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生于扬州,学前随父母去过西安、长沙、桂林、昆明、合川,小学在重庆,中学在上海,50年到北京国立高工读书,并在北京工作,70年来三线工作.82年定居成都.95年退休.游戏智慧是47年随父亲皈依贡戛活佛的法号.一生奉献于我国的计量事业,工作勤勤恳恳,刻苦钻研,事业略有所成.退休后致力于总结多年工作中的经验.子女均自立,一代更比一代强.尽享天伦之乐.

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0级刀口尺的检定及其不确定度评定(转载)  

2009-12-03 00:02:56|  分类: 长度计量 |  标签: |举报 |字号 订阅

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  该文发表在《中国测试》2009年第6期(总35期)21-24页

0级刀口尺的检定及其不确定度评定(转载)

张成悌  

(中国测试技术研究院   成都   610021)

摘    要: 文章介绍了0级刀口尺的具体检定方法,根据这些方法可以为其检定不确定度提供了分析依据。文章再次确认老版本检定规程及国家标准对刀口尺的要求:“检定时,刀口尺的光隙长度应小于刀口尺全长的三分之一。”。并对四种不同长度的刀口尺检定不确定度进行了评定。覆盖因子k=3的情况下除了175mm 0级刀口尺的检定扩展不确定度与其直线度偏差的比值为0.4略大于1/3一点以外其余均小于1/3。虽然0.4>1/3,但是因为它是最高级别精度测量,比值可以放宽至1/2或以上。所以0.4仍然是可以接受的。

关 键 词: 刀口尺 0级 检定 不确定度 评定

Calibration for 0 classe Knife-edge and Uncertainty evaluation

Zhang Chengti 

(National Institute Measurement and Testing Technology, Chengdu 610021,China)

Abstract: Specific calibration method for 0 classe knife-edge was introduced, which could provide analytical foundation for calibration uncertainty evaluation of 0 classe knife-edg. It confirmed the requirements for knife-edge from Chinese verification regulation and Chinese standard of old Edition, that is “the length of the light fissure of knife-edge with abraded straight edge should be smalier than one third length of whole knife-edge when calibration”..And calibration uncertainty for four size-different 0 classe knife-edges were evaluated. When the confidence factor k is 3, the ratio of extended calibration uncertainty to the straightness deviation is less than 1/3, except the ratio is 0.4 for 175mm 0 classe knife-edge.Though 0.4 is larger than 1/3, it is top classe measurement, so the ratio can be not less than 1/2. So the ratio 0.4 may be accepted.    

Keyword: Knife-edge; 0 classe; Calibration; Uncertainty; Evaluation

1. 引   言

文献[1]指出JJG63-2007检定规程取消0级刀口尺是值得商榷的,在很多的地方需要用0级刀口尺进行检定和测量,又没有其他测量方法可以取代它,不像千分尺取消0级可以有数显千分尺、杠杆千分尺…代替它。根据文献[2]的介绍” 在调研中我们发现,不少生产单位为保证产品质量,在生产中仅简单以有无光缝作为判别刀口尺是否合格的依据,因此生产的产品全部是0级品,没有1级品”。主要是文献[3]对0级刀口尺的不确定度评定达不到要求,故而取消0级刀口尺。因此作者认为有必要对0级刀口尺的检定方法及其不确定度进行探讨。

 

2 刀口尺的检定方法

 

老的版本的检定规程和国家标准都有这样一句话是很重要的,“检定时,刀口尺的光隙长度应小于刀口尺全长的三分之一。” 0.5μm的光隙能不能看清楚,作者在1961年用瑞典量块组成了0.5μm的标准光隙,与1μm的光隙比较差一倍的感觉非常清楚,为了推广0.5μm标准光隙,才在90年代请成量厂生产标准光隙量块。

刀口尺的检定是将刀口尺刃边置于研磨平尺工作面上,在日光灯或灯箱的照明下观测刃边与研磨平尺工作面间的光隙(刀口尺在±15°摆动下)与标准光隙比较。标准光隙由0级量块(除了0.5和1.0微米的光隙是0级,其余是1级)、φ60mm一级平晶和0级刀口尺组成。现将各项要求分述如下。

