垂直度检测尺校准装置的设计与研究

徐 芳，龚云涛，齐 飞

（1.武汉市计量测试检定（研究）所，湖北 武汉 430050；2.湖北中烟工业有限责任公司武汉卷烟厂，湖北 武汉 430040）

垂直度检测尺是建筑工程质量检测器组中的装置之一，主要用于建筑物墙面的垂直度测量，由测杆、指示表、活动销、握尺、连接扣和靠脚等组成。垂直度检测尺是可折叠式结构，合拢时工作长度为1 m，将检测尺两端靠脚和中间靠脚紧贴被测面，指针读数为指示表下行刻度数值，分辨率为1 mm/m；展开时工作长度为2 m，将上下靠脚紧贴被测面，指针读数为指示表上行刻度数值，分辨率为1 mm/2 m。

垂直度检测尺的校准依据JJF 1110—2003 建筑工程质量检测器组校准规范，其示值误差规定为±0.5 mm/2 m；示值变动量规定为在2 m 的长度上不大于0.1 mm[1]。建筑工程质量检测器组校准规范中提供了校准装置结构简图，利用固定测砧固定垂直度检测尺的上靠脚，旋转测微头接触下靠脚，读取示值。但由于测量示值误差时，测量尺为展开状态，上下靠脚距离为2 m，长度跨距大，导致校准操作不便利。另外，因检测尺与校准装置的接触是检定员通过手压施力，当跨度过大时，难以保证接触间隙满足要求，影响测量重复性[2]。因此，亟须对校准装置进行更为精细的设计和改进，以满足实际工作需要。

1 垂直度检测尺校准方法

垂直度检测尺测量时是利用物体重心向下的原理，通过上下测杆的折叠和展开分别显示1 m 或2 m 工作状态时，上下靠脚所贴合的被测面偏离铅垂面的程度。校准步骤如下。

首先，校准垂直度检测尺示值变动量。固定检测尺后，调节测微头到零位、调节指示表指针到零位，前后旋转测微头使指示表指针发生偏离后，再重新将测微头旋至零位，观察指示表指针读数[3]。前后各5 次，示值的最大值和最小值之差为示值变动量。

其次，校准垂直度检测尺的示值误差。固定检测尺后，在量程范围内均匀选择5 个校准点，依次旋转测微头至正负示值，在检测尺上靠脚不变的情况下，让下靠脚在铅直平面内发生偏离，以此分别校准指示表左右刻度值是否准确。

需要注意的是，校准装置要保证垂直度检测尺能复现自然铅垂状态，同时能设定偏离值，以检验垂直度检测尺是否能够准确复现出偏离铅垂面的标准值。

2 校准装置设计

校准装置的设计需要满足两个条件：一是校准装置能约束垂直度检测尺竖直方向的自由度。检测尺竖直方向的自由度被约束，能解决人工对垂直度检测尺施压导致的靠脚和被测面间隙难以控制的情况，且大大降低了校准尺工作距离大带来的校准操作难度；二是校准装置能保证垂直度检测尺相对于铅垂面左右摆动的情况。在检测尺处于自然铅垂状态时，测微头要能够两边旋转推动检测尺前后摆动，以保证指示表的正负都能被校准。

针对上述要求，设计了一种夹持装置，见图1。将该夹持装置套装在垂直度检测尺最上端，平行于上靠脚的水平位置有两圆柱形装夹螺栓，可放置在校准装置的V 型槽固定装置上，圆柱配合V 型槽转动，利用重心向下的原理，可以保证当垂直度检测尺处于自然铅垂状态。V 型槽固定装置为垂直度检测尺提供竖直方向的支撑，同时还提供绕X 轴方向的旋转自由度，从而保证其能稳定悬挂在校准装置上，保证测出数据的重复性。

数显测微头固定在升降平台上（见图2），可以上下调节测微头在竖直方向上的高度，以满足不同型号、不同长度的垂直度检测尺的校准需要。测微头能提供正负方向的偏移距离，实现垂直度检测尺在铅垂面的零位复现和标准值复现，从而进行示值误差的校准。

图1 垂直度检测尺夹持装置图

图2 测微头支撑装置图

3 不确定度分析

依据JJF 1110—2003 建筑工程质量检测器组校准规范[1]，对该垂直度检测尺校准装置示值误差的测量结果不确定度进行评估[4-5]。

3.1 建立测量模型

由测量原理和方法，得到测量模型[4-5]为

式中：Δ 为垂直度检测尺示值误差，mm/2 m；A 为被校准垂直度检测尺指示表的读数值，mm/2 m；A0为测微头示数值，mm/2 m。

3.2 方差和灵敏系数

依照

得

其中，c（A）=∂Δ/∂A=1，c（A0）=∂Δ/∂A0=-1。

3.3 标准不确定度分量评定

3.3.1 与仪器读数有关的不确定度分量u（A）

1） 由垂直度检测尺读数时的量化误差引入不确定度分量u（A1）。分辨力为0.2 mm/2 m 的垂直度检测尺指示表读数时的量化误差以等概率出现在半宽为0.1 mm/2 m 的区间内，故引入不确定度分量u（A1），u（A1）=0.1 mm/=0.058 mm/2 m。

2） 由测量重复性引入不确定度分量u（A2）。对于测量重复性引入的不确定度分量，在量程范围内选择中间点9 mm/2 m 作为校准点，在重复性条件下连续测量10 次，得到测量列8.8 mm/2 m，8.9 mm/2 m，9.0 mm/2 m，9.2 mm/2 m，8.9 mm/2 m，9.0 mm/2 m，9.1 mm/2 m，9.0 mm/2 m，9.2 mm/2 m，9.0 mm/2 m，则平均值为9.01 mm/2 m。

由贝塞尔公式求单次测得值的实验标准差，计算公式为由重复性引入的标准不确定度分量u（A2）计算公式为

由于量化误差大于测量重复性，故与仪器读数有关的不确定度分量u（A）取测量重复性，得u（A）=0.058 mm/2 m。

3.3.2 与校准装置有关的不确定度分量u（A0）

校准装置引入的不确定度主要由数显测微头的示值误差引入，限数显测微头的最大允许误差为±0.01 mm，按均匀分布，取包含因子k=0.01 mm/则u（A0）=0.01 mm

3.3.3 与装配关系有关的不确定度分量u（Acp）

被检的垂直度检测尺装夹固定在校准装置上时，圆柱形装夹螺栓需与上靠脚在同一水平线上。由于是人工操作，故而会有上下偏差影响。设定此因素的最大允许误差为±0.1 mm/2 m，并假定其影响为均匀分布，故装配关系引入的不确定度分量为

3.4 合成标准不确定度

垂直度检测尺示值误差的测量结果不确定度分量汇总见表1。

表1 不确定度分量一览表

上述各不确定度分量间没有值得考虑的相关性，因此合成标准不确定度为

3.5 扩展不确定度

取包含因子k=2，则有U=kuc=2×0.082 mm/2 m=0.16 mm/2 m。

4 结束语

按照JJF 1110—2003 建筑工程质量检测器组校准规范要求，垂直度检测尺的示值误差为±0.5 mm/2 m；通过上文的分析计算可知，校准结果的扩展不确定度U=0.16 mm/2 m，k=2。由U=0.16 mm/2 m≤1/3 MPEV=0.17 mm/2 m 可知，该方法满足垂直度检测尺示值误差校准的要求，校准结果质量可靠，测量数据准确可信。