从量块比较仪单、双测头的异同看其校准规范

2013-05-14刘香斌吴月艳张旭东

计量技术 2013年12期

刘香斌吴月艳张旭东

(中国计量科学研究院，北京 100013 )

0 引言

长期以来，我国量块比较测量使用的仪器主要是接触式干涉仪和光学计。20世纪90年代以来，很多计量机构开始使用电感式量块比较仪，其示值误差在±0.03μm左右。其检定或校准大多参考接触式干涉仪检定规程。近年来进口的量块比较仪越来越多，其所标注的技术指标比较混乱，缺乏相关的法规文件来规范。2011年国家质检总局颁布并实施了JJF 1304—2011量块比较仪校准规范。经过1年多的实施，发现在规范的使用中存在一些问题和疑问。多数问题的焦点在于规范中涉及的双测头量块比较仪与传统的单测头量块比较仪的区别。因此，本文将主要介绍一下单、双测头量块比较仪在使用和校准方面的异同，同时对新校准规范的一些问题进行说明。

1 量块比较仪的简介

量块比较仪是检定量块的主要计量仪器，它是采用比较方法测量量块长度的计量仪器。该仪器使用范围广泛，使用量极大。量块比较仪有很多种类和型号，其中，各种光学计、测长仪、接触式干涉仪等早已为大家所熟知和使用，测长机用于比较测量大尺寸量块，也可以认为是量块比较仪，但是，由于JJF 1304—2011量块比较仪校准规范中将量块比较仪限定在垂直方式比较测量量块的仪器，因此，我们在讨论量块比较仪时不把测长机考虑在内。电感、光栅传感器类型的量块比较仪在近年来越来越广泛的用于量块比较测量上，成为了量块比较仪的主流。新规范也主要适用于这类仪器。量块比较仪结构示意如图1所示。

1、1a. 位移传感器(测头) 2. 参考量块 3. 被测量块 4. 仪器显示器图1 量块比较仪结构示意图

图1所示是双测头量块比较仪的结构示意。如果是单测头量块比较仪，就没有了图1中的1a位移传感器，取而代之的是球筋工作台或带筋工作台。

2 JJF 1304—2011量块比较仪校准规范执行中的主要问题

问题1：适用范围？

简单的说，新规范的适用范围是用来比较测量量块长度的仪器。限制条件是采用垂直安放量块的方式，不包括测长机类型。

这个范围看似非常广泛，包括了各种光学计、测长仪和接触式干涉仪等，实际上并非如此。新规范制定的原则是从仪器的用途或功能上来确定：对于用于(特别是仅仅用于)比较测量量块长度的仪器，使用新规范来校准。对于接触式干涉仪这样已有检定规程的仪器应该按原规程进行检定。因为，这些仪器除了可以比较测量量块长度以外还有其他的测量功能，原规程的检定是全面完整的，可以确认仪器是否符合要求。当这些仪器仅仅用于比较测量量块时，可以使用新规范来校准。关于适用范围的问题，对于单、双测头量块比较仪是一样的。

问题2：量块尺寸的选择？

校准量块比较仪示值误差的标准器是量块对。规范中给出了量块尺寸的选择表，见表1。序列A与序列B构成的每一对量块的长度差值是标准值。

关于量块尺寸的选择，首先，选择表1中序列1、2、3四块量块组成三个量块对，提供5μm、10μm、 20μm三个长度标准值用于校准仪器的示值误差。这个选择应该是清楚的，对于单、双测头量块比较仪是一样的。由于量块比较仪的传感器不同，如电感传感器的示值有非线性误差问题，光栅传感器有细分均匀性问题、光栅信号移相是否精准问题等等，因此，这三个量块对是最低要求，使用者应根据不同仪器的具体情况尽量增加量块对以保证校准的准确。如示值范围较小时可增加1μm、2μm；示值范围较大时可增加50μm、100μm等。

