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        智能化量块比较仪原理溯源检定(全国量块班讲课稿修改版)

        日期:2008年5月6日 12:30

        智能化量块比较仪的原理 · 溯源 · 检定


          一、量块比较仪的发展过程
          一个国家或地区,必须通过绝对测量,得到最高标准量块(目前是二等)的长度值。而后,下级计量单位就可以用比较测量的方法,逐次逐等地对三等以下量块进行比较测量。在比较测量中,测量力引起的接触变形、量块的重力引起的尺寸变化等不利因素,几乎可以被全部抵消。环境温度对 20 ℃ 的偏离引起的不利因素可以被抵消 90% 。所以比较测量与绝对测量比,在实验室造价和使用维护成本方面有极大的差别。在测量仪器成本和测量速度方面也有极大的差别。所以 从测量成本和效率上说,比较测量比绝对测量有极大的优势。一个国家或地区,应该尽可能多地采用比较测量的方法检定量块。
          在微计算机技术普及之前,量块的比较测量工作主要采用光学仪器。 100mm 以下的量块,采用接触干涉仪或立式光学计。 100mm 以上的量块,采用测长机。这些仪器都是非智能化仪器。量块测量的数据量很大。测量每一个量块时,都需要处理名义尺寸、标准量块偏差、被测量块偏差、被测量块四角偏差等 7 个数据。所以一般每检一套量块都需要处理几百个数据。非智能化仪器需要人工记录和处理测量数据,还要人工查找标准数据和判等判级的表格,不但费工时,还很容易出错。上个世纪八十年代,微计算机技术开始在国内普及。智能化仪器开始快速在量块检定工作中推广。目前在国内的量块检定工作中,智能化仪器的使用率已经超过 50% 。
          二、智能化量块比较仪的原理
          智能化仪器是指数字计算机化的仪器。外界物理量的变化信息进入数字计算机,必须通过传感器。所以任何智能化测量仪器都必须通过传感器对测量对象采集数据。对于智能化量块比较仪来说,所用的传感器是位移传感器。在智能化量块比较仪的发展过程中,出现过采用多种不同型式位移传感器的设计方案。下面分别介绍。
          1 、电感式传感器
          量块比较测量的特点是比较距离极小,但精度要求极高。这确定了测微传感器在量块比较测量中的优势。电感式或电容式位移传感器属于测微传感器。
          电感式位移传感器的工作原理是,用被测位移带动电感器件中的导磁元件。这样电感器件的磁路中的空气部分的长度,就会随被测位移而变化。所以电感器件的电感值就会随被测位移发生变化。这个电感器件是连接在一个电路中的,电感值的变化导致电路输出的电信号变化。如图 1


