劉 震

（福建省計(jì)量科學(xué)研究院，福建 福州 350003）

讀數(shù)顯微鏡檢定夾具的設(shè)計(jì)及示值誤差分析

劉 震

（福建省計(jì)量科學(xué)研究院，福建 福州 350003）

筆者設(shè)計(jì)了一種用于檢定讀數(shù)顯微鏡的夾具，該夾具能夠穩(wěn)定夾持讀數(shù)顯微鏡，并能夠方便與專(zhuān)用玻璃標(biāo)尺對(duì)線(xiàn)，解決讀數(shù)顯微鏡檢定時(shí)難以穩(wěn)定對(duì)線(xiàn)的問(wèn)題。經(jīng)示值誤差測(cè)量結(jié)果不確定度分析，該夾具的實(shí)際效果符合檢定要求。

讀數(shù)顯微鏡；示值誤差；夾具

1 引言

讀數(shù)顯微鏡是一種光學(xué)機(jī)械式長(zhǎng)度計(jì)量器具，主要用于量具的刻線(xiàn)寬度及刻線(xiàn)間距等測(cè)量。它利用光學(xué)放大系統(tǒng)和測(cè)微鼓輪對(duì)內(nèi)置分劃尺進(jìn)行細(xì)分達(dá)到精密測(cè)量的目的。根據(jù)JJG571-2004《讀數(shù)、測(cè)量顯微鏡檢定規(guī)程》[1]的要求，在檢定讀數(shù)顯微鏡示值誤差項(xiàng)目時(shí)，需先將讀數(shù)顯微鏡固定在專(zhuān)用的夾具上，再以專(zhuān)用玻璃標(biāo)尺為標(biāo)準(zhǔn)器緊貼在鏡筒座下進(jìn)行對(duì)線(xiàn)測(cè)量。但在實(shí)際操作過(guò)程中，讀數(shù)顯微鏡難以穩(wěn)定地和專(zhuān)用玻璃標(biāo)尺對(duì)線(xiàn)，特別是在轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微鼓輪時(shí)，容易引起對(duì)線(xiàn)偏移。因此需設(shè)計(jì)一種專(zhuān)用的夾具來(lái)穩(wěn)定夾持讀數(shù)顯微鏡并能很好地與專(zhuān)用玻璃標(biāo)尺對(duì)線(xiàn)。

2 存在的問(wèn)題

讀數(shù)顯微鏡典型的型號(hào)為JC-10和JC4-10兩種，其分度值分別為0.01mm（或0.005mm）和0.0025mm，在計(jì)量性能上要求示值誤差不超過(guò)1個(gè)分度。圖1、2分別為兩種典型的讀數(shù)顯微鏡結(jié)構(gòu)圖。檢定示值誤差時(shí)，專(zhuān)用玻璃標(biāo)尺緊貼在鏡筒座下，再利用外部照明，在目鏡內(nèi)觀察對(duì)線(xiàn)情況，此時(shí)如果不對(duì)讀數(shù)顯微鏡進(jìn)行固定，在轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微鼓輪時(shí)，很難保證鏡身的穩(wěn)定。但即使對(duì)讀數(shù)顯微鏡進(jìn)行夾持固定，仍存在以下問(wèn)題：當(dāng)夾持鏡身中下部位時(shí)，如鏡筒或鏡筒座，轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微鼓輪仍會(huì)引起對(duì)線(xiàn)偏移，無(wú)法與玻璃標(biāo)尺準(zhǔn)確對(duì)線(xiàn)；同樣，當(dāng)夾持在顯微鏡中上部位置時(shí)，如分劃板盒或目鏡套筒上時(shí)，在調(diào)整與玻璃標(biāo)尺對(duì)線(xiàn)時(shí)，因玻璃標(biāo)尺緊貼鏡筒底座，移動(dòng)時(shí)容易引起鏡身的擺動(dòng)，難以對(duì)線(xiàn)。分析上述原因，認(rèn)為鏡筒與測(cè)微鼓輪非整體件，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微鼓輪時(shí)會(huì)引起鏡身的偏移，當(dāng)夾持在與測(cè)微鼓輪一體的分劃板盒或目鏡套筒上時(shí)，雖然可以解決上述偏移問(wèn)題，但由于玻璃標(biāo)尺緊貼在鏡筒座下，對(duì)線(xiàn)移動(dòng)時(shí)對(duì)夾持點(diǎn)存在較大的力矩，易引起鏡身的偏擺，難以準(zhǔn)確對(duì)線(xiàn)。

圖1 型號(hào)JC-10讀數(shù)顯微鏡

圖2 型號(hào)JC4-10讀數(shù)顯微鏡

3 專(zhuān)用夾具的設(shè)計(jì)

