常青，常晟

(1.中國賽寶實驗室，廣東 廣州 510610;2.西京學院機械系機械與自動化，陜西 西安 710049)

0 引言

已經(jīng)頒布施行的JJF1189-2008《測長儀校準規(guī)范》在規(guī)范測長儀 (含數(shù)顯類)的校準方法、保證其量值準確傳遞方面起到了重要作用。從量值傳遞 (溯源)的角度看，它簡化了JJG55-1984《測長儀檢定規(guī)程》的具體要求，增加了對于數(shù)顯測長儀校準的規(guī)定，降低了測長儀量值傳遞 (溯源)的工作量，提高了工作效率，受到了同行們的好評。

隨著量儀行業(yè)光機電一體化的發(fā)展，原有的光學機械式讀數(shù)測長儀逐漸被數(shù)字顯示的測長儀所取代，因此，在本次規(guī)范的制定中，從適用范圍上增加了數(shù)顯測長儀的校準要求，這對于原規(guī)程是一個進步，也使得大量出現(xiàn)的數(shù)顯測長儀在實際使用中，具有了規(guī)范的量值溯源方法，從而保證了數(shù)顯測長儀對于產(chǎn)品尺寸測量的準確度。

1 發(fā)現(xiàn)問題

由于數(shù)顯測長儀的自身特性，在校準規(guī)范中沒有對數(shù)顯裝置的細分特性進行明確要求，使得數(shù)顯測長儀在實際使用中，對測量結果的準確度帶來一些意外的影響，使測量數(shù)據(jù)的可靠性產(chǎn)生疑問，特別是在φ10 mm以下的針規(guī)直徑中，很多測量值會與實際結果不一致。使用某型號的數(shù)顯測長儀 (機身號ZH0101)，針對1 mm點附近的儀器示值誤差進行的驗證，對相應被測樣品 (量塊)進行測量。儀器示值誤差結果見表1，其中示值誤差已進行修正。

表1 測量1 mm時的示值誤差

可以看出在1 mm點附近給出的儀器示值誤差的最大差值達到1.0 μm，并且在1.000 mm和1.001 mm兩點的示值誤差的差異為0.4 μm，1.009 mm和1.010 mm兩點的示值誤差的差異為0.5 μm，這種情況對實際測量，影響會很大。

同樣再選擇兩塊標稱尺寸為10.24 mm的量塊，經(jīng)過偏差修正后，一塊實際值為10.2400 mm，一塊10.2398 mm，同時在數(shù)顯測長儀測量范圍中的三個位置進行測量，測量數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同部位測量的儀器示值誤差

由此可見，不止在1 mm附近，在其他測量點上也存在類似的情況，只要是標準量塊的實際值在微米量級不為0時，測量時其相近點的儀器示值誤差就會有明顯差異，這應該是數(shù)顯裝置所特有的，須引起注意。

上述的數(shù)顯測長儀，按照測長儀校準規(guī)范中6.3條，即“示值范圍≤1000 mm的測長儀，選取5個量塊，其最小長度為10 mm，最大長度不小于示值范圍的90%，其余量塊的尺寸應是校準點間隔基本均勻?！盵1]的要求進行校準。針對以上表述，再加上原有檢定規(guī)程的影響，校準測長儀示值誤差時，都基本上選擇標稱值為整數(shù)的量塊，在本例所述的兩臺數(shù)顯測長儀，示值誤差的校準點均選為10，30，50，70 mm和90 mm，對于小數(shù)尺寸則沒有校準，從理論上講是符合校準規(guī)范要求的，并且經(jīng)過校準，兩臺數(shù)顯測長儀的示值誤差均在±0.5μm以內(nèi)。

但是，從表1所述的數(shù)顯測長儀示值誤差校準結果看，帶小數(shù)位的被測對象，其相鄰點示值誤差的最大差值達1.0 μm，并且按照儀器出廠指標中最大允許誤差 (0.5+L/100)μm的要求，個別點的示值誤差也超過了相應的要求，出現(xiàn)該問題的原因，就是數(shù)顯裝置的細分誤差引起的[2]，而細分誤差的影響可以通過對數(shù)顯裝置的結構特點進行敘述加以說明。

2 原因分析

測長儀的數(shù)顯裝置由光柵傳感器[3]構成，目前常用的光柵類型有50線/mm、100線/mm和120線/mm幾種，正是由于光柵傳感器的這一特性，其輸出特性的轉換函數(shù)曲線并不是連續(xù)平滑的，而是具有很多離散的細密波紋[4]。從數(shù)學上講，一個函數(shù)曲線上如果有離散的細密波紋，此曲線就不是光滑的，而不光滑的曲線是不能進行微分運算的 (即誤差大小和方向不易控制和判定)。因為在有離散微小波紋的曲線上，在很微小區(qū)域內(nèi)，曲線的斜率就有可能發(fā)生急劇變化(細分誤差產(chǎn)生的原因)。所以光柵傳感器無論分辨力有多高，示值變動性多么穩(wěn)定，都存在由此細密波紋帶來的斜率誤差 (細分誤差)。

