一种新型磁粉检测用试片槽深的校准方法及不确定度评定

赵重阳 卞伟 李厚裔 谢平 刘钊 / 河北省计量监督检测研究院

0 引言

磁粉检测用试片是校准磁粉探伤机和磁轭式磁粉探伤机综合灵敏度计量特性的标准器，可用于分析几何形状复杂的被测工件表面的磁场分布特征，确定被测工件表面的磁化电流值、磁场方向及强度和有效磁场范围以及直接考察试验条件和操作方法是否恰当。其外观为一定厚度值的薄片，且薄片上刻有相应几何量技术要求的人工槽，人工槽深的尺寸公差是决定磁粉检测用试片的分挡性能及同一性的重要因素[1-4]。目前，针对试片槽深的测量方法还没有相应的技术依据，只有GB/T 23907—2009《无损检测磁粉检测用试片》作为参照。但是，以触针式轮廓仪作为主标准器对试片槽深进行测量存在一些弊端[5-7]，主要表现在：试片人工槽的宽度小于轮廓仪针尖直径，致使针尖无法探测人工槽的底部，从而导致试片槽深测量的不准确，同时接触式测量也会对试片产生一定的磨损，影响其后续使用。依据光学形貌仪产生干涉条纹的原理可知，被测表面高质量的平面度和表面粗糙度是产生干涉条纹的基本条件，虽然磁粉检测用试片很薄，但是通过校准前对试片外形的预处理及扩大光学形貌仪垂直方向的扫描范围，可以产生干涉条纹并对试片表面进行有效扫描。为此，本文基于光学形貌仪，提出一种非接触式试片槽深的校准方法。

1 校准原理

光学形貌仪白光光源发出的光束经过光学透镜组过滤后，进入干涉物镜，在干涉物镜内分成两束，一束光照到试片表面后反射，另一束光照到参考表面后反射[8-9]。从试片表面和参考表面反射回来的两束光重新汇合形成干涉条纹。再通过控制系统沿干涉物镜的轴向对试片进行扫描，扫描范围覆盖试片上表面及人工槽底部，同时利用图像采集系统采集扫描后的干涉图像，以干涉条纹最亮点作为参考标准，记录最亮点对应的物镜扫描时的位置，并通过数据处理软件来计算，最后转化成试片表面相对高度信息，得到准确的试片人工槽槽深的实测值。校准原理如图1 所示。

图1 测量原理

2 校准过程

以人工十字槽深标称值为30 μm 的磁粉检测用试片为被测对象，首先用汽油将试片表面清理干净，避免杂质影响校准结果，然后将试片置于光学形貌仪载物台上，选用10×物镜以试片上表面为基准进行轴向焦距调整，直到显示界面出现明亮的干涉条纹。再设置物镜扫描范围对试片上表面及槽深进行扫描，最后通过数据处理软件对所获得的试片形貌进行分析，得到试片槽深的实测值，并以10 个位置的测量结果的平均值作为校准结果。测量数据：29.5 μm，28.9 μm，29.2 μm，28.8 μm，28.2 μm，28.6 μm，28.5 μm，29.1 μm，28.3 μm，28.8 μm，校准结果为28.8 μm，试片三维形貌如图2 所示。

图2 试片三维形貌

3 槽深校准结果的不确定度评定

3.1 校准方法

磁粉检测用试片槽深采用光学形貌仪直接测量得到。

3.2 测量模型

由测量原理可知磁粉检测用试片槽深的测量模型为

式中：D—— 磁粉检测用试片槽深度值；

L—— 仪器实测值

3.3 方差和灵敏系数

根据方差合成定律，输出量的估计方差由各输入量的估计方差所合成。式（1）是一线性测量模型，且各输入量按相互独立互不相关处理，在方差合成中不考虑高阶项及相关的影响。依方程：

3.4 影响磁粉检测用试片槽深校准结果的各不确定度分量

1）光学形貌仪引入的不确定度分量u1

光学形貌仪上级溯源单位为中国计量科学研究院，校准依据为NIM-ZY-QY-NM-105《干涉式三维表面形貌测量仪校准作业指导书》，且通过了CNAS资质。因此，根据溯源证书可得光学形貌仪引入的不确定度分量。

2）磁粉检测用试片不均匀引入的不确定度分量u2

校准结果由试片10 个位置槽深的实测平均值得到，依据测量结果，根据贝塞尔公式，可得

3）测量重复性引入的不确定度分量u3

用光学形貌仪，在重复性测量条件下在同一位置测量10 次，测量值为28.6 μm，28.6 μm，28.5 μm，28.6 μm，28.6 μm，28.5 μm，28.5 μm，28.7 μm，28.5 μm，28.6 μm。测量平均值为28.6 μm，根据贝塞尔公式可得单次实验标准偏差s= 0.07 μm。

4）光学形貌仪噪声引入的不确定度分量u4

根据光学形貌仪上级溯源证书可知，仪器噪声引入的测量误差为纳米级，因此，对磁粉检测用试片槽深做不确定度分析时，可忽略噪声引入的不确定度分量。

5）光轴与试片表面的垂直度引入的不确定度分量u5

光学形貌仪配备的全自动样品台可将试片移动至系统分析软件的中间视场内，同时通过光学形貌仪自带的倾斜调制装置，能够有效地调整光轴与试片表面的垂直度。因此，光轴与试片表面不垂直引入的不确定度分量u5可忽略不计。

6）环境因素引入的不确定度分量u6

光学形貌仪位于负一层的恒温实验室内，开展磁粉检测用试片校准前，试片经过了不少于4 h 的恒温。光学形貌仪自带的气悬浮减震平台，有效地避免了因振动导致校准结果的不准。因此，环境因素引入的不确定度分量u6可忽略不计。

3.5 合成标准不确定度和扩展不确定度

光学形貌仪的分辨力为0.1 nm，因此，重复性引入的标准不确定度分量大于光学形貌仪分辨力引入的标准不确定度分量，故按前者进行标准不确定度的合成。因此，合成的标准不确定度为

取包含因子k= 2，则扩展不确定度为

槽深为30 μm 的磁粉检测用试片的最大允许误差为±4 μm[10]，则满足要求。

4 结语

以光学形貌仪为主标准器的非接触式磁粉检测用试片槽深的校准方法，规避了接触式校准方法的弊端，具有自动化程度高、三维形貌可视化、校准准确度高等优点。通过试片槽深校准结果的不确定度评定验证了该方法的可行性，为磁粉检测用试片槽深的校准提出了一种切实可行的新方法，也为起草磁粉检测用试片校准规范提供了一定的理论基础和实践经验。