根據(jù)上述原因分析，筆者設(shè)計(jì)了一套讀數(shù)顯微鏡的專(zhuān)用夾具，如圖3。檢定時(shí)，把讀數(shù)顯微鏡的目鏡套筒夾持在V型套7上并確保鏡身的垂直，專(zhuān)用玻璃標(biāo)尺放置在XYR控制平臺(tái)9上，向下移動(dòng)主升降臺(tái)4和輔助升降臺(tái)6使讀數(shù)顯微鏡的鏡筒座與專(zhuān)用玻璃標(biāo)尺接觸，移動(dòng)限位套筒3，使限位套筒3與主升降臺(tái)4下邊接觸并鎖緊，向上移動(dòng)主升降臺(tái)4一段距離（此時(shí)不能移動(dòng)輔助升降臺(tái)6），拆除讀數(shù)顯微鏡的鏡筒，再向下移動(dòng)主升降臺(tái)4，到與限位套筒3接觸時(shí)鎖緊，限位套筒3的目的是保證讀數(shù)顯微鏡鏡筒拆除前后物距不變。讀數(shù)顯微鏡目鏡套筒夾持在V型套7上保證了夾持的穩(wěn)定性，由于讀數(shù)顯微鏡鏡筒被拆除，在物距保持不變的情況下，讀數(shù)顯微鏡和專(zhuān)用玻璃標(biāo)尺是非接觸的，避免了玻璃標(biāo)尺與鏡筒座接觸產(chǎn)生的力矩。夾具底座1及立柱2采用鑄鐵和鋼制件，保證立柱的剛性，底座上安裝XYR控制平臺(tái)9，平臺(tái)可在XY平面上前后左右移動(dòng)及旋轉(zhuǎn)，平臺(tái)的表面為白色。在檢定讀數(shù)顯微鏡時(shí)，專(zhuān)用玻璃標(biāo)尺刻線(xiàn)面朝上放置在XYR控制平臺(tái)9上，開(kāi)啟照明燈8，玻璃標(biāo)尺刻線(xiàn)在讀數(shù)顯微鏡視場(chǎng)內(nèi)清晰可見(jiàn)，利用XYR控制平臺(tái)9的平移旋轉(zhuǎn)特性，很容易對(duì)線(xiàn)。

圖3 讀數(shù)顯微鏡專(zhuān)用夾具結(jié)構(gòu)圖

4 示值誤差不確定度分析

以型號(hào)JC-10分度值0.01mm的讀數(shù)顯微鏡示值誤差不確定度分析為例，依據(jù)《JJG571-2004讀數(shù)、測(cè)量顯微鏡檢定規(guī)程》進(jìn)行示值誤差檢定，數(shù)學(xué)模型如下：

4.1 不確定度分量

讀數(shù)顯微鏡示值誤差檢定時(shí)的不確定度分量主要有：專(zhuān)用玻璃標(biāo)尺誤差引入的不確定度分量測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量對(duì)線(xiàn)瞄準(zhǔn)讀數(shù)誤差引入的不確定度分量顯微鏡裝夾穩(wěn)定性引入的不確定度分量環(huán)境溫度引入的不確定度分量在各不確定分量中，包含和考慮到環(huán)境溫度對(duì)示值的影響很小，可以忽略不計(jì)，則=0，因此，最終的主要影響量是和，表1為不確定度分量一覽表。

表1 不確定度分量一覽表

4.1.1 專(zhuān)用玻璃標(biāo)尺誤差不確定度分量

專(zhuān)用玻璃標(biāo)尺分度值0.1mm，測(cè)量范圍（0～10）mm，校準(zhǔn)結(jié)果=0.5μm，=3，任意兩刻線(xiàn)間的間距誤差不大于1.5μm。在檢定分度值0.01mm的讀數(shù)顯微鏡時(shí)，為檢定方便可采用專(zhuān)用玻璃標(biāo)尺的標(biāo)稱(chēng)值，極限偏差按均勻分布，則：

4.1.2 測(cè)量重復(fù)性不確定度分量

采用本裝置夾持讀數(shù)顯微鏡，在重復(fù)條件下，對(duì)1mm玻璃尺刻線(xiàn)重復(fù)測(cè)量10次，按貝塞爾公式計(jì)算實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差S=1.2μm。由于在示值誤差檢定時(shí)，進(jìn)行零位和受檢點(diǎn)的兩次對(duì)線(xiàn)讀數(shù)，同時(shí)又重復(fù)進(jìn)行兩次測(cè)量取平均值，則：

4.1.3 合成標(biāo)準(zhǔn)確定度和擴(kuò)展不確定度

各不缺度分量不相關(guān)，則合成標(biāo)準(zhǔn)確定度：

5 結(jié)束語(yǔ)

該設(shè)計(jì)的讀數(shù)顯微鏡檢定夾具夾持在讀數(shù)顯微鏡目鏡套筒上，增加了夾持穩(wěn)定性，解決了讀數(shù)顯微鏡難以穩(wěn)定對(duì)線(xiàn)的實(shí)際問(wèn)題。同時(shí)拆掉讀數(shù)顯微鏡鏡筒檢定，使讀數(shù)顯微鏡與玻璃標(biāo)尺非接觸，保護(hù)了玻璃標(biāo)尺。該夾具操作簡(jiǎn)便具有很好的實(shí)用性，經(jīng)使用時(shí)的測(cè)量結(jié)果不確定度分析，擴(kuò)展不確定度=3.0μm，小于讀數(shù)顯微鏡MPE：10μm的1/3要求，滿(mǎn)足檢定要求。

[1] JJG 571-2004讀數(shù)、測(cè)量顯微鏡檢定規(guī)程[S].北京,中國(guó)計(jì)量出版社,2005.

Design of Veri fi cation Fixture for Reading Microscope and Analysis of Indication Error

LIU Zhen
（Fujian Metrology Institute, Fuzhou 350003, Fujian, China）

A fi xture is designed for the reading microscope veri fi cation. The fi xture can stably clamp microscope and convenient align with special glass scale, it solves the problem of unstable align in reading microscope veri fi cation. The result of uncertainty of indication error shows that the actual effect of the fi xture meets the requirements of the veri fi cation.

Reading microscope; Indication error; Fixture

2017-08-07

劉 震，男，福建省計(jì)量科學(xué)研究院，工程師