邵建桥　宫美望　王　婷 / 青岛市计量技术研究院



数字式智能平面水平动态分析仪示值误差检定方法

邵建桥宫美望王婷 / 青岛市计量技术研究院

摘要介绍了数字式智能平面水平动态分析仪工作原理，简述了其示值误差的检定方法。对检定方法进行了实例试验，得出了试验数据，并评定了该示值误差检定结果的不确定度，研究和试验结果论证了该示值误差检定方法的准确性，证明了该检定方法适用于此仪器示值误差的检定。

关键词数字式智能平面水平动态分析仪；示值误差；检定；测量不确定度

0　引言

数字式智能平面水平动态分析仪是一种平面角测量仪器。其主要功能有平面角的测量、方位角的测量以及平面度的快速测量等，可以应用在设备安装、工作台调平、铁路系统铁轨的水平位置确定、火箭发动机机架的水平找正等领域。该仪器操作简单直观，对使用者操作技能要求不高，便于快速测量、智能分析，满足了机械加工企业现场快速测量的要求。

1　工作原理

该仪器在X轴与Y轴方向安装有两组角度传感器，依据计量原理的融合技术以及误差的计算机补偿技术，将数字化虚拟仪器、角度传感器与计算机技术相结合，计算机软件的虚拟仪表显示动态变化数据。平面水平动态分析仪如图1所示。

2　示值误差的检定方法

依据设计原理及工作原理，由于该仪器在X轴和Y轴方向安装有两组角度传感器，因此需对这两个方向上的示值误差分别使用小角度检查仪进行检定。首先，将小角度检查仪的桥形工作台横向调至水平，将平面水平分析仪+X轴方向放置在工作台的平工作面上，使其纵向与该仪器的+X轴方向相一致。调整小角度检查仪的调整螺丝，使平面水平分析仪在+X轴方向上处于零位。在小角度检查仪的立式光学计下各放置1 mm的量块，调整立式光学计至零位。在+X轴正行程各受检位置依次放置相应尺寸量块，并调整小角度检查仪立式光学计复指零位，分别在各个相应位置读取平面水平分析仪相对于标称值的示值误差。当检测到测量范围终点时，开始返回进行反行程方向的检定。以同样方法，分别对该仪器-X轴、+Y轴以及-Y轴方向示值误差进行检定。

图1　平面水平动态分析仪

3　示值误差检定试验

依据上述示值误差检定方法，以分辨力为C =0.001 mm/m的仪器为例进行试验。小角度检查仪跨距为500 mm。表1、表2、表3、表4分别为在平面动态分析仪+X轴、-X轴、+Y轴、-Y轴方向上测得的数据。

表1　平面动态分析仪+X轴方向示值误差

该平面动态分析仪在+X轴方向示值误差为+14字，即+0.014 mm/m（于表中1 200字处）。

表2　平面动态分析仪-X轴方向示值误差

该平面动态分析仪在-X轴方向示值误差为+18字，即+0.018 mm/m（于表中2 000字处）。

表3　平面动态分析仪+Y轴方向示值误差

该平面动态分析仪在+Y轴方向示值误差为+5字，即+0.005 mm/m（于表中2 000字处）。

表4　平面动态分析仪-Y轴方向示值误差

该平面动态分析仪在-Y轴方向示值误差为-17字，即-0.017 mm/m（于表中2 000字处）。

综上试验数据，可以看出该平面动态分析仪最大示值误差为±0.018 mm/m（测量范围为±2 mm/m）。

4　测量不确定度评定

4.1测量模型

Δi= δi－a/L

式中：Δi—— 被测平面水平动态分析仪的示值误差，mm/m；

δi—— 平面水平动态分析仪实际显示值，mm/m；

a —— 量块的尺寸差，mm；

L —— 小角度检查仪两光学计测头轴线间距离，mm

4.2方差和传播系数

式中：C(δi) = 1；

C(a) = -1/L；

C(L) = a/L2

4.3标准不确定度分量评定

4.3.1测量重复性估算的分量u(δ1)

对平面水平动态分析仪X轴方向上在0.1 mm/m（100个数）位置重复测量10次，得到δ1的测量列：0.100 mm/m、0.100 mm/m、0.100 mm/m、0.100 mm/m、0.101 mm/m、0.100 mm/m、0.100 mm/m、0.100 mm/m、0.101 mm/m、0.100 mm/m。

