几种新型计量仪器校准装置和校准方法的研究与探讨

孙建

摘 要：本文主要介绍三种新型计量仪器校准装置和校准方法的研究，文章中介绍的是近年来出现的新型计量仪器，现无校准装置和校准方法可以依据，无法确保此类仪器计量单位的统一和量值的准确可靠，因此需要研究制定科学合理的校准装置和校准方法。

关键词：校准装置;校准方法;计量校准;计量特性

中图分类号：F203 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）08-0098-02

近年来，随着我国经济技术的不断发展，新的计量仪器不断出现并应用于各产业领域，各级计量技术机构应当根据校准工作的实际需要，研究和制定此类仪器的校准方法和依据，设计和研制开展此类仪器校准应当具备的校准装置，从而完善此类仪器量值溯源体系，确保这些新型计量仪器经计量机构校准后测量数据能够准确可靠。笔者在近几年的工作中对智能计数器、顶板动态仪标准器、建筑工程质量检测器组（垂直度检测尺）等几种新型计量仪器主要技术参数如何校准进行了深入分析，以下是对各仪器校准方法以及校准装置的研究介绍，与大家共同进行探讨。

1智能计数器校准装置和校准方法的研究

智能计数器是同增量式旋转编码器、旋转光栅等双相脉冲发生器配合，用于角度、直线位移、转速或线速等物理量的测量。也可用于单相脉冲、NPN及PNP型电压脉冲、TTL电平脉冲等的信号输入。采用高效的抗抖动技术，保证在任何情况下不会误计脉冲数。很高的跟踪速度：>100k脉冲数/秒，5位数据显示19999～99999，小数点位置任意调整，加、减计数由用户设定，可设定自动清零功能，高精度4～20mA模拟量输出（16位D/A）、两路（或三路）接点输出、S232C或RS485串行接口输出，具有外部输入和按键启动、停止、复位功能，及全自动计数功能。

智能计数器校准装置由万能工具显微镜、圆形米字线分划板组成。此装置关键就是将自制的圆形米字线分划板固定在智能计数器编码器的转动轴的上端面上，圆形米字线分划板的直径应与编码器转动轴的直径相等。通过万能工具显微镜和自制的圆形米字分划板为校准智能计数器的角度偏差提供一种新的校准方法，该方法操作方便、保证精度、数据可靠。

智能计数器校准方法：（1）通过万能工具显微镜的三个底脚调整螺钉对万能工具显微镜进行调平，观察底座上的圆水泡居中即可。（2）检查智能计数器编码器的上端面和底面是否平整光滑，否则应进行处理保持上端面和底面的光滑平整。然后将自制的圆形米子线字分划板固定在智能计数器编码器的上端面上。（3）将智能计数器编码器放在万能工具显微镜的玻璃工作台的中央位置并加以固定，如果固定不好将带来附加误差。通过万能工具显微镜立臂转动手轮上下调整使圆形米字线分划板在测角目镜理成像清晰，同时在测角目镜里观察并调整万能工具显微镜底座上X方向和Y方向滑板使得圆形米字线分划板像的中心与测角目镜里的米字线分划板的中心重合。这时，编码器转动轴心与圆形米子线分划板中心、测角目镜十字线分划板中心是重合的。（4）对智能计数器的角度偏差进行校准。先将测角目镜里的米字线分划板调到零刻度，再将测角目镜米字线分划板的竖线和横线与编码器上的米字线分划板的竖线和横线对准重合。然后将智能计数器显示器上的数字也调整到零刻度值，转动编码器的转动轴通过对智能计数器显示器进行观察分别对智能计数器的90°、180°、270°、360°四個位置进行校准，每转动到一个角度位置时通过测角目镜里的米字线分划板与圆形米字线分划板的像重新对准得到智能计数器相对应的偏差值，偏差值从测角目镜里读数窗得到。例如，在90°时的偏差值为：δ=读数值-90°。该校准装置还可以对智能计数器进行测量重复性试验，以验证智能计数器测量结果可靠性。试验方法是：对智能计数器的45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°、360°八个位置进行校准，对准方式与校准角度偏差时一样。校准到360°时应返回再间隔45°进行校准。每个位置的正反测量值取平均值，将八个平均读数值按照白塞尔公式进行计算，得到智能计数器测量重复性试验的一测回标准偏差值。