當然，這類的誤差，不會超過波紋本身的幅值，它與所使用的光柵柵距有關，柵距越密，其可能帶來的斜率誤差也就越小，反之就越大。從目前已有的數(shù)據(jù)看，根據(jù)不同的光柵傳感器的柵距，國內(nèi)外光柵傳感器的這類誤差基本在幾十納米到幾百納米左右，對于一般準確度的測量沒有明顯影響，而對于準確度較高的測量該影響就很明顯了。

如果儀器使用了計算機技術，則對于轉換函數(shù)曲線不光滑的傳感器的示值誤差，制造廠一般有能力在量程內(nèi)的有限多個點上用計算機修正[5]，但問題是使用者需要在全量程內(nèi)的無限多點上使用儀器。因此，在實際測量中，測量點有可能落在有效量程內(nèi)的任何點上。從目前的技術可行性上講，對光柵傳感器轉換函數(shù)中的大量離散的細密波紋全部修正是不可能的。

通過以上敘述，可以看出數(shù)顯測長儀使用的光柵傳感器，也同樣會存在其自身的斜率誤差 (即細分誤差)問題，如果每毫米的線數(shù)少，或者所使用的光柵傳感器性能一般，則會帶來明顯的細分誤差，對帶有小數(shù)結果的影響就體現(xiàn)出來，使測量結果存在差異，這也是表1中兩臺同型號的數(shù)顯測長儀對同一對象進行測量時，得到了不同的測量結果，其原因是兩臺數(shù)顯測長儀具有不同的細分誤差所致。

3 解決辦法

基于以上原因，為了保證數(shù)顯測長儀的量值準確可靠，及更加合理地使用JJF1189－2008《測長儀校準規(guī)范》，有必要在數(shù)顯測長儀的校準中，增加對數(shù)顯測長儀數(shù)顯裝置細分誤差的控制。具體做法是校準示值誤差時，在選擇5個標準量塊的尺寸時，不要單純以整數(shù)標稱值的量塊做為校準用的標準，而應該輔之以整數(shù)后帶有小數(shù)尺寸的量塊做標準，對于小數(shù)尺寸，最好是具有微米標稱值。

此外，也可以在選擇5個整數(shù)標稱值的量塊校準示值誤差后，再選擇相應的微米尺寸量塊對數(shù)顯測長儀的示值誤差進行校準，尺寸的選擇建議量塊標稱值帶有1，3，5，7，9μm。如 1.001，1.003，…，1.009 mm，因為通常使用的100線/mm光柵傳感器，其刻線間隔為0.01 mm，即10 μm。這樣，在一個柵距轉換中，上述的五塊量塊基本均勻分布于一個柵距的5個位置，就可以很好地體現(xiàn)數(shù)顯裝置的細分誤差，這樣經(jīng)過校準的數(shù)顯測長儀則基本上保證了量值準確，同時也不違背JJF1189－2008《測長儀校準規(guī)范》的具體規(guī)定。

4 說明

以上是在使用JJF1189－2008《測長儀校準規(guī)范》中發(fā)現(xiàn)的細分誤差問題，由于細分誤差不能像示值誤差一樣對測量結果進行修正，因此，在實際使用中一定要保證細分誤差是已知可控的，否則將給后續(xù)的測量準確度帶來不可知的影響。

經(jīng)過表1所述的實驗驗證，我們重新確定了數(shù)顯測長儀的測量對象，盡量以整數(shù)測量為主，對于帶有小數(shù)的測量對象，則要加以區(qū)分，如針規(guī)直徑的測量，如果針規(guī)直徑的標稱值在小數(shù)點后1位及以內(nèi)，則可以不考慮該儀器細分誤差的影響;如果標稱值為小數(shù)點后2位，則對測量結果需要做一定的驗證，以排除儀器細分誤差的影響，當然如果有更好準確度的儀器，則不考慮用此類數(shù)顯測長儀進行測量;對于標稱值是小數(shù)點后3位及以上的，該類型數(shù)顯測長儀則不可以使用。

[1]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.JJF1189－2008測長儀校準規(guī)范[S].北京:中國計量出版社，2008.

[2]水文.長度測量用光柵傳感器的誤差分析 [J].工具技術，1984(9):44－46.

[3]何道清，張禾，諶海云.傳感器與傳感器技術 [M].北京:科學出版社，2008.

[4]楊進堂，楊慶輝.莫爾條紋動態(tài)細分誤差的測量 [J].計量技術，1998(7):14－16.

[5]胡章芳，應俊.減小光柵傳感器測量信號誤差的研究[J].重慶郵電大學學報:自然科學版，2007，19(6):697－701.