则平均值Δ= 0.100 2 mm/m

故u (δ1) = 0.000 42 mm/m

4.3.2数显量化误差估算的分量u (δ2)

平面水平动态分析仪最小分辨力为1个字，即0.001 mm/m，该量以等概率落在半宽为1/2个字的区间内。

为不重复计算，故：

4.3.3标准角度（垂直方向）给出的不确定度分量u (a)

4.3.3.1量块中心长度的不确定度影响分量u (a1)

4.3.3.2量块的长度变动量影响的分量u (a2)

实际操作中，假设量块的中心瞄准圆半径≤1 mm，并在该区域范围内服从均匀分布，由此引起的变动量按

e = h/2×(a/b)计算

式中：h —— 变动量；

a —— 中心瞄准圆半径；

b —— 量块测量面短边的1/2

b = 4.5-1.5 = 3 mm（不含边缘的1.5 mm）

e = （0.16/2）×1/3 = 0.03 μm

取k = 2.68

u (a2) = 0.03/2.68 = 0.011 μm

4.3.3.3光学计对线误差估算的分量u (a3)

对线误差是由分度线宽度决定的，一般不会超过分度线宽度的三分之一。目视立式光学计分度线宽度为15 μm，放大80倍，对线误差为15/（80×3）= 0.062 μm，该量在半宽区间内为三角分布，故

4.3.3.4光学计的示值变动性估算的分量u (a4)

依据检定规程JJG 45-1999《光学计》，分度值为1 μm的光学计，其示值变动性应不超过0.1 μm，在误差范围内符合均匀分布，半宽为0.1/2=0.05 μm，包含因子k =，故：

则标准角度给出的不确定度分量：

4.3.4两光学计测头中心距不准估算的分量u (L)

4.3.4.1两光学计测头中心距偏差

依据检定规程JJG 300-2002《小角度检查仪》，两定位指示计中心距偏差为±0.05 mm，服从均匀分布，包含因子k =

4.3.4.2光学计两定位指示计轴线平行度

依据JJG 300-2002，两定位指示计轴线平行度偏差不超过±0.02 mm，服从均匀分布，包含因子k =4.3.4.3光学计两定位指示计测帽球心与套孔轴心线的重合性

依据JJG 300-2002，两定位指示计测帽球心与套孔轴心线的重合性不超过±0.06 mm，服从均匀分布，包含因子k =

则：

4.4测量不确定度汇总

通过以上分析，各分量测量不确定度见表5。

表5　各分量测量不确定度

4.5合成标准不确定度

各影响量互相独立，合成标准不确定度按下式计算：

4.6扩展不确定度

取k = 2，则扩展不确定度：

同样，对平面水平动态分析仪在Y轴方向上的测量结果不确定度进行分析，得出UY= 0.001 mm/m。

5　结语

本文提出了平面水平动态分析仪示值误差的一种检定方法，使用该方法对仪器的示值误差进行了检定试验，并且评定了该示值误差测量结果的不确定度。本文的研究和试验结果表明，该方法准确度高、科学高效。适用于智能平面水平动态分析仪示值误差的检定。

参考文献

[1] 全国几何量角度计量技术委员会.JJG 103-2005 电子水平仪和合像水平仪[S].北京：中国计量出版社，2005.

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[3] 全国几何量角度计量技术委员会.JJG 300-2002小角度检查仪[S].北京：中国计量出版社，2002.

[4] 宫美望，王爱叶，康洪志，等.采用双传感器信号合成技术的平面水平分析法[J].计量技术，2012.

[5] 宫美望，刘文君. 电子水平仪节距法测量平直度的定位误差[J].上海计量测试，2008（1）：11-14.

[6] 张辉.小角度检查仪复现标准角度的不确定度评定[J].计量技术，2003(11):54-56.

Verification method of indication errors of the digital intelligent dynamic analytical level

Shao Jianqiao，Gong Meiwang，Wang Ting

（Qingdao Institute of Measurement Technology）

Abstract:The operational principle of the digital intelligent dynamic analytical levels is introduced in the paper. The verification method of indication errors is briefly described. By the means of test expreriments of the method, the test data have been obtained. The uncertainty of verification results are evaluated. Research and test results proved the accuricy of the method, and show that the method is suitable for indication error verification of the instrument.

Key words:digital intelligent dynamic analytical levels; indication error; verification; uncertainty of measurement