          相关学科的研究早已经验证:电感器磁路中空气部分长度的变化,与电感值之间的函数是可微分的光滑曲线。所以电感式传感器从位移到电信号的转换函数,必定是可微分的光滑曲线。见图 4 。转换函数的光滑性,是纳米级传感器能否具有可行的溯源方法的关键。当传感器溯源所用的标准器不确定度值给定时(比如用二等量块),在转换函数曲线上相距较远的两个点上溯源定标,就可以使标准器的误差对被校准的函数曲线的斜率影响较小。在曲线相距较远的两点溯源定标后,当传感器满足转换函数曲线光滑这一条件时,如果在曲线上相距很近的两点上测量应用,曲线斜率带来的测量误差就可以随两个应用点的无限接近而无限缩小。其缩小的比率,约等于两个定标点与两个应用点之间的长度比值。在量块比较测量过程中,特别是在高等量块的比较测量中,传感器测量应用的两个点间的距离(标准量块和被测量块之间的长度差)极小。所以,在比较测量量块时,电感式传感器由溯源标准器带来的误差,可以比溯源标准器本身的不确定度小一两个数量级。
          检定一定等级的量块,较小量块的精度要求较高。但是一定等级的量块,较小量块的标准量块和被测量块之间的长度差也较小。比如,根据 JJG146-2003 ,对于 10mm 以下量块,用二等量块检三等量块时,标准和被测量块的长度差值不会大于 0.32μm 。假设我们选用的电感式传感器溯源定标点的距离是 20μm ,如果采用二等量块定标,则转换函数曲线的斜率误差不会超过 (0.05+0.05)/20=0.005 。即千分之五。实际上两个定标点对应的量块,同时出现正负极限误差的概率极小(两个 3σ 外概率之乘积)。根据概率统计,用二等量块在 20μm 的距离定标,绝大多数情况下可以得到小于 0.003 的斜率误差。即使以 0.005 的斜率误差计算,在检三等小量块时,由溯源定标斜率误差贡献的测量误差小于 0.005X0.32=0.0016μm 。由上例可以看出,采用电感传感器比较测量检定量块,传感器本身的溯源定标不但有可行性,而且没有任何困难。由上例还可以看出,当检定高等小尺寸量块时,传感器对量块比较对采样的精度(不包含标准量块的不确定度),几乎完全取决于传感器的示值变动性。而传感器的示值变动性又是极容易验证的。只需要对同一块量块多次采样即可。电感式传感器的示值变动性与其机械部件的制造精良程度和电气部件的稳定性有关。目前国内外都已经能达到几个纳米的水平。
          由于电感式传感器的上述特点与检定量块工作的特点吻合,所以长期以来,无论国内国外,被大量生产和广泛应用的智能化量块比较仪,无一例外都是采用电感式传感器。
          2 、激光传感器
          在量块比较测量的工作中,很多人都产生过这样的想法,就是用绝对测量或半绝对测量的方法完成三等以下量块的检定任务。他们的理由是如果不用或少用标准量块,就可以减少采样次数,就可以提高测量的速度。


          前几年德国 SIOS 公司在中国销售一种轻便的激光传感器。这种传感器的光源通过光纤传送,所以传感器十分轻便(如图 2 )。这种传感器在二十毫米的有效量程内,有 1 纳米的分辩力和几纳米的测量精度。这种激光传感器的面市,使很多人似乎看到了实现上述想法的希望。不久后,国内有两个单位的技术人员用 SIOS 公司的这款激光仪器展开了相关的实验和研究工作。但是几年后,长期的实验和研究已经证明,这种想法  是错误的。最主要的原因恰恰是测量速度问题。不用或少用标准量块,不但不能提高测量速度,而且使测量速度降低到了不能容忍的地步。情况是这样的,由于比较测量量块需要极高的测量精度,传感器对量块采样时,很少的灰尘和毛刺等因素产生的误差也是不能容忍。所以传感器对量块表面每一个点的采样,都需要多次接触,并且在多次接触之间需要抖动量块。如此多次采样并且获得相同或相近的采样值后,才可以确认采样的真实性。激光仪器接触部件的运动过程,与读值有关,所以在目前的技术条件下,运动速度有限。不用或少用标准量块的方案,必须使传感器的运动部件走过很长的距离(有时可达几十毫米)。所以每一次采样需要的时间比传统方案多了很多倍。对每块被测量块采样时,需要对被测量块表面的五个点采样(不用或少用标准量块只能节约标准量块上的一个采样点),每个点的采样又必须有多次,一般每套量块有近百块量块,这样每点采样时间的多倍延长,对测量效率的影响就是灾难性的了。除非是为了发生长度基准,这样的工时成本,使得这个方案不能在实际生产中获得应用。
          目前国内这两个单位的相关实验研究都停止了。
          3 、光栅传感器
          同样是基于少用或不用标准量块,可以在检三等以下量块的过程中节省时间的想法,国内外都有厂家生产过用光栅传感器的量块检定仪。如图 3 很多年以来,同样是由于与激光传感器类似的原因,采用光栅传感器的量块仪,不但没有提高测量速度,反而大大降低了测量速度。


