框式水平仪分度值误差的校准方法研究
郭辉
摘? 要：使用框式水平仪，需要掌握分度值误差校准方法，以确保测量结果准确。基于这种认识，该文对该种水平仪测量原因和分度值误差校准规范进行了分析，然后针对无法采用检定器校准的情况，提出采用小角度检查仪和量块实现校准操作，并以0.02 mm/m分度值的水平仪为例进行了方法验证，最终得到的分度值误差不确定度能够满足要求。
关键词：框式水平仪;分度值误差;校准方法
中图分类号：? TB96? ? ? ? ? ? ? ? ? 文献标志码：A
0 引言
作为通用角度计量器具，框式水平仪能够在设备安装水平和铅锤位置校正等领域得到应用。但要想保证水平仪测量结果准确性，还要完成水平仪分度值误差校准。结合水平仪分度值误差校准相关规定，还要加强对校准方法的分析研究，从而为水平仪的运用提供便利。
1 框式水平仪测量原理
框式水平仪在工作过程中，可以利用液面水平恒定原理进行相对水平位置和铅锤位置微小倾斜度的测量，也可以对各种工作面的平面度、直线度及相互平行度进行测量。在测量期间，利用水准器，能够对角位移进行直接显示。水准器作为水平仪主要部件，实际为密封玻璃管，内壁拥有一定曲率半径，将对测量精度产生决定性影响。在水准器曲率半径较大时，可以获得较高分辨率，反之则分辨率较低。玻璃管内存在酒精、乙醚等混合体，黏滞度较小，留有一气泡，在测量工作面水平时气泡将停留在玻璃管内表面刻度中间，说明工作面与水平面平行。如果工作面不平，气泡将向高的一端偏移。
2 框式水平仪分度值误差校准规定
按照JJF1084 —2002《框式水平仪和条式水平仪校准规范》规定，采用框式水平仪进行测量，标称分度值与任意实测分度值的差值应不超过标称分度值的20%。一旦超出这一数值，则要进行水平仪分度值误差校准。按照规定校准方法，需要利用分度值为0.005 mm/m和示值误差不超±6%的水平仪检定器对分度值误差进行校准。在校准操作过程中，需要对检定器进行调整，确保水平仪气泡与左边或右边起始线对正，并使检定器示值为整数。在此基础上，对检定器示值进行改变，每次改变量为标称分度值，直至气泡维持稳定，从一端进行读数，获得2次读数平均值。采用相同步骤，能够完成气泡另一端校准。按照式（1），可以对实测平均分度值进行求取
（1）
式中|bn-b0|为检定器示值变化量，（an-a0）为气泡实测位移量，ε指的是检定器分度值。
如果标称分度值与实测平均分度值差值超出10%，同时气泡位移量呈线性变化，可以按新分度值完成误差计算。完成水平仪校准后，需要在校准证书中标明校准结果和分度值误差测量不确定度。针对重新标定的设备，需要出具分度值误差及其测量结果不确定度。
3 框式水平仪分度值误差校准方法分析
3.1 校准方法思路
结合框式水平仪分度值误差校准规定可知，整个校准过程需要依靠检定器完成。但实际在水平仪应用过程中，现场主要配备小角度检查仪等设备，所以需要思考在缺少检定器的情况下如何完成水平仪分度值误差校准。对数学正弦原理进行运用可知，在测量仪器与量块相互配合的情况下，可以得到标准角度。如果在两臂架间完成立式光学计的设置，保持500 mm测量轴线，能够实现定位。按照小角度检查仪检定规程可知，可以产生0′～40′标准角。针对框式水平仪进行分析，可以得知标称角在4′～20″，因此能够利用小角度检查仪进行测量。具体来讲，可以利用三等量块与小角度检查仪进行配合，得到测量仪器标准角度。在校准过程中，需要使检查仪工作台保持水平，用于放置水平仪，在纵向上应使二者保持一致。对检查仪调整螺丝进行调整，能够使气泡移动，逐步与起始线对准。在此基础上，可以在检查仪两端立式光学计下方位置完成1 mm量块放置，然后进行光学计调零，直至气泡稳定，可以进行一端读数的读取，将2次读数平均值当成是示值误差。按照上述步骤，也可以完成另一端示值误差求取。根据校准位置标称分度值与光学计轴线间距乘积，可以确定量块尺寸，因此能够根据量块尺寸完成分度值误差的求取。
