安徽省活塞廠  謝艷平  合肥工業(yè)大學(xué)  許海燕

一、工作原理

    立式光學(xué)計應(yīng)用自準(zhǔn)直原理和正切杠桿原理，將光學(xué)杠桿和正切杠桿機構(gòu)結(jié)合在一起實現(xiàn)長度尺寸的測量。
    

二、測量裝置的不確定度分析

    在立式光學(xué)計上用標(biāo)稱值為6mm的四等量塊作標(biāo)準(zhǔn)，對本廠專用標(biāo)稱尺寸為的活塞環(huán)槽塞規(guī)(工件工作部位材料為硬質(zhì)合金)進行相對測量。測量溫度為(20±0.5)℃。在立式光學(xué)計上作相對測量時，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度主要來源于以下幾方面。
    1.示值誤差的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量
    由檢定規(guī)程查得，立式光學(xué)計的示值誤差為±0.25μm， 在測量范圍內(nèi)誤差的分布符合正態(tài)分布，覆蓋因子k=3，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為
    u₁=0.25/3=0.083μm
    2.標(biāo)準(zhǔn)量塊極限誤差的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量
    四等量塊的極限誤差為
    ΔL₁=(0.2+2L)μm
        =(0.2+2×6×10^-3)μm
        =0.0212μm
    式中:L——量塊的長度(L=6mm)；ΔL₁——量塊的極限誤差。
    誤差分布符合正態(tài)分布，覆蓋因子k=3。
    標(biāo)準(zhǔn)量塊的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為u₂=0.212/3=0.071μm
    3.定位誤差的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量
    在立式光學(xué)計上相對測量，由工作臺工作平面定位，平面對測量軸線不垂直所產(chǎn)生的測量誤差與被測件長度無直接關(guān)系，而僅決定于被測件和標(biāo)準(zhǔn)件的長度差。
    δ_位=±1/2a²ΔL₂
    式中:ΔL₂——被測件與標(biāo)準(zhǔn)件的長度差(ΔL₂=0.0344mm)；a——工作臺平面與儀器測量軸線的垂直度誤差；δ_位——定位誤差。
    對可調(diào)試工作臺，影響工作臺表面與測量軸線的不垂直的因素有以下三方面:
    (1)工作臺的調(diào)整誤差，用四等量塊接觸φ8平面測帽的一半時，在前、后、左、右四個位置允許示值差為0.3μm，相當(dāng)于測帽平面與工作臺平面的平行性誤差，其值為
    
    (2)立柱和光學(xué)計管直線度誤差的影響
    
    (3)測帽孔軸心線與其平面的垂直度誤差的影響
    a₃=180″
                 =180×π/(180×3600) 弧度
    因此，測量軸線與可調(diào)工作臺面的最大垂直度誤差為
    
    由此引起的測量誤差為
    
    定位誤差的分布不妨假設(shè)為均勻分布，覆蓋因子k=3，定位誤差的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為
    
    4.測量力誤差的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量
    
    式中:D——測頭直徑(D=40mm)；P——測量力(P=2N)；K——變形系數(shù)(K=0.2)；ΔL₃——測量力引起的誤差。
    測量力的誤差分布為均勻分布，覆蓋因子k=3，測量力誤差的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為
    
    5.儀器分辨力誤差標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量
    儀器的最小分度值為1μm，誤差為0.1μm，且分布為均勻分布，覆蓋因子k=，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為
    
    6.溫度誤差的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量
    ΔL₄=L[a_p(t_p-20)-a_n(t_n-20)]
    式中:ΔL₄——由溫度引起的被測件相對于標(biāo)準(zhǔn)件的長度變化量；L——被測長度(L=6.034mm)；a_p、t_p——被測件的線膨脹系數(shù)和溫度；a_n、t_n——標(biāo)準(zhǔn)件的線膨脹系數(shù)和溫度。
    a_p=14.5×10^-6/℃
    a_n =11.5×10^-6/℃
    t_p=t_n=20.5℃
    ΔL₄=6.034×[(14.5-11.5)×10^-6×(20.5-20)]=0.009μm
    溫度不穩(wěn)定產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量呈三角形分布，覆蓋因子取，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度為
    
    上述各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量間相互獨立，互不相關(guān)。
    7.立式光學(xué)計測量裝置的合成不確定度
    
    8.立式光學(xué)計測量裝置的擴展不確定度
    u=k×u_c=3×0.142=0.426μm(置信概率p=99%，k取3)
    三、立式光學(xué)計測量裝置測量活塞環(huán)槽塞規(guī)的測量不確定度分析
    通過對標(biāo)稱尺寸為環(huán)槽塞規(guī)，滿足測量條件下等精度測量10次，以標(biāo)稱值為6mm的四等量塊作對零用量塊，測得結(jié)果如下(單位:mm)
    r₁=0.0330    r₂=0.0331
    r₃=0.0329    r₄=0.0328
    r₅=0.0330    r₆=0.0332
    r₇=0.0329    r₈=0.0328
    r₉=0.0331    r₁₀=0.0327
    1.算術(shù)平均值=0.03295=0.0330mm(根據(jù)數(shù)據(jù)修約)
    2.其標(biāo)準(zhǔn)差為
    3.其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為
    4.合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為
    
    5.擴展不確定度U=k×U_C=3×0.152μm=0.456μm≈0.5μm(根椐數(shù)字修約)，(置信概率p=99%，k取3)。
    6.最后的測量結(jié)果為
    (6.0330±0.0005)mm(置信概率p=99%，k取3)
    通過分析可看出，在立式光學(xué)計上進行測量滿足環(huán)槽塞規(guī)對準(zhǔn)確度的要求，可實現(xiàn)高準(zhǔn)確度測量。