引言

玻璃線紋尺是用玻璃制成的、表面上準(zhǔn)確地刻有等間距平行線的長(zhǎng)度測(cè)量和定位元件,間距一般為1mm、m01mm或.0.1mm,用于長(zhǎng)度計(jì)量的量值傳遞,廣泛應(yīng)用于各級(jí)計(jì)量單位、研究所及精密機(jī)械加工廠計(jì)量室和車間。

本課題中的工作用玻璃線紋尺特指等級(jí)判定達(dá)不到《高等別線紋尺檢定規(guī)程》(00G73一2mm5)要求的玻璃線紋尺。

隨著長(zhǎng)度專業(yè)測(cè)量對(duì)操作便利性需求的發(fā)展,越來越多的光學(xué)儀器,如投影儀、影像測(cè)量?jī)x、光學(xué)輪廓儀等被使用到日常的測(cè)量活動(dòng)中。由于光學(xué)系統(tǒng)計(jì)算的特點(diǎn),設(shè)備供應(yīng)商將玻璃線紋尺作為自校器具提供給實(shí)際使用的企業(yè)以核查光學(xué)設(shè)備系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此,越來越多的工作用玻璃線紋尺需要被溯源。

由于《線紋計(jì)量器具檢定系統(tǒng)》(00G2mm1一1987)[2]規(guī)定盡量減少傳遞環(huán)節(jié),玻璃線紋尺的等別僅為一等、二等,沒有再多增設(shè)一個(gè)等級(jí)。且目前僅有中國計(jì)量科學(xué)研究院和華東國家計(jì)量測(cè)試中心兩家國家溯源單位擁有激光干涉比長(zhǎng)儀,有能力開展一等、二等標(biāo)準(zhǔn)玻璃線紋尺的檢定。工作用玻璃線紋尺的用戶面臨著溯源周期長(zhǎng)、路途遠(yuǎn)、因判定要求高而難以溯源合格等實(shí)際的溯源困難。

本課題經(jīng)過對(duì)線紋尺的溯源工作原理的研究、校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)器的選用比較、測(cè)量影響因素的評(píng)估和控制,編寫了工作用玻璃線紋尺的校準(zhǔn)規(guī)范,增加了國家計(jì)量檢定系統(tǒng)中二等以下玻璃線紋尺的傳遞環(huán)節(jié),達(dá)到了開展工作用玻璃線紋尺的校準(zhǔn)活動(dòng)以滿足市場(chǎng)上日益增多的溯源需求的目的。

1線紋尺溯源工作原理

經(jīng)調(diào)查,目前兩家國家檢定機(jī)構(gòu)開展一等、二等線紋尺檢定采用的標(biāo)準(zhǔn)器是在激光干涉比長(zhǎng)儀作為測(cè)量基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上自主研發(fā)的,其主要的測(cè)量原理是根據(jù)激光干涉比長(zhǎng)儀光學(xué)測(cè)量方法和光電顯微鏡作為刻線瞄準(zhǔn)裝置進(jìn)行讀數(shù)。該裝置體積龐大、投資金額大,應(yīng)用于商業(yè)校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)開展工作用玻璃線紋尺的校準(zhǔn)工作是不切實(shí)際的。

于是通過對(duì)《高等別線紋尺檢定規(guī)程》(00G73一2..5)的高等別線紋尺的檢定工作原理和檢定標(biāo)準(zhǔn)器的要求的研究,決定自行建立開展工作用玻璃線紋尺校準(zhǔn)所需的整個(gè)測(cè)量裝置系統(tǒng)。該系統(tǒng)至少需要包括符合量值傳遞要求的測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)作為主標(biāo)準(zhǔn)器、對(duì)齊刻線的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)和滿足開展被校準(zhǔn)工作用標(biāo)準(zhǔn)器測(cè)量范圍的工作臺(tái)面作為輔助標(biāo)準(zhǔn)器。

