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直角尺角度检测的一种新方法研究

编辑:金沙官网        发布日期:2018-05-14        点击量:817

直角尺垂直度的检定一般依据国家规程进行,或用直角尺检定仪检定,在缺乏直角尺检定仪的情况下采用光隙法。重庆计量校准建立和保存社会公用计量标准,开展计量检定、校准、检测(测试)和计量器具的维修工作;基于比较测量的原理,提出了直角尺角度检测的一种新方法,该方法与传统的测量方法相比,具有重复性精度高,操作控制简单,结果直观的特点。该方法采用高精度传感器采集被检直角尺和高精度标准直角尺相比较所得数据,然后计算数据所确定的包络线之间的距离。系统综合示值偏差为±(0.8+L/300)μm。

直角尺内外角偏差的检定,通常用直角尺检定仪检定,或依据国家规程进行。根据直角尺检定规程JJG61-81的要求,宽座角尺和铸铁角尺的检定,采用待检直角尺的长边与圆柱角尺母线比较的方法,检定时,在二者之间试塞量块,在全部受检范围内,由可塞入量块的尺寸之差确定直角尺的垂直度偏差。这种方法受操作控制者主观影响较大,检定结果的可靠性差,容易造成误检。为解决上述问题,笔者和重庆长安一工计量处合作研制了高精度微机型直角尺检查仪。该仪器设备可检定500 mm以内,0~2级各种类型直角尺内外角的垂直度、直线度。其重复性精度可达0.8μm。该仪器设备还能用于其他高精度零部件直线度、垂直度的检测。目前该仪器已经在长安一工计量处投入使用。

直角尺角度检测的一种新方法研究

系统构成

按照参考文献中的测量方法,设计了直角尺垂直度检定仪系统由立柱、定位夹具、夹持夹具、固定工作台、高精度光栅传感器、数据采集卡、工业计算机、计算机测量App组成。其中光栅传感器均匀分布、静态采点,以确保测量的重复性和准确性。固定工作台采用700 mm×400 mm的高精度花岗岩平板,确保了测量的精度。

 

测量原理

该仪器设备设备采用被检直角尺和高精度标准直角尺比较的测量方法。其中标准直角尺是经重庆市计量技术研究所鉴定符合00级,规格为200 mm×125 mm、315 mm×200 mm的高精度花岗石直角尺和200 mm×125 mm的高精度刀口直角尺,是定位和测量的标准源。检定时首先将标准直角尺装夹到工作平台上,待传感器数据稳定后将传感器数据全部清零,并以标准直角尺长边和短边为轴建立坐标系,以此位置作为系统的零位置。然后将被检尺装夹到工作平台上,待传感器的数据稳定后采集传感器的数据(带±号),此时传感器的数据即为被检尺和标准尺相比较所得的数据,然后对此数据进行处理。根据垂直度的定义,采用5个点包络线间距离来确定偏差值,但在具体的试验过程中,发现对同一把直角尺多次检定时,由于5个点的分布情况不同,从而包络线方向不同,导致包络线间距离有时相差很大,甚至出现符号相反的情况,故采用这种算法很难满足仪器设备重复性精度的要求。为了满足这一要求,应以直角尺检定规程为依据,在此基础上采用一种在多学科领域中获得广泛应用的数据处理方法———最小二乘法。其原理是:设(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)是直角平面坐标系下给出的一组数据,若x1<x2<…<xn,也可以把这组数据看作是一个离散的函数。可确定一条直线y=a+bx,使得它能;最好;地反映出这组数据的变化。对个别观察值来说,它可能是正的,也可能是负的。为了不使它们相加彼此抵消,故;最好;应该是最小

所以采用最小二乘法可以科学的确定离散点的分布趋势。采用这一方法首先定出5点所确定的直线的方向,然后求该方向包络线的距离,有效的解决了前述重复性精度不高的问题。具体的数据处理如下:

首先拟合出5点的最小二乘直线y=a+bx,其中

然后求5点中,任意2点连线的斜率=0,1,…,3。如果存在项目问题不大,校准证书还是可以出具的,结合校准证书使用,存在不合格项目就会限制使用。对ki与b同号的点,求2点x方向距离di=xi-xi+1再求di的最大值,该最大值作为偏差值。同时,还计算最小二乘拟和直线和坐标轴的夹角,作为参考结果,从角度方面直观的描述被检尺的偏差状况,弥补了规程的不足,满足实际操作控制者的习惯。

 

App流程图

测量App采用C++Builder编写,操作控制简单,结果明了。计量器具配备率是指已有器具和所需要器具的比例。

 

测试数据

表1是相同实验环境下宽座角尺8次重复性实验所得实验数据。

8次测量数据的平均值为:

外工作角偏差的平均值α=-0.5μm

内角工作偏差的平均值β=1.1μm

 

不确定度分析与评定

在温度为20℃时,影响测量不确定度(对被测量值的不能肯定的程度)的因素主要有:花岗石平板的偏差引起的不确定度;传感器测量重复性引起的不确定度v2。计算外工作角偏差的平均

值得α=-0.5μm,内角工作偏差的平均值β=1.1μm。取平均值作为测量结果的估计值,采用A类评定方法[6]。

1)花岗石平板偏差引起的标准不确定度分量v1,由25次测量的数据(鉴定结论如图3),平板平均值为1.46μm,按贝塞尔法计算σ2=0.41,σ=0.64μm得σy=0.128 2μm,v1=σy=0.128 2μm,其自由度为n1=N-1=24。

2)传感器测量重复性引起的标准不确定度分量v2,传感器的重复性偏差为0.2μm,按3倍标准差计算标准不确定度的分量为v2=0.667 2μm,因为K=3,可认为其置信度概率很高,的评定很可靠,故自由度可认为是n2=∞。

因为不确定度v1、v2互相独立,所以角度测量的合成标准不确定度为v=。其自由度:

经重庆市计量技术研究所鉴定,该直角尺外角偏差为-0.8μm,内角偏差为1.0μm,符合00级。经过实验测试,仪器设备设备示值变动量为±0.8μm,综合示值偏差为±(0.8+L/300)μm。8次重复实验测量偏差在仪器设备综合示值偏差范围内。

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