           表1  推荐的研磨平尺参数

        0级刀口尺的检定及其不确定度评定 - 游戏智慧 - zct617的博客

        0级刀口尺的检定及其不确定度评定 - 游戏智慧 - zct617的博客

            *为推荐采用的平尺长度

 

2.1 研磨平尺的要求

 

作者在20世纪80年代研磨平尺检定学习班资料推荐的研磨平尺参数及JJG740-91和JJG740-2005对研磨平尺的要求见表1。例如一个400mm的研磨平尺,它要求在360mm内直线度应不大于0.4μm,在任意240mm上直线度不大于0.25μm,在任意180mm上不大于0.15μm。这样这根尺子就可以检定300mm以下的各种长度的刀口尺。如果不能满足上述要求,但在指定的范围满足0.25μm /240mm及0.15μm /180mm,应该在检定证书注明符合要求的工作段的位置。规程对于270和300mm的研磨平尺要求高了一点。可以放宽到0.25μm,在任意180mm长度上应不大于0.15μm即可。

对于使用中的研磨平尺其表面的划痕不应影响它的反光能力,如果反光能力下降了会影响光隙宽度变小。虽然其直线度合乎要求,仍需研磨抛光其表面,提高表面粗度。

 

2.2    标准光隙的要求

 

由于标准间隙只有0.5μm,所用的0级刀口尺必需使用其无光隙的2/3部分

中的约30mm长的一段。组成0.5μm标准间隙的量块必须用0级量块,而不像文献 [3]规定用三等量块。因为在使用过程无法对三等量块的偏差进行修正。JJG64-1994规定用直径60mm或80mm的1级平晶。

2.3  关于灯箱的要求

 

规程应该给出灯箱在观察处的照度应达到多少流明的数值。在这个条件下可以清晰看到0.5μm的标准光隙。

2.4   刀口尺光隙大小的确定

 

检验刀口尺光隙时首先确定光隙长度是否超过全长的1/3,然后确定其光隙的大小。有三种情况可以是判断无误的。首先是没有光隙存在,其次是明显看出光隙比0.5μm的标准光隙小,第三种情况是明显看出比0.5μm标准光隙大。唯一不能明确判断的就是光隙与标准光隙相当,究竟是大于或是小于标准光隙。这时可以把量块放在研磨平尺上,刀口尺压在三块量块上,若刀口尺是中间有光隙(中间量块大于两边量块0.5μm),看中间量块能不能动,能动则直线度大于0.5μm,不能动则直线度小于0.5μm。若是端部有光隙当两端都有光隙,则中间量块小于两端量块0.5μm,若是一端有光隙,中间及无光隙一端的量块比有光隙一端的量块小0.5μm。中间量块能动说明光隙小于0.5μm,中间不能动说明光隙大于0.5μm。至于其它规格的刀口尺光隙的确定,与上述相类似。

 

3  0级刀口尺检定不确定度的评定

 

影响0级刀口尺检定不确定度的主要因素有:标准器研磨平尺、标准光隙或塞刀口尺的量块组。由于光隙在与标准光隙比较过程并不需要判断光隙有多大,只判断哪个大,哪个小。不能确定时还可以塞量块。因此就不存在像文献[3]所说的判断光隙大小的分辨误差。

3.1  由研磨平尺带来的标准不确定度分量u1

 

它主要由研磨平尺直线度偏差引入的标准不确定度分量u1-1、研磨平尺直线度检定不确定度的分量u1-2、研磨平尺的变形引入的分量u1-3、研磨平尺表面粗度引入的分量u1-4等组成。

3.1.1  研磨平尺直线度偏差引入的标准不确定度分量u1-1

 

对于175mm0级刀口尺研磨平尺在180mm上的直线度允许偏差为0.15μm;