2選用作為測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)器

如前文所述,工作用玻璃線紋尺是投影儀、影像測(cè)量?jī)x、顯微鏡等光學(xué)設(shè)備的配套自校器具,提供給實(shí)際使用的企業(yè)以核查光學(xué)設(shè)備系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通常情況下,以上光學(xué)設(shè)備系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備提供商提供的測(cè)量精度或者企業(yè)內(nèi)部控制要求,允差要求在幾微米到十幾微米不等,通常為±1.um。為了確保配套的工作用玻璃線紋尺能夠滿足核查需要,對(duì)使用的光學(xué)設(shè)備的性能好壞做出即時(shí)判斷,按照《測(cè)量?jī)x器特性評(píng)定》(00F1.94一2..2)的規(guī)定,要求工作用比例線紋尺的校準(zhǔn)測(cè)量不確定度≤1/3光學(xué)類儀器的最大允差,最好≤3um。由此可以推導(dǎo)選用的可作為測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)基準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)器允差范圍需要優(yōu)于±1um,即需要選用達(dá)到納米級(jí)別精度的設(shè)備。在研究過程中發(fā)現(xiàn),激光干涉儀的測(cè)量原理是將激光束通過分光鏡分成兩路,一路反饋給探測(cè)器,另一路進(jìn)入移動(dòng)的反射鏡反射回探測(cè)器,通過測(cè)量光路長(zhǎng)度改變來改變干涉光束的相對(duì)相位,并且由此產(chǎn)生相長(zhǎng)干涉和相消干涉的循環(huán),從而導(dǎo)致疊加光束強(qiáng)度的明暗周期變化,據(jù)此來進(jìn)行測(cè)量,如圖1所示,精度保持在士0.05×10-6以內(nèi),遠(yuǎn)高于測(cè)量需求。

圖1激光干涉儀工作示意圖

激光干涉儀還可以開展測(cè)長(zhǎng)儀、導(dǎo)軌等平面度、線性、小角度、移動(dòng)距離的測(cè)量,綜合適用范圍、購買費(fèi)用等實(shí)際考量后,測(cè)量范圍為0~30m的激光干涉儀被選用為測(cè)長(zhǎng)基準(zhǔn),即工作用玻璃線紋尺的主標(biāo)準(zhǔn)器。

在試用的測(cè)量過程中發(fā)現(xiàn),激光干涉儀使用時(shí)會(huì)受到溫度、濕度、空氣中光折射等因素影響,所以在測(cè)量結(jié)果影響因素中決定采用上級(jí)溯源的整體測(cè)量不確定度作為激光干涉儀的不確定度引入,即激光干涉儀示值誤差引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為1m以內(nèi)的位移擴(kuò)展不確定度為0.4um,標(biāo)準(zhǔn)不確定度取其半寬,即0.2um。

3選用工作平臺(tái)

按照激光干涉儀的工作原理,必須要選用能讓玻璃線紋尺移動(dòng)起來使光路發(fā)生變化的平臺(tái)才能獲得測(cè)量結(jié)果。砝碼的檢定原理即天平只作為衡器與顯示裝置,不參與標(biāo)準(zhǔn)砝碼與被校砝碼的量值傳遞過程,但需要滿足衡器合成不確定度≤1/6的被校砝碼最大允許誤差的要求。參照砝碼的檢定原理,可移動(dòng)的工作平臺(tái)在移動(dòng)過程中平面會(huì)發(fā)生傾斜(圖2),故工作臺(tái)的平面度均需要控制在±0.5um范圍內(nèi)。

對(duì)實(shí)驗(yàn)室可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)工作平臺(tái)的拉線位移傳感器導(dǎo)軌、投影儀、影像測(cè)量?jī)x、體視顯微鏡、萬能工具顯微鏡和測(cè)長(zhǎng)儀等,用激光干涉儀分別進(jìn)行了最大300mm范圍內(nèi)的評(píng)估和測(cè)量,結(jié)果如表1所示。

由表1可知,除鋼卷尺檢定平臺(tái)、大理石平臺(tái)和投影儀外,實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的設(shè)備拉線位移傳感器導(dǎo)軌、影像測(cè)量?jī)x、體視顯微鏡、萬能工具顯微鏡和測(cè)長(zhǎng)儀均可作為工作平臺(tái)使用。

4選用作為瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)器

工作用玻璃線紋尺的校準(zhǔn)需要在起始位置和測(cè)量位置瞄準(zhǔn)對(duì)齊線紋刻度的左端或右端進(jìn)行位置標(biāo)記。對(duì)入選的5個(gè)可作為工作平臺(tái)的設(shè)備進(jìn)行初步篩選:

(1)拉線位移傳感器導(dǎo)軌沒有瞄準(zhǔn)裝置:

(2)測(cè)長(zhǎng)儀是端度測(cè)量的設(shè)備,無法實(shí)現(xiàn)線紋類測(cè)量的刻線瞄準(zhǔn):

(3)體視顯微鏡是處于水平方向靜態(tài)測(cè)量,而導(dǎo)軌是垂直方向的移動(dòng),無法實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)。

工作用玻璃線紋尺的線紋測(cè)量需要進(jìn)行表面識(shí)別,想要實(shí)現(xiàn)所看即所測(cè)的讀數(shù)還需要額外增配CCD讀數(shù)裝置。由于還有影像測(cè)量?jī)x和萬能工具顯微鏡可以作為瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的備選方案來進(jìn)行選擇,拉線位移傳感器導(dǎo)軌或測(cè)長(zhǎng)儀加裝CCD瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的方案暫不考慮。