3.2 方法操作验证
实际进行水平仪分度值校准时，考虑到常用水平仪分度值多为0.02 mm/m，所以可以主要针对该类水平仪进行方法操作验证。从方法原理上来看，就是利用小角度检查仪和量块获得角度标准，然后对水平分度值误差进行测量。假设光学计球面测帽顶点间距为L，量块尺寸差为a1-a2，可以根据二者比值确定角度标准。在实际操作过程中，应使环境温度在（20±2）℃内。在光学计测帽和工作台之间，还应完成定位量块放置，然后将光学计调零。根据需要的标准角度，可以对一个光学计下方量块进行替换，然后对工作台升降高度进行调整，促使定位光学计重新归零。经过反复操作，相较于最初位置，工作台工作面上将有相应的标准角产生。按照式（2），可以对水平仪分度值的示值误差△α进行求取，式中B指的是标称分度值对线误差。在校准操作的过程中，通过将分度线的首尾线对准，能够获得标称分度值對线误差。结合操作条件可知，上述校准方法适用于0.02 mm/m框式水平仪，可以在缺少检定器或检定器设备无法达到水平仪分度值校准要求的情况下使用，仅作为补充校准方法使用。为确定方法应用效果，按照规定要求还要完成分度值误差的不确定度评定，确认方法能否在框式水平仪分度值校准中得到应用。
Δα=B-（a1-a2）/L （2）
3.3 不确定度评定
在不确定度评定过程中，需要分别将测量对线误差估算、光学计测帽顶点间距误差估算等引入不确定度分量中，完成相对不确定度和标准不确定度的计算，最终合成得到相对标准不确定度和相对扩展不确定度。在校准期间，3次使用对线进行平均值求取，误差不超过1/20分度，可以等概率引入半宽度为1/20的分度区间，得到相对不确定度分量urel（B）=0.04。校准采用的光学计分度值为1 μm，2次使用量块尺寸差，需要将示值变动引入。按照检定规程，示值允许变动值为0.1 μm，实现均匀分布处理，可以得到区间半宽为0.05 μm，因此能够得到不确定度分量为0.04 μm，2次定位需要实现2次引入。采用三等量块，需要引入量块中心长度误差估算。由于量块尺寸不超过10 mm，所以量块中心长度不确定度为0.11 μm，属于正态分布，对应99%置信区间因子为2.576，引入不确定度分量μk=0.04 μm。在光学计下放置的量块共2个，得到的不确定度分量为0.06 μm。标准角度包括两量块尺寸差，而其受光学和量块不确定度影响为单块，最终可以引入u（a1-a2）=0.11 μm。针对0.02 mm/m分度值，量块尺寸差为10 μm，得到相对不确定度为0.011。在引入测帽顶点间距误差估算时，包括光学计轴线间距偏差和平行度偏差分别引入的标准不确定度，在光学计计量性能为±0.05 mm的情况下，进行均匀分布可以得到区间半宽为50 μm，计量性能不超过0.02 mm时区间半宽为20 μm，最终可以得到标准不确定度u（L）=31.1 μm，相对不确定度为0.000062。最后，对相对标准不确定度urel（△α）进行合成，如式（3），可以得到为0.04，在k=2时可以得到相对扩展不确定度为0.08，因此能够满足水平仪分度值误差校准要求。
（3）
4 结论
综上所述，针对分度值为0.02 mm/m常见框式水平仪进行分度值误差校准时，如果因缺乏校准条件无法按照规范使用检定器进行校准，可以尝试采用小角度检查仪和量块完成示值误差校准。但针对其他分度值的框式水平仪，还要经过操作验证才能确认是否可以按照上述方法校准，因此还应结合实际情况合理运用。
参考文献
[1]刘红臣，王秋菊.用框式水平仪检测机床导轨直线度误差[J].金属加工（冷加工），2019（2）：81-82.
[2]王汉斌.水平仪分度值误差校准结果不确定度评定[J].质量技术监督研究，2018（6）：6-8.
[3]贾晓杰，王晓伟，范乃胤.水平仪检定器分度值误差的测量及不确定度分析[J].计量技术，2018（3）：59-61.