2顶板动态仪标准器的校准方法和校准装置的研究

顶板动态仪标准器是由电脑程控测量过程，自动处理测量数据;通过电机带动精密丝杆来进行传动，以精密丝杆作为计量标准器。顶板动态仪标准器主要用于分度值为0.04mm，工作行程为（0～200）mm的矿用顶板动态仪的示值误差和回程误差校准工作。

由我单位作为主要起草单位完成了山东省地方校准规范《顶板动态仪校准规范》研究和制定工作，但由于时间紧任务重，对顶板动态仪标准器计量特性的校准只规定了技术要求和校准其示值误差所需要的标准器及配套设备等，而对顶板动态仪标准器计量特性校准方法没有作进一步的研究和制定。为了规范顶板动态仪标准器计量特性的校准方法，保证顶板动态仪标准器计量单位的统一和量值溯源的准确可靠，需要对顶板动态仪标准器计量特性的校准方法作进一步的规范和制定。笔者在大量实验下完成了对顶板动态仪标准器计量特性校准方法的研究和制定。

顶板动态仪标准器校准所使用的标准器及配套设备：量块：准确度等级为四等，测量范围为（0.5～100）mm、（125～500）mm。配套设备：平面工作台：表面粗糙度为Ra0.8μm、测微表：分度值为0.001mm、测量范围为（0～1）mm。

顶板动态仪标准器计量性能要求：（1）外观及各部分相互作用：校准时顶板动态仪标准器开机工作后，依据电脑程序控制测量过程，电脑程序及手动控制器、紧固装置应正常、准确、有效。丝杆传动应平稳、无噪声和振动现象。（2）示值变动性：顶板动态仪标准器示值变动性应不大于0.04mm。（3）示值误差：顶板动态仪标准器示值误差（0～5）mm内应不大于0.2mm;（0～200）mm内应不大于0.5mm。（4）回程误差：顶板动态仪标准器的回程误差应不大于0.1mm。

顶板动态仪标准器校准方法：（1）外观及各部分相互作用的校准：手动试验与目力观测。（2）示值变动性的校准：先将测微表测微头与固定在校准装置上的平面工作台接触并调整测微表测量头使其示值为零。电脑进行程序设计，控制测量过程。然后选择量值为50mm、100mm、150mm、200mm的四等量块对顶板动态仪校准装置四个点的位置分别进行10次测量，分别取其示值校准结果最大值和最小值之差作为示值变动性。（3）示值误差的校准：先将测微表测微头与固定在顶板动态仪校准装置上的平面工作台接触，调整测微表测量头使其示值为零。电脑进行程序设计，控制测量过程。校准时顶板动态仪校准装置（0～200）mm范围内的示值误差应在正反行程上每间隔50mm进行校准，在正行程校准后，需向正行程移动5mm后，再对反向行程进行校准，在校准过程中应不做任何调整。在（0～200）mm范围内选取正行程示值误差绝对值最大值作为示值误差校准结果。（0～5）mm范围内的示值误差应在（0～200）mm正行程范围内选择最大值和最小值的2个位置并在该校准点的前后间隔5mm范围内，即（0～10）mm范围内每间隔1mm进行校准，对（0～5）mm范围内的示值误差以正行程内示值误差绝对值最大值作为示值误差的校准结果。（4）回程误差的校准：选取6.3.1校准数据中的各校准点在正、反行程上各校准点读数之差的绝对值作为受校准点的回程误差，取每个受校准点回程误差中的最大值作为回程误差的校准结果。

