从千分尺看如何进行进行量值传递

一、相关检定规程的规定

千分尺的量值传递要求可以使用JJG21《千分尺检定规程》进行约束和规范,该规程明确其“适用于分辨力为0.001mm,0.0001mm,测量上限至500mm的数显千分尺的首次检定、后续检定和使用中检验”从所覆盖的范围看,包含0.1μm数显千分尺的检定,但在后续的计量性能要求中却对分辨力为1μm和0.1μm的数显千分尺没有明确的区分,均以统一性能指标要求,这对于分辨力1μm的数显千分尺是可行的,但对于分辨力0.1μm的数显千分尺则缺乏科学性,因为在该类数显千分尺生产商的产品说明书中已明确说明其示值最大允许误差为±0.5μm(测量范围25mm)。

由此可见,如果按照检定规程对数显千分尺的计量性能要求,其示值最大允许误差为±2μm,已经是生产商对其要求的4倍了,如果简单地依据检定规程进行检定,就不能有效地保证其量值准确可靠。此外在GB/T20919《电子数显外径千分尺》的国家标准中,其适用于分辨力高于或等于0.001mm的电子数显千分尺的产品生产要求,其技术指标在不同分辨力上也是没有明确区分,也就是说如果参考生产标准,也无法有客观、科学的评价方法。

所以,即使检定规程适用于0.1μm的数显千分尺检定,但在要求示值最大允许误差为±0.5μm时,检定规程所确定的标准器、检定条件、检定方法也不再适用,应该考虑对一些相关问题进行确认后,再确定具体量值传递方法。

二、对0.1μm数显千分尺的性能分析

测量仪器的示值最大允许误差是其各部分误差影响的综合体现,数显千分尺的示值最大允许误差来源于其测量面的平面度和平行度、弓形架变形、测杆的轴向窜动和径向摆动、螺距累积误差、角位移传感器等各部件的误差影响,对于分辨力1μm的数显千分尺,其各部分的误差影响量在标准和检定规程上有明确规定,当其均满足要求时,即可保证其示值误差满足要求。对于分辨力为0.1μm的数显千分尺,其最大允许误差的要求高于分辨力为1μm的数显千分尺,影响其示值误差的各部分误差影响也需要减少,如果简单地照搬检定规程中的要求进行控制,则无法得到保证。

基于这一要求,当针对分辨力为0.1μm的数显千分尺检定时,在测量面的平面度和平行度、测杆的轴向窜动和径向摆动、示值重复性等方面的计量性能需要提高要求,如规程要求数显千分尺的平面度应不大于0.3μm,则在此要求应不大于0.1μm,因为测量面的形状误差应保持在仪器示值最大允许误差要求的1/5~1/10,同样量测量面的平行度也应控制在0.3μm以内(规程要求1.5μm),只有这样才能最终满足分辨力为0.1μm数显千分尺的最大允许误差±0.5μm的要求。

三、示值误差测量结果不确定度评定

由于该类数显千分尺的可靠的量值传递方法与规程规定有所不同,因此需要对其测量结果的可靠性进行评价,在此引入采用3等量块作为测量标准、控制环境温度在(20±1)℃条件下进行示值误差的检定,其他测量条件按照规程要求进行。

参照JJG21-2008附录A的评定,影响示值误差测量结果不确定度的分量有测量重复性或数显量化误差、标准量块尺寸的不确定度、量块与被检千分尺线材料膨胀系数差及温度差的影响,评定如下:

测量重复性或数显量化误差u1

从送检的0.1μm数显千分尺的测量重复性实验可知,10次测量值的变化在0.2μm以内,按照0.2μm评估测量重复性时,其值约为0.06μm,而数显量化误差的影响为0.03μm,故该项以u1=0.06μm估计。

 标准量块尺寸的不确定度u2

所选标准为3等量块,测量范围在25mm以内,按照最大25mm和k=2.6计算,其标准不确定度为

标准量块与千分尺线膨胀系数差的影响u3

标准量块与被检千分尺材料为钢制,其线膨胀系数为(11.5±1)×10-6·℃-1,其变化区间在±2×10-6·℃-1内服从三角分布,故其对示值误差的影响为

标准量块与千分尺温度差的影响u4

标准量块与被检千分尺在检定时存在温度不一致,等温后其变化范围基本控制在±0.3℃内,均匀分布,材料线膨胀系数按照11.5×10-6·℃-1估计,则温度差对示值误差的影响为

合成标准不确定度与扩展不确定度

考虑到上述影响量间不存在相关影响,其合成标准不确定度为

按照k=2扩展后:U=kuc=2×0.097=0.2μm

从评定结果看,测量不确定度接近允许误差的1/3,如果不考虑重复性的影响,而代之以量化误差的影响进行评定,则评定结果为0.16μm,就可以保证测量不确定度小于允许误差1/3的要求,所以本文所述方法可以满足对分辨力为0.1μm数显千分尺示值误差量值传递的要求。

乐春雷老师请您思考：

量值溯源，跟量值传递有什么关系？

上篇思考题答案：

实验室应该选用专属的标准做申请，在这种情况下，不能选用仪器通则类的标准做申请，除非没有专属性的标准。
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