对于225mm的0级刀口尺研磨平尺在240mm上的直线度允许偏差为0.25μm;对于400mm的0级刀口尺研磨平尺在420mm上的直线度允许偏差为0.40μm;对于500mm的0级刀口尺研磨平尺在510mm上的直线度允许偏差为0.50μm。由于直线度偏差是用峰-峰值表示的,它对理想直线的最大偏差分别为±0.075μm、±0.125μm、±0.200μm及±0.250μm。按均匀分布考虑,覆盖因子k= 0级刀口尺的检定及其不确定度评定 - 游戏智慧 - zct617的博客

u1-1=0.075/k=0.0433μm (175mm刀口尺)

   u1-1=0.125/k=0.0722μm (225mm刀口尺)

   u1-1=0.200/k=0.1155μm  (400mm刀口尺)

   u1-1=0.250/k=0.1443μm (500mm刀口尺)

 

3.1.2  研磨平尺直线度检定不确定度的分量u1-2

 

研磨平尺直线度检定不确定度的分量u1-2由长平晶检定的不确定度分量u1-2-1

和用长平晶测量研磨平尺时的不确定度分量u1-2-2两项组成。

u1-2= 0级刀口尺的检定及其不确定度评定 - 游戏智慧 - zct617的博客   。

表2 在等倾干涉装置上研磨平尺的检定扩展不确定度UL

长平晶工作长度(mm)

分段法测量段数

n

研磨平尺被测长度L(mm)

标准偏差

u c(F)L

μm

自由度

ν1(F)L

覆盖因子

K

扩展不

确定度

UL= Ku c(F)L

μm

180

2

180

0.0107

89.6

3.09

0.033

2*

240

0.0136

75.8

3.105

0.042

3

270

0.0185

79.9

3.10

0.057

3*

300

0.0197

101.4

3.08

0.061

4

360

0.0344

65.8

3.12

0.107

4*

420

0.0364

81.8

3.10

0.113

5

450

0.0500

65.3

3.12

0.156**

5*

510

0.0520

77.2

3.108

0.162

6

540

0.0725

58.7

3.13

0.227**

270

2

270

0.0185

75.4

3.105

0.057

2*

300

0.0213

120.0

3.075

0.065

2*

360

0.0236

150.9

3.07

0.073

3

405

0.0345

67.8

3.11

0.107

3*

420

0.0359

79.0

3.10

0.111

3*

450

0.0364

83.2

3.097

0.113

3*

495

0.0382

99.2

3.08

0.118

3*

510

0.0394

110.5

3.078

0.121

4

540

0.0668

62.4

3.13

0.209**

*最后一段不够一整段,分段数指完整段数。

**扩展不确定度超过允许值,可以用两块长平晶分别检定,最后取平均值,可以减少长平晶的系统误差对其影响,其扩展不确定度也能大为减小。

表3  在等倾干涉仪上研磨平尺的检定扩展不确定度UL

长平晶工作长度(mm)

分段法测量段数

n

研磨平尺被测长度L(mm)

标准偏差

u c(F)L

μm

自由度

ν1(F)L

覆盖因子

K

扩展不

确定度

UL= Ku c(F)L

μm

180

2

180

0.0073

93.6

3.085

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0.023

2*

240

0.0093

187.4

3.065

0.029

3

270

0.0134

78

3.10

0.042

3*

300

0.0142

97.4

3.082

0.044

4

360

0.0258

69.9

3.11

0.080

4*

420

0.0272

75.4

3.105

0.084

5

450

0.0378

64.6

3.12

0.118

5*

510

0.0393

75.2

3.105

0.122

6

540

0.0560

61.9

3.13

0.175

270

2

270

0.0153

57.4

3.14

0.048

2*

300

0.0176

91.3

3.09

0.054

2*

360

0.0195

114.9

3.077

0.060

3

405

0.0296

51.9

3.16

0.094

3*

420

0.0307

59.8

3.13

0.096

3*

450

0.0311

62.7

3.124

0.097

3*

495

0.0326

74.5

3.105

0.101

3*

510

0.0367

107.2

3.078

0.113

4

540

0.0583

49.2

3.16

0.184

*最后一段不够一整段,分段数指完整段数。

   