          与激光传感器不同的是,用光栅传感器检三等量块,还存在精度不够的问题。
          我们在说明电感式传感器的原理时提到过,用磁路空气部分的长度变化形成的转换函数必定是光滑的。由此才能够用简单的方法解决纳米级溯源定标的问题。但是光栅传感器恰恰在这一点上与电感式传感器有根本的不同。从原理上讲,光栅传感器依靠其运动部件在运动过程中路过的刻线数目,得到位移值。这就从原理上决定了其转换函数的不光滑性质。按目前国内外相关技术已经达到的水平,刻线的不均匀程度和用于细分的正弦波失真的程度,导致在最好的光栅传感器的转换函数曲线上,也有幅值达几十纳米的抖动。这些抖动的分量,极为细密,且没有规律。所以用远距离定标点溯源的方法,不能对每个抖动波形区间内(这些区间是微米级长度)的曲线斜率进行溯源。见图 8
          目前国内外市场上可以买到的光栅传感器,标示精度最高者(国内以计量许可证标值为准)也不高于 40 到 50 纳米水平,主要原因即在于此。
          值得注意的是,目前高端光栅传感器产品的分辨力和示值变动性指标都已经达到了 1 纳米到几个纳米的水平。这也是很多人误认为高端光栅传感器可以用来检定高等级量块的原因。
          4 、电容式传感器
          电容式传感器与电感式传感器有很多类似的地方。但是目前遇到的主要的问题是易受干扰和量程太小。所以目前还没有看见推广应用。如果将来这些问题能得到解决,也有获得推广应用的可能。
          5 、接触干涉仪加 CCD 传感器
          曾经形成过一定的应用。但是由于量程小,精度有限,使用不便等原因,没有实现推广。
          三、智能化量块比较仪的溯源 --- 定标和校准
          1 、制造厂溯源
          位移传感器的输入量是位移的变化,输出量是电信号的变化。任何一个有使用价值的传感器,输入量与输出量之间都有一一对应的关系。由此我们把这个一一对应的关系称为传感器的转换函数。图 4 是某种用于量块仪的电感式位移传感器转换函数。电感式传感器输出的电信号可以采用电压、电流、频率等多种形式作为信息载体。光栅和激光传感器是用计数器累加计数的方式获得位移信息。所以读数头输出的瞬时信号值没有测量值的含意。对这类系统只能把计数器的瞬时值视为传感器的输出值。图 5 是某光栅传感器的转换函数。

          


          有些种类传感器在工作区间内的转换函数很接近直线。这类传感器就不一定需要在制造厂溯源,可以出厂后由用户溯源。有些传感器的转换函数是明显的曲线,如图 4 。这类传感器一般都需要在出厂前进行制造厂溯源。
          制造厂溯源一般称为“定标”,或称为“标定”。传感器的种类可以上百上千。但是任何传感器定标操作的实质都是一样的。这就是依靠溯源的源头 --- 输入量的基准或标准,使传感器依次输入多个已知数值的输入量。同时计算机依次记录传感器在对应点上的输出量。有些较精密的系统还需要计算机根据这组一一对应的数据,使用一定的数学模型,生成一段或多段可运算的数学曲线。计算机可以把它们首尾相接组成一条与传感器转换函数相似的模拟曲线。计算机存贮了这条模拟曲线后,用户在使用传感器时,只要输入量在传感器的量程内,计算机就可以依据传感器的输出量(采样时获得的),在这条曲线上计算出接近传感器输入量数值。这个数值可以被计算机作为仪器的显示,也可以进行存贮或计算之类的其它处理。
          如果我们把传感器的输入端视为测量系统的输入端,把计算机依据模拟曲线计算出来的数值作为输出端,这样得到的函数就是测量系统的转换函数。图 6 是用于量块仪的电感式位移测量系统的转换函数。测量系统的转换函数是一条与理论直线很接近的曲线。它与理论直线偏离的程度,就是测量仪器的系统误差。系统转换函数与理论直线的偏离,主要是由溯源定标时所用的标准的不确定度带来的。假设使用二等量块溯源定标,则极端情况下可能引入 0.1 μ m 的误差。注意图 6 中曲线对理论直线的偏离是人为夸大画出的。如果按比例画,则人的肉眼无法观察到偏离。


