超大量程数显千分表校准方法及测量不确定度分析

权伊明 张涛 胡伟强

中国航发沈阳发动机研究所 辽宁 沈阳 110001

引言

随着数字技术的发展，数显千分表以其超大量程、高精度、高稳定性用于机械加工及试验测试技术，用以检测被加工零件的尺寸形位偏差及试验数据的测试。为保证检测数据的准确性，需要对数显千分表进行周期检定校准，检定校准的依据为JJG34-2008《指示表（百分表和千分表）检定规程》[1]。在JJG34-2008《指示表（百分表和千分表）检定规程》中，规定数显千分表的量程检定范围不大于10mm，对量程大于10mm的数显千分表的检定校准方法和示值误差没有详细论述。为完成超大量程数显千分表（量程：0～150mm）的校准，通过生产实践，设计了分量程校准方式对超大量程数显千分表进行校准。即量程在（0～10）mm内，按JJG34-2008《指示表（百分表和千分表）检定规程》的规定进行校准，采用绝对测量方式。对10mm以外的量程采用以三等量块为基准，以阿贝比长仪台架为辅助数显千分表装夹机构，采用比对测量方式进行校准。校准完成后，对两种测量方式的测量不确定度进行分析评定。

1 超大量程数显千分表校准方法

1.1 量程（0～10）mm内校准方法

测量标准仪器：全自动光栅式指示表检定仪，测量范围（0～50）mm，全程范围内示值误差不大于6μm，任意30mm范围内示值误差不大于3μm，任意10mm 范围内示值误差不大于2μm，任意2mm范围内示值误差不大于1.5μm，任意1mm范围内示值误差不大于1μm。

测量方法：如图1，将数显千分表通过夹具装夹在光栅式指示表检定仪上，调整其装夹位置，使全自动光栅式指示表检定仪满足数显千分表校准要求[2]。通过全自动光栅式指示表检定仪对超大量程数显千分表（0～10）mm内的示值误差进行校准。校准方法按JJG34-2008《指示表（百分表和千分表）检定规程》执行。

图1 光栅式指示表检定仪校准超大量程数显千分表

1.2 量程（10～150）mm校准方法

对10mm以外的量程采用以三等量块为基准，采用比对测量方式进行校准。

测量装置：测量标准三等量块，测量范围（0～150）mm，测量不确定度0.10μm +1×10-6×ln。

测量方法：如图2，将数显千分表通过夹具装夹在测量装置上，调整其装夹位置，使数显千分表的测量线与测量工作台保持垂直状态[3]。将1mm三等量块放置在工作台上，升降阿贝比长仪立轴，使数显千分表测头与量块中心接触，拨动测头数次，待数显千分表读数稳定后，将数显千分表显示数值置零。再把10mm量块放置在工作台上，测头对准量块中心拨动测头数次，数显千分表读数稳定后记录数显千分表读数值，千分表读数与量块示值之差即为该点示值误差。按顺序依次更换量块，校准各点示值误差。（10～100）mm范围内每隔10mm测量一点，（100～150）mm每隔25mm测量一点。校准在正、反两个行程上进行。数显千分表的示值误差以正行程中各校准点示值误差最大值和最小值之差的最大值确定。正、反行程上同一点误差之差的最大值为（10～100）mm测量段的回程误差。

图2 阿贝比长仪校准超大量程数显千分表

2 不确定度分析与评定

2.1 以光栅式指示表检定仪为标准的测量数显千分表值误差不确定度

2.1.1 不确定度来源。对数显千分表（0～10）mm内的示值误差用光栅式指示表检定仪进行校准，不确定度来源包括测量重复性、光栅式指示表检定仪示值误差、数显千分表和检定仪的线膨胀系数差、数显千分表和检定仪的温度差等[4]。

2.1.2 标准不确定度评定。

2.1.2.1 测量重复性引入的不确定度。对光栅式指示表检定仪，在重复性条件下分别测量千分表中点示值误差10次，得到实验标准差s不超过0.05μm，则测量重复性引入的不确定度为：

2.1.2.2 检定仪的示值误差引入的不确定度u1。光栅式指示表检定仪示值误差在任意10mm范围内不大于3μm，估计为均匀分布，则光栅式指示表检定仪示值误差引入的不确定度为：

2.1.2.3 指示表和检定仪线膨胀系数引入的不确定度u2。指示表和检定仪的线膨胀系数差在±2×10-6℃-1范围内，估计为均匀分布，校准时温度偏移标准温度不超过5℃，测量时最大测量长度为10mm，则：

2.1.2.4 指示表和检定仪温度差引入的不确定度u4。指示表和检定仪的温度差估计在±1℃的范围内均匀分布，测量时最大测量长度为10mm，线膨胀系数以11.5×10-6℃-1计算，则：

2.1.4 扩展不确定度。取置信概率p=95%，k=2，因指示表示值误差是最大值和最小值之差，则光栅式指示表检定仪测量（0～10）mm指示表的扩展不确定度为：

2.2 以三等量块为标准的测量数显千分表值误差不确定度

2.2.1 不确定度来源。对数显千分表（10～150）mm内的示值误差用三等量块进行校准，不确定度来源包括测量重复性、量块示值误差、数显千分表和量块的线膨胀系数差、数显千分表和量块的温度差等[5]。

2.2.2 标准不确定度评定。

千分表测量重复性可以通过重复性实验得到。对千分表10mm校准点重复测量10次，通过贝塞尔公式计算，得到其实验标准差s=0.52μm，则千分表测量重复性引入的不确定度为：

根据JJG 146-2011《量块检定规程》的规定，三等量块中心长度的测量不确定度不大于，其置信概率为99%，k=2.7，对零量块为1mm，则对零用量块中心长度引入的不确定度为：

2.2.2.4 千分表和量块间线膨胀系数引入的不确定度分量。因量块和千分表的线膨胀系数均为，两者的线膨胀系数差在区间内为均匀分布，校准时温度偏移标准温度不超过1℃，测量时最大测量长度为150mm，则：

2.2.2.5 千分表和量块间的温度差引入的不确定度分量

。千分表和量块间的温度差估计在±0.3℃的范围内均匀分布，测量时最大测量长度为150mm，线膨胀系数以11.5×10-6℃-1计算，则：

2.2.3 合成标准不确定度。各分量彼此独立不相关，则测量(10～150)mm数显千分表的合成标准不确定度为：

2.2.4 扩展不确定度。取置信概率p=95%，包含因子k＝2，则：

3 结束语

本文详细阐述了超大量程数显千分表的校准方法和不确定度分析评定，从大量程数显千分表校准结果和不确定度分析结果来看，分量程校准方法完全满足超大量程数显千分表的校准需求，可以用于超大量程数显千分表的周期校准，以保证了量值传递的准确可靠。