但是也可以从给出的研磨平尺的扩展不确定度UL除以覆盖因子k即可。研磨平尺

的检定可以分为在等倾干涉装置和等倾干涉仪上检定,由于研磨平尺的长度不同其分段测量的段数也不同。在等倾干涉装置上检定各种长度研磨平尺的扩展不确定度见表2[4]。在等倾干涉仪上检定各种长度研磨平尺的扩展不确定度见表3。

 u1-2=UL/k   (k=3)

 

研磨平尺在等倾干涉装置上检定

对于175mm的0级刀口尺u1-2=0.011μm;

对于225mm的0级刀口尺u1-2=0.014μm;

对于400mm的0级刀口尺u1-2=0.038μm;

对于500mm的0级刀口尺u1-2=0.054μm;

研磨平尺在等倾干涉仪上检定

对于175mm的0级刀口尺u1-2=0.0077μm;

对于225mm的0级刀口尺u1-2=0.0097μm;

对于400mm的0级刀口尺u1-2=0.032μm;

对于500mm的0级刀口尺u1-2=0.041μm。

3.1.3  研磨平尺的变形引入的分量u1-3

 

研磨平尺检定时其直线度偏差就已经包含研磨平尺的自重变形在内,而刀口

尺的重量引起研磨平尺变形是可以略而不计的。因研磨平尺是钢制成的,有良好的导热性,由温差引起的变形也是可以略而不计的。所以u1-3=0。

3.1.4  研磨平尺表面粗度引入的分量u1-4

 

由于研磨平尺的表面是研磨表面,其表面粗度的划痕是凹形的,而其宽度有

限,故不影响光隙大小。所以u1-4=0。

    使用中的研磨平尺因为接触而产生的划痕过多时,使其表面的反光能力下降致使光隙大小受到影响,此时研磨平尺应该进行修理以提高其表面粗度。如何用一个定量指标确定是否需要修理,这是今后需要研究的课题。

 3.1.5  标准不确定度分量u1的合成

 

   u1= 0级刀口尺的检定及其不确定度评定 - 游戏智慧 - zct617的博客

    研磨平尺在等倾干涉装置上检定

对于175mm的0级刀口尺u1=0.045μm;

对于225mm的0级刀口尺u1=0.074μm;

对于400mm的0级刀口尺u1=0.122μm;

对于500mm的0级刀口尺u1=0.154μm;

研磨平尺在等倾干涉仪上检定

对于175mm的0级刀口尺u1=0.044μm;

对于225mm的0级刀口尺u1=0.073μm;

对于400mm的0级刀口尺u1=0.120μm;

对于500mm的0级刀口尺u1=0.150μm。

3.2由标准光隙或塞刀口尺的量块组引入的标准不确定度分量u2

 

由标准间隙形成的标准光隙的不确定度比塞量块的不确定度要多两个因素,故以其进行分析。u2由量块引入的标准不确定度分量u2-1、平晶平面度引入的分量u2-2和0级刀口尺在30mm上直线度引入的分量u2-3

3.2.1  量块引入的标准不确定度分量u2-1

 

所用量块是0级,它的最大允许制造偏差为±(0.10 +2×10-6l)μm,这是大批量生产,又是多家制造厂生产,所以其分布可按正态分布考虑。所用量块长度l=1mm,故其制造偏差为±0.102μm。覆盖因子k=3,0级量块尺寸偏差引起的标准不确定度uLK=0.102/3=0.034μm。而构成标准间隙尺寸的三块量块为A1、A2和A3,标准间隙尺寸A按下式计算:

A=(A1+A2)/2-A3

标准间隙尺寸的标准不确定度分量u2-1,可对上式进行全微分并作方、和、根处理 u2-1= 0级刀口尺的检定及其不确定度评定 - 游戏智慧 - zct617的博客uLK=0.0416μm

    对于1级量块,u2-1= 0级刀口尺的检定及其不确定度评定 - 游戏智慧 - zct617的博客uLK=0.0833μm。

3.2.2  平晶平面度引入的分量u2-2

 