3建筑工程质量检测器组的校准方法和校准装置的研究

建筑工程质量检测器组中所指的垂直度检测尺（以下简称垂直度检测尺）主要用于建筑物墙面垂直度检测，是建筑工程中使用频率很高的计量器具。垂直度检测尺为展开式结构，展开为2m合拢为1m。

垂直度检测尺用于1m建筑物墙面垂直度检测时，推下指示表盖、红色活动销盖向上推，将垂直度检测尺左侧面紧靠被测建筑物墙面，观察红色活动销外露3～5mm摆动灵活即可。检测建筑物墙面垂直度时要等待指示表指针自行停止摆动后读取指针所指刻度值，此刻度值是被测建筑物墙面1m时的垂直度误差（垂直度检测尺指示表的分度值分别为1mm/2m、1mm/1m）。2m检测时，将垂直度检测尺展开后紧锁连接扣，检测方法与1m时相同。

垂直度检测尺是对建筑物墙面的垂直度进行检测，因此，垂直度检测尺的零值误差也应该是其主要计量性能指标。JJF1110-2003建筑工程质量检测器组校准规范中6.1.4关于垂直度检测尺示值误差的校准要求并没有提到对零值误差进行校准，而建筑工程质量检测器组垂直度检测尺的零位是反映被测建筑物墙面垂直度最常用的计量性能指标。笔者认为应该对垂直度检测尺的零值误差进行校准，通过对垂直度检测尺零位示值誤差进行校准才能确定垂直度检测尺在90°位置时误差是多少。通过实验、研究、设计并建立一个校准装置对垂直度检测尺的零值误差进行校准，建立此校准装置精度高、操作方便、工作效率高，是一种快速校准零值误差的科学方法。

建筑工程质量检测器组（垂直度检测尺）校准装置是由铅垂器（由支架、铅锤、垂线组成，垂线用直径不超过1mm的尼龙线，支架高度为2.5m金属材料）;金属工作台（工作台表面粗糙度：Ra0.8μm，有三个可调整螺钉支撑金属工作台）;阻尼器（由玻璃油杯和变压器油组成）。配套设备：夹具2个（固定在金属工作台上）;200mm钢直尺。通过支架、铅垂器、阻尼器建立一个垂直度标准器。铅垂通过悬挂在支架上方的垂线穿过金属工作台的小孔沉降到阻尼器中，阻尼器中的变压器油主要是增加阻尼防止垂线摆动对垂线起到稳定作用，以保证垂直度标准器所建立的垂直度标准90°值的准确可靠。

建筑工程质量检测器组（垂直度检测尺）的校准方法：先将金属工作台调整：通过合像水平仪、金属工作台底下的调整螺钉将金属工作台调整到水平状态。将支架放到金属工作台附近，垂线及铅垂悬挂在支架上并将铅垂穿过金属工作台的小孔沉降到阻尼器中平衡1h以上观察垂线无晃动即可。将垂直度检测尺展开并锁紧，然后放在金属工作台上并与支架上的悬挂的铅垂线靠近（注意不要触碰铅垂线），用眼睛观察垂直度检测尺上下固定支点与垂线留有一缝隙即可，然后用金属工作台上面的2个夹具将垂直度检测尺固定。零值误差校准：首先通过200mm钢直尺测量垂直度检测尺的上下固定支点与铅垂线之间的缝隙宽度是否相等，如果不相等可通过金属工作台底下的调整螺钉对垂直度检测尺进行调整至上下固定支点与垂线的缝隙宽度相等为止，这时垂直度标准器的标准值可认为是90°（误差可忽略不计），再观察垂直度检测尺指示表的指针否偏离零位，如果指针偏离零位则零值误差等于示值（偏离值）减去标准值。参照JJF1110-2003建筑工程质量检测器组校准规范6.1.4关于垂直度检测尺示值误差的要求规定，零值误差应不大于±0.5mm/2m。