实际检定工作中，测量台导轨的直线度、张紧力的施加、读数镜头的准确度、被测钢卷尺与标准钢卷尺的平行度、零值误差检定器的准确度等要素都会影响检定结果。JJG 4-2015中对钢卷尺检定设备的性能提出了详细的技术指标和要求。若仅对标准钢卷尺进行检定，难以保证整套设备的技术特性达到要求。

图1 卷尺测量台

2 校准方法及误差分析

2.1 标准钢卷尺的分段测量及误差分析

对标准钢卷尺的检定一般使用激光干涉仪。将标准钢卷尺平铺于检定台上，施加规定的拉力使其张紧，通过激光干涉仪对尺身的标尺间隔和示值误差等项目进行检定。

标准钢卷尺安装于钢卷尺测量台上，完成固定后一般不可随意移动，这是作为检定钢卷尺的主标准器。检定时将标准钢卷尺与被测钢卷尺平行地平铺在测量台上，通过目力观察或用读数显微镜比对两者的线纹分度。

测量台的长度一般为5 m，假设被测钢卷尺长度为20 m，则需要分4段进行测量，此过程中每段测量都会由标准钢卷尺重复测量引入同一误差。

已知标准钢卷尺的扩展测量不确定度为

U= （5 + 5L）×10-3mm（k= 2）

分段测量中各段合成不确定度分量为正相关，测量长度L处的不确定度分量u(ΔL)如表1所示。

表1 分段测量中各段不确定度分量

2.2 固定基面和尺钩槽的安装及误差分析

检定钢卷尺时需要将标准钢卷尺和被测钢卷尺的尺带平行地平铺在卷尺测量台上。如图1中A向视图所示。标准钢卷尺紧靠固定基面安装，被测钢卷尺的尺钩卡入与固定基面垂直的尺钩槽，以此保证两者沿尺带方向的平行度。为了在检定过程中确保该平行度，应对固定基面和尺钩槽的夹角进行测量。测量中可以选用合适的万能角度尺或角度规，将万能角度尺的直尺边和测量面分别与被测固定基面及尺钩槽相贴合，测出两者的角度误差。

假设固定基面与尺钩槽的垂直度存在误差，引起的平行度误差为±2 mm/m。以5 m长的钢卷尺为例，根据余弦定理，可能引起沿尺带方向测量误差为0.01 mm，该误差服从均匀分布，包含因子k为那么由固定基面和尺钩槽垂直度误差引入的标准不确定度分量u(Δe0)为

2.3 读数显微镜的使用及误差分析

检定I级钢卷尺及测深钢卷尺使用读数显微镜读数；检定II级钢卷尺，当检定员目力观察存在疑问时，仍需要使用读数显微镜进行测量。根据上述分析，必须对读数显微镜进行校准，该项目校准一般使用测量不确定度不大于读数显微镜最大允许误差1/4的玻璃线纹尺或掩模板，使玻璃线纹尺的线纹处于读数显微镜视场内的测量位置，显微镜测得值与尺身标准值之差为显微镜的测量误差。

检定II级钢卷尺时，受检点偏差由目力估读，测量时人眼分辨力大致为0.1 mm，由于一次测量带有两次人眼分辨力误差，包含因子k为故人眼分辨力引起的标准不确定度分量u(Δe1)为

检定I级钢卷尺及测深钢卷尺时，需用最大允许误差为±0.01 mm的读数显微镜进行读数。由读数显微镜引入的标准不确定度分量u(Δe2)为

2.4 砝码施加的拉力及误差分析

钢卷尺检定时，需对被测钢卷尺和标准钢卷尺分别施加一个拉力使其张紧在测量台上。这个力一般通过配套的砝码施加，检定规程中对张紧力的要求为：检定台长度小于20 m时施加张紧力为（49±0.5）N；根据尺砣质量检定测深钢卷尺时的张紧力分别为（15.7±0.3）N 或（9.8±0.3）N，要求配备10 kg、5 kg、1.6 kg和1 kg的砝码。标称长度小于 5 m 的弧形尺带卷尺，检定时张紧力不作规定。

为确保被检尺和标准尺所受拉力符合检定规程的要求，需对标准砝码及加力机构进行定期校准和检查。砝码有其对应的检定规程，可按相关规定对配套的砝码进行检定。根据检定规程要求，张紧力允许的偏差范围为±0.5 N，换算成砝码的质量偏差为±0.05 kg，因此需要注意检定后的砝码是否符合钢卷尺检定规程的使用要求。要确认尺身受到的张紧力，可在钢丝与钢卷尺之间加装拉力计，测出钢卷尺实际受力情况。

图1所示的是典型的钢卷尺测量台，使用中应定期对滑轮和钢丝进行功能性检查，防止滑轮机构滞涩或钢丝无法正常受力，影响检定工作。

由拉力引起的误差为

δ=L×103×Δp/(9.8EF)

式中：L——钢卷尺的长度；

Δp——拉力偏差，由规程 JJG 741-2005《标准钢卷尺》知Δp≤0.5 N；

E——弹性系数，E= 20 000 kg/mm2；

F——钢卷尺的横截面积，该尺的横截面宽度为 12 mm，其厚度为 0.22 mm（F= 12×0.22 mm2）

δ= 9.66×10-4L

拉力偏差Δp以相等的概率出现在半宽为0.5 N的区间，认为其服从均匀分布，包含因子k取 。由于被检钢卷尺和标准钢卷尺都需加一定的拉力，故拉力误差在5 m测量过程中存在两次影响。由张紧力误差引起的标准不确定度分量u(Δe3)为

2.5 零位检定器的使用及误差分析

对测深钢卷尺的零值误差进行检定时，需要使用零值误差检定器，其外观如图2所示。

使用时将被测尺砣的端面与检定器的零位挡板靠紧，对尺带施加规定的张紧力，同时在500 mm线纹处读出零值误差。

钢卷尺检定规程中对测深钢卷尺零值检定器的要求为MPE：±0.15 mm。为满足要求，可使用合适的校对标尺对零值检定器进行校准（见图3），校准需要给出300 mm、400 mm和500 mm处的示值误差和相应的测量不确定度。

图2 零值误差检定器

图3 零值检定器的校对标尺

2.6 合成标准及扩展不确定度

基于上述校准项目的影响量，对于5 m的钢卷尺，测量台的合成标准不确定度为：

I级钢卷尺

II级钢卷尺

相应的扩展不确定度为：

I级钢卷尺UI= 0.09 mm（k= 2）

II级钢卷尺UII= 0.04 mm（k= 2）

3 结语

钢卷尺是最为常见的通用量具，相关检定工作量大面广，钢卷尺测量台承担着繁重的检测任务。对设备的保养维护和定期校准，是保障检测工作平稳有序开展的重要环节。目前还有大量开展相关检测业务的机构未加入CNAS能力验证计划，对测量台整体的校准未给予足够重视。随着检测技术的发展，目前钢卷尺测量台种类繁多，全自动、半自动型钢卷尺测量台也已逐渐兴起，检测市场需求日益扩大，相关领域的研究也需与时俱进，为钢卷尺检测台的标准化工作指明方向。