电子柱式气动测量仪示值误差的不确定度评定

王晓伟 贾晓杰 宋欣颖

（1. 河南省计量科学研究院 郑州450000；（2. 辽宁装备制造职业技术学院 沈阳110161）

气动测量仪是一种非接触式测量仪器，按其显示器的种类可分为浮标式气动测量仪和电子柱式气动测量仪。其中电子柱式气动测量仪是一种测量精度高、测量范围大、稳定性好、能非接触测量出微小尺寸变化的精密测量仪器，配上相应的气动测量头可以测量多种参数，如检测工件的厚度、内径、外径、圆度、平行度等参数，还可用于多台拼合检测。电子柱式气动测量仪的分度值或分辨率有0.2μm、0.5μm 和 1μm 三种类型，由于其采用新型比较电路，由发光管组成发光柱，具有结构简单、显示读数直观清晰等优点，用途非常广泛。

1 电子柱式气动测量仪

电子柱式气动测量仪是利用气动传感器将被测尺寸的变化，经气电转换器转化成电信号，并用电子柱（发光二极管）显示出被测尺寸的比较测量仪器，它与其它各种气动传感器配合使用，能够进行多种测量工作，其结构如图1所示。

图1 电子柱式气动测量仪结构示意图

2 测量仪示值误差的测量不确定度评定

1） 测量方法

依据气动测量仪国家计量检定规程，分度值为0.2μm的电子柱式气动测量仪的示值误差，用3等量块和分度值为0.2μm的FZ-15型气动测量仪检定装置以直接法进行检定，FZ-15型气动测量仪检定装置主要由标准气动轴向测量头和微动测量台架两部分组成。检定时将气动测量仪检定装置和被检气动测量仪连接，先将标准气动轴向测量头和微动测量台架工作台面的初始间隙调整为 60μm，然后在零位间隙条件下，调整气动测量仪示值为零。按受检点间隔2μm置换量块，逐点检至上限值，再从零位逐点检至下限值。按此方法测量两次，取各点误差值δi中绝对值的最大值作为示值误差。

2）测量模型

各受检点的误差值按公式（1）计算：

式中：δi为第i个受检点的误差值，（μm）；为两次读数的平均值，μm； l0为对零用量块的实际尺寸，μm；li为受检点上所用量块的实际尺寸，μm。

3）方差和灵敏系数

4) 不确定度来源

根据公式（1），测量不确定度来源于以下几个方面：

(5) 标准量块偏差值：u（li）、u（l0）

3 标准不确定度分量计算

依据规程，由测量重复性引入的不确定度分量为s=0.06μm，则有：

因其量化误差为 0.05μm，认为在其半宽范围内等概率均匀分布，则由此带来的标准不确定度为，则有：

依据规程，0.2 μm分度值的电子柱式气动量仪供气压力变化对示值的影响为 0.06 μm，认为在其半宽为0.03 μm 范围内等概率均匀分布，则有：

4)由温度偏离 20℃测量仪与量块线膨胀系数差引入的不确定度分量

测量仪与钢制量块的线膨胀系数在α=（11.5±1）×10−6℃-1范围内，假设其在该范围内等概率均匀分布，可得其标准不确定度u（α）=0.577× 10−6℃-1。

依据规程用于示值误差检定的量块标称尺寸均在 2mm以内，假设检定时温度偏离 20℃的差值Δt=5℃，则有×0.577×10−6× 5= 0.008μm

5)由标准量块偏差值引入的不确定度分量u（li）、u（l0）

0.2μm分度值电子柱式气动测量仪的示值误差采用3等量块以直接法检定。3等量块的扩展不确定度为 ,由于所用量块的标称尺寸均在2mm以下，则有0.039μm

同理u（l0）=u（li）=0.039μm

6)标准不确定度各分量值如表1所示

表1 不确定度一览表

7)合成标准不确定度

依据规程每个受检点要测量两次，取平均值作为测得值，则有：

8）扩展不确定度U

取k=2 ，故有：

U=0.059× 2 ≈ 0.12μm 。

4 结语

由以上分析可以看出，分度值为0.2μm的电子柱式气动测量仪示值误差测量结果的扩展不确定度U满足小于1/3最大允许误差的要求。