60mm1级平晶的平面度最大允许偏差为0.03μm,在30mm上的平面度为(30/60)0级刀口尺的检定及其不确定度评定 - 游戏智慧 - zct617的博客×0.03=0.0075μm。对理想直线的偏差为±0.0038μm,按80mm1级平晶的平面度最大允许偏差为0.05μm,在30mm上的平面度为(30/80)0级刀口尺的检定及其不确定度评定 - 游戏智慧 - zct617的博客×0.03=0.0070μm。对理想直线的偏差为±0.0035μm。取其大者对理想直线的偏差为±0.0038μm进行分析,按均匀分布,覆盖因子k= 0级刀口尺的检定及其不确定度评定 - 游戏智慧 - zct617的博客

所以

u2-2=0.0038/k=0.00083μm 。

3.2.3  0级刀口尺在30mm上直线度引入的分量u2-3

 

因为构成标准光隙的0级刀口尺是选择在无光隙的2/3部分中的30mm一小段,其直线度小于0.1μm是没有问题的。对理想直线的最大偏差为±0.05μm,按均匀分布考虑k=0级刀口尺的检定及其不确定度评定 - 游戏智慧 - zct617的博客u2-3=0.05/k=0.0289μm 。

3.2.4  标准不确定度分量u2的合成

 

0级量块组成标准间隙:

u2= 0级刀口尺的检定及其不确定度评定 - 游戏智慧 - zct617的博客=0.0507μm

 

1级量块组成标准间隙:

u2= 0级刀口尺的检定及其不确定度评定 - 游戏智慧 - zct617的博客=0.088μm

 

3.3  合成标准不确定度uc及扩展不确定度U99.73

 

uc= 0级刀口尺的检定及其不确定度评定 - 游戏智慧 - zct617的博客  ;  U99.73=kuc    (k=3)。

对于175mm的0级刀口尺uc=0级刀口尺的检定及其不确定度评定 - 游戏智慧 - zct617的博客 =0.0678μm;

U99.73=3×0.0678=0.203μm。

175mm的0级刀口尺的要求为0.5μm,U99.73与被测量之比为0.4略大于1/3,小于1/2。因为这是顶级精度的比值小于1/2是可以接受的。

对于225mm的0级刀口尺uc= 0级刀口尺的检定及其不确定度评定 - 游戏智慧 - zct617的博客=0.089μm;

U99.73=3×0.089=0.27μm。

225mm的0级刀口尺的要求为1.0μm,U99.73与被测量之比为0.27小于1/3。因此是可以接受的。

对于400mm的0级刀口尺可以用1级量块组成标准间隙,其u2=0.088μm。所以                                   

uc= 0级刀口尺的检定及其不确定度评定 - 游戏智慧 - zct617的博客=0.150μm;

U99.73=3×0.15=0.45μm。

400mm的0级刀口尺的要求为1.5μm,U99.73与被测量之比为0.3小于1/3。因此是可以接受的。

对于500mm的0级刀口尺uc=0级刀口尺的检定及其不确定度评定 - 游戏智慧 - zct617的博客 =0.177μm。

U99.73=3×0.177=0.53μm。

500mm的0级刀口尺的要求为2.0μm,U99.73与被测量之比为0.266小于1/3。因此是可以接受的。

 

4. 结论

 

综上分析,四个规格0级刀口尺除了175mm外,其U99.73与被测量之比均小于1/3。而175mm的0级刀口尺的U99.73与被测量之比为0.406比1/3略大一点。按特高精度考虑0.406比0.5也是小了许多。而且这里覆盖系数k=3,而不是k=2。因而0级刀口尺的检定是可靠的。

 

参考文献

1.       张成悌、赵小萍 对JJG63-2007刀口形直尺取消0级的看法与建议.中国测试技术.2009,35.z1(6月):4~5

2. JJG63-2007刀口形直尺国家计量检定规程修订说明[s].北京:中国计量出版社,2007.

3. JJG63-2007刀口形直尺 (附录A刀口尺工作棱边直线度测量结果不确定度评定) [s].北京:中国计量出版社,2007.

4. 张成悌 在等倾干涉装置上检定研磨平尺不确定度的评定. 中国测试技术.2008,34. (3):27~30

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