摘 要：通過對工作用玻璃線紋尺實(shí)際應(yīng)用場景和現(xiàn)有溯源方式的分析研究，根據(jù)校準(zhǔn)方法開發(fā)和測量結(jié)果評定的原則，編寫了適用于精度等級較低的工作用玻璃線紋尺的校準(zhǔn)方法，選定了校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)器，并對該方法帶來的不確定度進(jìn)行評定，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)，解決了工作用玻璃線紋尺的溯源問題。

　　關(guān)鍵詞：幾何量;玻璃線紋尺;不確定度;光學(xué)儀器;校準(zhǔn)

　　0 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1 mm、0.1 mm或0.01 mm，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(jī)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》(JJG 73—2005)[1]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(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《線紋計量器具檢定系統(tǒng)》(JJG 2001—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(shí)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(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(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《高等別線紋尺檢定規(guī)程》(JJG 73—2005)[1]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(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±10 μm。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》(JJF 1094—2002)[3]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≤3 μm。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±1 μm，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(qiáng)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±0.05×10-6以內(nèi)，遠(yuǎn)高于測量需求。

　　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(fèi)用等實(shí)際考量后，測量范圍為0～30 m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[4]，即激光干涉儀示值誤差引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為1 m以內(nèi)的位移擴(kuò)展不確定度為0.4 μm，標(biāo)準(zhǔn)不確定度取其半寬，即0.2 μm。

　　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[5]。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±0.5 μm范圍內(nèi)。

　　對實(shí)驗(yàn)室可以實(shí)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300 mm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(shí)驗(yàn)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。

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