針對(duì)影像測(cè)量?jī)x和萬能工具顯微鏡的瞄準(zhǔn)誤差,選取一根200mm的二等玻璃線紋尺作為被檢測(cè)對(duì)象,選取50mm、100mm、200mm3個(gè)測(cè)量點(diǎn),每個(gè)點(diǎn)分別進(jìn)行10次獨(dú)立的重復(fù)性試驗(yàn),一共進(jìn)行了3組,試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)果如表2所示。

從表2試驗(yàn)結(jié)果得出,影像測(cè)量?jī)x和萬能工具顯微鏡兩個(gè)設(shè)備引入的不確定度分別為0.52μm和0.06μm,均能滿足1/3玻璃線紋尺允差的要求。

5確定測(cè)量過程中的不確定影響因素

從設(shè)備自帶的放大系統(tǒng)和觀察便利性上來看,預(yù)判重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)該是影像測(cè)量?jī)x優(yōu)于萬能工具顯微鏡,必然是在測(cè)試過程中有較大的測(cè)量不確定影響因素導(dǎo)致目前得出了截然不同的結(jié)果,于是對(duì)測(cè)量過程中的不確定影響因素進(jìn)行逐一排摸,發(fā)現(xiàn):

(1)試驗(yàn)中采用的影像測(cè)量?jī)x最小讀數(shù)為1μm,萬能工具顯微鏡為0.1μm,在瞄準(zhǔn)過程中產(chǎn)生了約0.5μm的由分辨力帶來的讀數(shù)誤差,因此在條件允許的情況下需要選擇最小讀數(shù)至少為0.1μm的影像測(cè)量?jī)x作為瞄準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)器。

(2)影像測(cè)量?jī)x的放置環(huán)境為普通溫控室,而萬能工具顯微鏡放置的環(huán)境為溫度(20±2)℃、濕度(50±5)%的測(cè)量室,即測(cè)量精密螺紋規(guī)的恒溫恒濕房。加上激光干涉儀本身在使用過程中就要對(duì)環(huán)境溫度和濕度進(jìn)行補(bǔ)償,濕度是用于倒推飽和大氣壓下溫度的。由此推導(dǎo)出環(huán)境溫度會(huì)影響到玻璃線紋尺膨脹及膨脹系數(shù)的選擇,還會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大激光干涉儀的補(bǔ)償溫度與玻璃線紋尺尺溫溫度差。

考慮到房間溫度控制的成本和可行性,直接在恒溫恒濕房的萬能工具顯微鏡上進(jìn)行了溫度方面的不確定影響評(píng)定。參照高等別線紋尺的建議,被校準(zhǔn)的工作用玻璃線紋尺需要預(yù)先等溫24h后進(jìn)行評(píng)估。取萬能工具顯微鏡最大量程對(duì)應(yīng)的200mm工作用玻璃線紋尺作為評(píng)估對(duì)象,發(fā)現(xiàn):

(1)線紋尺的線脹系數(shù)檢定誤差為±0.5×10-6℃-1,取最大測(cè)量范圍長(zhǎng)度為200mm的玻璃線紋尺時(shí),測(cè)量環(huán)境溫度(20±X)℃與產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.04Xμm的關(guān)系。

(2)由于激光干涉儀會(huì)測(cè)量氣溫、氣壓和濕度以補(bǔ)償激光波長(zhǎng)的變化,而激光干涉儀溫度傳感器測(cè)溫與玻璃線紋尺的溫度差不超過0.2℃,標(biāo)尺線脹系數(shù)為10×10-6℃-1,服從反正弦分布,k=V2,則產(chǎn)生的不確定度為0.28μm。

由此得出建立的測(cè)量系統(tǒng)所帶來的B類測(cè)量不確定度分量如表3所示。

(3)為滿足測(cè)量要求,需要對(duì)A類不確定度進(jìn)行評(píng)估,采用激光干涉儀對(duì)選定的被校工作用玻璃線紋尺的200mm度值刻度進(jìn)行10次獨(dú)立的測(cè)量,并得到測(cè)量結(jié)果(圖3),根據(jù)貝塞爾公式計(jì)算可得重復(fù)性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差為0.71μm。

為進(jìn)一步減少A類不確定度的引入,測(cè)試采用刻線左端對(duì)齊和右端對(duì)齊2次測(cè)量值的平均值為測(cè)量結(jié)果,則可得到A類不確定度引入為0.71/V2≈0.50μm。

考慮到市場(chǎng)上工作用玻璃線紋尺的實(shí)際允差要求以及后續(xù)環(huán)境控制成本,最終選定將玻璃線紋尺的等溫溫度控制在(20±1)℃。最終評(píng)定下來的整體不確定度為(0~200mm):U=1.3μm(k=2)。

