工作用玻璃线纹尺校准方法研究及应用

　　摘 要：通过对工作用玻璃线纹尺实际应用场景和现有溯源方式的分析研究，根据校准方法开发和测量结果评定的原则，编写了适用于精度等级较低的工作用玻璃线纹尺的校准方法，选定了校准标准器，并对该方法带来的不确定度进行评定，增加了国家计量检定系统中二等以下玻璃线纹尺的传递环节，解决了工作用玻璃线纹尺的溯源问题。

　　关键词：几何量;玻璃线纹尺;不确定度;光学仪器;校准

　　0 引言

　　玻璃线纹尺是用玻璃制成的、表面上准确地刻有等间距平行线的长度测量和定位元件，间距一般为1 mm、0.1 mm或0.01 mm，用于长度计量的量值传递，广泛应用于各级计量单位、研究所及精密機械加工厂计量室和车间。

　　本课题中的工作用玻璃线纹尺特指等级判定达不到《高等别线纹尺检定规程》(JJG 73—2005)[1]要求的玻璃线纹尺。

　　随着长度专业测量对操作便利性需求的发展，越来越多的光学仪器，如投影仪、影像测量仪、光学轮廓仪等被使用到日常的测量活动中。由于光学系统计算的特点，设备供应商将玻璃线纹尺作为自校器具提供给实际使用的企业以核查光学设备系统的稳定性。因此，越来越多的工作用玻璃线纹尺需要被溯源。

　　由于《线纹计量器具检定系统》(JJG 2001—1987)[2]规定尽量减少传递环节，玻璃线纹尺的等别仅为一等、二等，没有再多增设一个等级。且目前仅有中国计量科学研究院和华东国家计量测试中心两家国家溯源单位拥有激光干涉比长仪，有能力开展一等、二等标准玻璃线纹尺的检定。工作用玻璃线纹尺的用户面临着溯源周期长、路途远、因判定要求高而难以溯源合格等实际的溯源困难。

　　本课题经过对线纹尺的溯源工作原理的研究、校准标准器的选用比较、测量影响因素的评估和控制，编写了工作用玻璃线纹尺的校准规范，增加了国家计量检定系统中二等以下玻璃线纹尺的传递环节，达到了开展工作用玻璃线纹尺的校准活动以满足市场上日益增多的溯源需求的目的。

　　1 线纹尺溯源工作原理

　　经调查，目前两家国家检定机构开展一等、二等线纹尺检定采用的标准器是在激光干涉比长仪作为测量基准的基础上自主研发的，其主要的测量原理是根据激光干涉比长仪光学测量方法和光电显微镜作为刻线瞄准装置进行读数。该装置体积庞大、投资金额大，应用于商业校准机构开展工作用玻璃线纹尺的校准工作是不切实际的。

　　于是通过对《高等别线纹尺检定规程》(JJG 73—2005)[1]的高等别线纹尺的检定工作原理和检定标准器的要求的研究，决定自行建立开展工作用玻璃线纹尺校准所需的整个测量装置系统。该系统至少需要包括符合量值传递要求的测长系统作为主标准器、对齐刻线的瞄准系统和满足开展被校准工作用标准器测量范围的工作台面作为辅助标准器。

　　2 选用作为测长系统的标准器

　　如前文所述，工作用玻璃线纹尺是投影仪、影像测量仪、显微镜等光学设备的配套自校器具，提供给实际使用的企业以核查光学设备系统的稳定性。通常情况下，以上光学设备系统根据设备提供商提供的测量精度或者企业内部控制要求，允差要求在几微米到十几微米不等，通常为±10 μm。为了确保配套的工作用玻璃线纹尺能够满足核查需要，对使用的光学设备的性能好坏做出即时判断，按照《测量仪器特性评定》(JJF 1094—2002)[3]的规定，要求工作用比例线纹尺的校准测量不确定度≤1/3光学类仪器的最大允差，最好≤3 μm。由此可以推导选用的可作为测长系统基准的标准器允差范围需要优于±1 μm，即需要选用达到纳米级别精度的设备。

　　在研究过程中发现，激光干涉仪的测量原理是将激光束通过分光镜分成两路，一路反馈给探测器，另一路进入移动的反射镜反射回探测器，通过测量光路长度改变来改变干涉光束的相对相位，并且由此产生相长干涉和相消干涉的循环，从而导致叠加光束强度的明暗周期变化，据此来进行测量，如图1所示，精度保持在±0.05×10-6以内，远高于测量需求。

　　激光干涉仪还可以开展测长仪、导轨等平面度、线性、小角度、移动距离的测量，综合适用范围、购买费用等实际考量后，测量范围为0～30 m的激光干涉仪被选用为测长基准，即工作用玻璃线纹尺的主标准器。

　　在试用的测量过程中发现，激光干涉仪使用时会受到温度、湿度、空气中光折射等因素影响，所以在测量结果影响因素中决定采用上级溯源的整体测量不确定度作为激光干涉仪的不确定度引入[4]，即激光干涉仪示值误差引起的标准不确定度为1 m以内的位移扩展不确定度为0.4 μm，标准不确定度取其半宽，即0.2 μm。

　　3 选用工作平台

　　按照激光干涉仪的工作原理，必须要选用能让玻璃线纹尺移动起来使光路发生变化的平台才能获得测量结果。砝码的检定原理即天平只作为衡器与显示装置，不参与标准砝码与被校砝码的量值传递过程，但需要满足衡器合成不确定度≤1/6的被校砝码最大允许误差的要求[5]。参照砝码的检定原理，可移动的工作平台在移动过程中平面会发生倾斜(图2)，故工作台的平面度均需要控制在±0.5 μm范围内。

　　对实验室可以实现移动工作平台的拉线位移传感器导轨、投影仪、影像测量仪、体视显微镜、万能工具显微镜和测长仪等，用激光干涉仪分别进行了最大300 mm范围内的评估和测量，结果如表1所示。

　　由表1可知，除钢卷尺检定平台、大理石平台和投影仪外，实验室现有的设备拉线位移传感器导轨、影像测量仪、体视显微镜、万能工具显微镜和测长仪均可作为工作平台使用。

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