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度測量和定位元件,間距一般為1mm、m01mm或.0.1mm,用于長度計量的量值傳遞,廣泛應(yīng)用于各級計量單位、研究所及精密機械加工廠計量室和車間。

本課題中的工作用玻璃線紋尺特指等級判定達(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。

隨著長度專業(yè)測量對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、影像測量儀、光學(xué)輪廓儀等被使用到日常的測量活動中。由于光學(xué)系統(tǒng)計算的特點,設(shè)備供應(yīng)商將玻璃線紋尺作為自校器具提供給實際使用的企業(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)一個等級。且目前僅有中國計量科學(xué)研究院和華東國家計量測試中心兩家國家溯源單位擁有激光干涉比長儀,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、路途遠(yuǎn)、因判定要求高而難以溯源合格等實際的溯源困難。

本課題經(jīng)過對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、測量影響因素的評估和控制,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)活動以滿足市場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儀作為測量基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上自主研發(fā)的,其主要的測量原理是根據(jù)激光干涉比長儀光學(xué)測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)機構(gòu)開展工作用玻璃線紋尺的校準(zhǔn)工作是不切實際的。

于是通過對《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)所需的整個測量裝置系統(tǒng)。該系統(tǒng)至少需要包括符合量值傳遞要求的測長系統(tǒng)作為主標(biāo)準(zhǔn)器、對齊刻線的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)和滿足開展被校準(zhǔn)工作用標(biāo)準(zhǔn)器測量范圍的工作臺面作為輔助標(biāo)準(zhǔn)器。

2選用作為測長系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)器

如前文所述,工作用玻璃線紋尺是投影儀、影像測量儀、顯微鏡等光學(xué)設(shè)備的配套自校器具,提供給實際使用的企業(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,對使用的光學(xué)設(shè)備的性能好壞做出即時判斷,按照《測量儀器特性評定》(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)選用的可作為測長系統(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)到納米級別精度的設(shè)備。在研究過程中發(fā)現(xiàn),激光干涉儀的測量原理是將激光束通過分光鏡分成兩路,一路反饋給探測器,另一路進(jìn)入移動的反射鏡反射回探測器,通過測量光路長度改變來改變干涉光束的相對相位,并且由此產(chǎn)生相長干涉和相消干涉的循環(huán),從而導(dǎo)致疊加光束強度的明暗周期變化,據(jù)此來進(jìn)行測量,如圖1所示,精度保持在士0.05×10-6以內(nèi),遠(yuǎn)高于測量需求。

圖1激光干涉儀工作示意圖

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

在試用的測量過程中發(fā)現(xiàn),激光干涉儀使用時會受到溫度、濕度、空氣中光折射等因素影響,所以在測量結(jié)果影響因素中決定采用上級溯源的整體測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

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起來使光路發(fā)生變化的平臺才能獲得測量結(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,可移動的工作平臺在移動過程中平面會發(fā)生傾斜(圖2),故工作臺的平面度均需要控制在±0.5um范圍內(nèi)。

對實驗室可以實現(xiàn)移動工作平臺的拉線位移傳感器導(dǎo)軌、投影儀、影像測量儀、體視顯微鏡、萬能工具顯微鏡和測長儀等,用激光干涉儀分別進(jìn)行了最大300mm范圍內(nèi)的評估和測量,結(jié)果如表1所示。

由表1可知,除鋼卷尺檢定平臺、大理石平臺和投影儀外,實驗室現(xiàn)有的設(shè)備拉線位移傳感器導(dǎo)軌、影像測量儀、體視顯微鏡、萬能工具顯微鏡和測長儀均可作為工作平臺使用。

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量位置瞄準(zhǔn)對齊線紋刻度的左端或右端進(jìn)行位置標(biāo)記。對入選的5個可作為工作平臺的設(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)測長儀是端度測量的設(shè)備,無法實現(xiàn)線紋類測量的刻線瞄準(zhǔn):

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

工作用玻璃線紋尺的線紋測量需要進(jìn)行表面識別,想要實現(xiàn)所看即所測的讀數(shù)還需要額外增配CCD讀數(shù)裝置。由于還有影像測量儀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)軌或測長儀加裝CCD瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的方案暫不考慮。

針對影像測量儀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對象,選取50mm、100mm、200mm3個測量點,每個點分別進(jìn)行10次獨立的重復(fù)性試驗,一共進(jìn)行了3組,試驗標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)果如表2所示。

從表2試驗結(jié)果得出,影像測量儀和萬能工具顯微鏡兩個設(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)性試驗結(jié)果應(yīng)該是影像測量儀優(yōu)于萬能工具顯微鏡,必然是在測試過程中有較大的測量不確定影響因素導(dǎo)致目前得出了截然不同的結(jié)果,于是對測量過程中的不確定影響因素進(jìn)行逐一排摸,發(fā)現(xiàn):

(1)試驗中采用的影像測量儀最小讀數(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的影像測量儀作為瞄準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)器。

(2)影像測量儀的放置環(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)%的測量室,即測量精密螺紋規(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環(huán)境溫度和濕度進(jìn)行補償,濕度是用于倒推飽和大氣壓下溫度的。由此推導(dǎo)出環(huán)境溫度會影響到玻璃線紋尺膨脹及膨脹系數(shù)的選擇,還會進(jìn)一步擴大激光干涉儀的補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)行評估。取萬能工具顯微鏡最大量程對應(yīng)的200mm工作用玻璃線紋尺作為評估對象,發(fā)現(xiàn):

(1)線紋尺的線脹系數(shù)檢定誤差為±0.5×10-6℃-1,取最大測量范圍長度為200mm的玻璃線紋尺時,測量環(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)由于激光干涉儀會測量氣溫、氣壓和濕度以補償激光波長的變化,而激光干涉儀溫度傳感器測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。

由此得出建立的測量系統(tǒng)所帶來的B類測量不確定度分量如表3所示。

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

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

考慮到市場上工作用玻璃線紋尺的實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上,將反射鏡固定在工具顯微鏡移動臺面上,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測量移動過程中均能正確捕捉到回路光,保持可測量狀態(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、打開溫濕度補償:移動X軸滑板,使玻璃線紋尺移動整毫米刻線,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量范圍。

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

(6)取左端對齊和右端對齊[1]兩種壓線方式的2次測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長系統(tǒng)基準(zhǔn),以萬能工具顯微鏡作為移動平臺和瞄準(zhǔn)測量裝置,并對校準(zhǔn)過程中的測量不確定度評定后,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,為《線紋計量器具檢定系統(tǒng)》(JJG2001一1987)[2]傳遞環(huán)節(jié)多增設(shè)了一個環(huán)節(jié),更為商業(yè)實驗室開展校準(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,滿足了精密機械加工廠計量室和車間、幾何測量工廠或?qū)嶒炇覍ぷ饔貌ＡЬ€紋尺的校準(zhǔn)溯源需求。