6編制工作用玻璃線紋尺的校準(zhǔn)方法

根據(jù)選擇好的標(biāo)準(zhǔn)器、需要控制的環(huán)境溫濕度等影響因素,對(duì)校準(zhǔn)程序進(jìn)行細(xì)化。

6.1標(biāo)準(zhǔn)器

激光干涉儀、萬能工具顯微鏡。

6.2環(huán)境控制

在溫度控制為(20±1)℃的恒溫房,玻璃線紋尺等溫后24h進(jìn)行校準(zhǔn)。

6.3校準(zhǔn)程序

(1)工具顯微鏡選用10x物鏡,將充分恒溫后的玻璃線紋尺放置于工具顯微鏡的工作臺(tái)上,調(diào)整工具顯微鏡焦距,使玻璃尺刻線成像清晰,將工具顯微鏡米字線縱刻線壓在玻璃線紋尺零刻線左端,調(diào)整工具顯微鏡工作臺(tái)調(diào)整螺釘,使玻璃線紋尺零刻線和尾刻線都與工具顯微鏡米字線縱刻線平行。

(2)激光干涉儀安裝及調(diào)試:將激光干涉儀的分光鏡固定在大理石平臺(tái)上,將反射鏡固定在工具顯微鏡移動(dòng)臺(tái)面上,通過全量程調(diào)整激光源、分光鏡和反射鏡形成光路回路,確保激光干涉儀在整個(gè)測(cè)量移動(dòng)過程中均能正確捕捉到回路光,保持可測(cè)量狀態(tài)。

(3)用工具顯微鏡米字線縱刻線瞄準(zhǔn)線紋尺的零刻線,與零刻線左邊相切,激光干涉儀清零、打開溫濕度補(bǔ)償:移動(dòng)X軸滑板,使玻璃線紋尺移動(dòng)整毫米刻線,再將工具顯微鏡米字線縱刻線與玻璃線紋尺該點(diǎn)刻線左邊相切,讀出激光干涉儀上的顯示值,即為玻璃線紋尺的刻線實(shí)際間隔,依次校準(zhǔn)玻璃線紋尺其他刻線間距,直至玻璃線紋尺最大測(cè)量范圍。

(4)再將工具顯微鏡米字線縱刻線與玻璃線紋尺零刻線右邊相切,干涉儀清零,移動(dòng)X軸滑板,使玻璃線紋尺間隔整毫米刻線,再將工具顯微鏡米字線縱刻線與玻璃線紋尺該點(diǎn)刻線右邊相切,讀出激光干涉儀上的顯示值,依次校準(zhǔn)玻璃線紋尺其他刻線間距,直至玻璃線紋尺最大測(cè)量范圍。

(5)對(duì)于測(cè)量范圍為0~1mm的玻璃尺,校準(zhǔn)間隔為0.1mm:測(cè)量范圍為0~10mm的玻璃尺,校準(zhǔn)間隔為1mm:測(cè)量范圍大于0~10mm的玻璃尺,校準(zhǔn)間隔為測(cè)量范圍內(nèi)均勻分布的10點(diǎn)。

(6)取左端對(duì)齊和右端對(duì)齊[1]兩種壓線方式的2次測(cè)得值的平均值為校準(zhǔn)結(jié)果。

(7)根據(jù)工作用玻璃線紋尺作為玻璃實(shí)物量具,具有材料穩(wěn)定的特性以及光學(xué)類設(shè)備的復(fù)校周期,玻璃尺校準(zhǔn)周期建議不超過1年。

7結(jié)語

本文以激光干涉儀作為測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)基準(zhǔn),以萬能工具顯微鏡作為移動(dòng)平臺(tái)和瞄準(zhǔn)測(cè)量裝置,并對(duì)校準(zhǔn)過程中的測(cè)量不確定度評(píng)定后,可以開展最大允許誤差≥3.9μm的用于量值傳遞的工作用玻璃線紋尺的校準(zhǔn)活動(dòng)以及最大允許誤差≥10μm的光學(xué)儀器配套的自校專用工作用玻璃線紋尺的校準(zhǔn)活動(dòng),為《線紋計(jì)量器具檢定系統(tǒng)》(JJG2001一1987)[2]傳遞環(huán)節(jié)多增設(shè)了一個(gè)環(huán)節(jié),更為商業(yè)實(shí)驗(yàn)室開展校準(zhǔn)提供了科學(xué)的校準(zhǔn)方法和經(jīng)濟(jì)適用的標(biāo)準(zhǔn)器,滿足了精密機(jī)械加工廠計(jì)量室和車間、幾何測(cè)量工廠或?qū)嶒?yàn)室對(duì)工作用玻璃線紋尺的校準(zhǔn)溯源需求。