对于单、双测头量块比较仪不一样的地方是双测头量块比较仪还要选择序列4、5、6。这就引出了下面第3个问题。

表1 量块尺寸单位：mm

注：位移传感器示值范围超过±20μm时，根据使用情况增加校准点；带“*”号序列的量块对可选。

问题3：三对相同标称长度的量块有什么意义？

序列4、5、6量块对的标称长度是一样的，从比较测量量块长度的最小值到最大值。增加序列4、5、6是针对双测头量块比较仪的，是为了校准双测头量块比较仪测量不同长度量块时，示值误差是否都能满足要求。双测头量块比较仪的上、下测头对准是否良好，工作台对量块的实际支撑面是否稳定且与测头位移方向垂直，下测头伸出长度多少，等等这些问题都可能造成测量长度不同的量块时，尽管示值相同或接近，但是，示值误差会不相同，所以也会产生不同的测量结果。这就是双测头量块比较仪的不同点造成的，而单测头量块比较仪由于对工作台有严格的要求不会产生这样的问题，也就不需要选择序列4、5、6了。

3 单、双测头量块比较仪使用上的区别

单测头量块比较仪测量10mm及以下的量块时采用球筋工作台，测量大于10mm的量块时采用带筋工作台，因此，通常使用两台仪器实现量块的比较测量，否则需要更换工作台以适应不同长度的量块。双测头量块比较仪没有此类要求，只需一台仪器就可以实现量块的比较测量。

单测头量块比较仪测量时，通过拨动拨叉控制测头重复接触量块表面可以检查量块表面是否清洁，确保读数准确。双测头量块比较仪通常是测头自动移动接触量块工作面、停止并采数。如果量块表面有灰尘、油污等将直接影响测量结果，造成粗大误差。这个区别主要是由于单测头量块比较仪通常是手动操作，而双测头量块比较仪是自动操作造成的。如果单测头量块比较仪是自动操作也会出现这个问题。

通常双测头量块比较仪带有量块安放的定位架，可以准确地将量块被测点置于测头下，保证被测位置的准确；而单测头量块比较仪一般没有定位架，需要测量者用人眼控制定位。

对于弯曲比较大的小量块，有可能与工作台接触不良，单测头量块比较仪需要将量块翻面测量，而双测头量块比较仪，下测头可良好接触，则不需要翻面测量。

4 单、双测头量块比较仪校准上的区别

量块比较仪校准规范中规定了5项计量特性：工作台、示值范围、示值误差、测量重复性、漂移。

工作台只适用于单测头量块比较仪，其技术指标多达6项，用以确保量块的下工作面能与工作台良好接触，不影响测量准确度。而双测头量块比较仪由于下测头可以伸出接触量块下工作面，因此，对工作台无特殊要求，只要保证量块稳定安放，没有毛刺等突出物损坏量块即可。这是单、双测头量块比较仪的最大区别。

量块比较仪的示值误差是最主要的技术指标，示值范围也是一个重要的技术参数，它是与示值误差紧密相关的。通常示值范围小时，其示值误差就小，反之就大。这两个指标一起提出，可以更完整的表明仪器的计量性能。

单测头量块比较仪的示值范围可以准确的得到，而双测头量块比较仪可以不考虑下测头的范围，通常将上测头的示值范围作为仪器的示值范围。

校准仪器的示值误差时，单测头量块比较仪只选择表1中的序列1、2、3即可，而双测头量块比较仪则要选择表1中的序列1、2、3和序列4、5、6。

表1中下方注的第一行文字有两点要注意：

1)示值范围以±20μm表示的含义的理解。有的仪器示值范围是从-20μm到+20μm，(这样的仪器多是表盘显示的)；多数仪器示值范围是从0μm到20μm，仪器可在任意位置置零，则可变为0μm到-20μm或者-10μm到+10μm(这种仪器多是数显的或连接计算机的)。校准示值误差时应该从5μm、10μm、 20μm到-5μm、-10μm、-20μm进行。双测头量块比较仪必须“+、-”方向都要校准，而对于单测头量块比较仪的数显或计算机类则可以只校准“+”方向，因为其“+”和“-”方向的示值误差是一样的。

2)示值范围大于20μm时需要增加量块。例如示值范围为200μm时，可以增加50μm、100μm、 200μm三个测量点。当然对于不同类型仪器也有“+、-”方向问题。

测量重复性和漂移的特性，对于两种比较仪基本一致。使用和校准上采取相同的方法即可，唯一需要注意的是灰尘或油污等的影响反应不同。