          在传感器的转换函数曲线上,不同点上的曲率常常是不同的。所以对于转换函数曲率较大的传感器,制造厂溯源需要在传感器量程内较多的点上进行。这意味着相邻的溯源点间的距离会较小(比测量块时的测量位移还是要大一二个数量级)。为了保证溯源斜率误差小于给定的期望值,制造厂溯源所使用的基准或标准就必须有足够小的不确定度(经过纵向轮比的二等量块,不确定度可以在 0.03 μ m 范围之内) ,相关的操作也需要有足够的精细和专业水平。这是之所以这类溯源有必要在制造厂完成的主要原因。
          2 、用户溯源
          用户拿到手的不是单一的传感器,而是包括传感器、计算机(现代数显箱就是一种计算机)、计算机内的模拟曲线等的测量系统。所以在一般情况下,用户可以不理会传感器的转换函数,而只面对系统的转换函数。
          以电感式量块比较仪为例,相关规程规定,在用户溯源之后,要求系统转换函数曲线上任意点的斜率误差小于千分之五。我们在前面叙述过,电感式位移传感器的工作原理涉及到电感器的电感值和相关电路。电感器所用的磁性材料及相关电路中某些元件的参数会随时间的延续而不断发生微小的变化。这些变化会导致传感器的转换函数不断发生细微的变化。相关数据表明,作为现代工业产品的电感式位移传感器,这些变化的速度,可以保证这些磁性材料和元件至少有数十年以上的使用寿命。但是这需要在使用寿命期间,定期对传感器进行用户检定和用户溯源。
          实践和理论分析表明,磁性材料和某些元件参数的微小变化,对传感器转换函数曲线形状特征的影响较小,但是对该曲线平均斜率的影响却比较明显,这意味着,对系统转换函数的直线度影响较小,对系统转换函数的平均斜率影响却比较明显。见图 7 中的“用户溯源前的系统函数”。


          由于系统转换函数在全量程内是一条很接近直线的曲线。所以用户可以对它在相距很远(接近全量程)的两个点上溯源。比如,制造厂溯源操作时,多溯源点中的两个相邻点间的距离一般是 20 μ m 。而用户溯源的两个点间的距离通常是 200 μ m 左右。在这样远的两个点间溯源,所用标准的不确定度对系统转换函数曲线斜率的影响,比制造厂溯源时缩小了一个数量级。所以在这样的距离上用户溯源,使用 4 等标准量块就可以充分胜任(当然,应该使用本单位最高等的量块)。另外,由于只需要对两个溯源点采样,所以用户溯源操作也十分方便快捷。一般在一分钟之内就可以完成。用户溯源操作一般是在计算机程序控制和引导下完成。首先要输入两个溯源点间的标准位移,(如果使用两块标准量块,则输入的标准位移就是两块标准量块的长度差。这个数据通常一年才更新一次,所以可以存贮在计算机内,不必每次校准前都输入),而后分别对两个标准量块采样。后面修正系统函数平均斜率的事情用户就不用操心了,计算机会自动完成。
          四、智能化量块比较仪的检定
          由于示值变动性和时漂的验证原理和操作都比较简单,且各类仪器都相同,所以下面只讨论对示值误差的验证。
          1 、描述长度测量仪器示值误差的表达式
          在人类的长期实践中,仪器的供需双方需要对仪器的精度有一个商务约定。所以需要一个简明有效的示值误差表达式。下面这个表达式,是古今中外无数供应商和用户在商务约定中所使用的。也早已经被实践证明是科学而简明有效的。
          ± ( δ+K × L )μ m --------- ( 1 )
          式( 1 )中:
          δ--- 与测量距离无关的误差
          K--- 与测量距离相关的误差的比例系数
          L--- 测量距离
          很多人把式( 1 )中的第一项看成是随机误差(示值变动性),把式中的第二项看成是系统误差。其实只有光滑函数的仪器如此。而非光滑函数的仪器不一定如此。
          比如,目前国内外高端光栅产品的示值变动性都已经达到了几纳米水平。但是这些产品的示值误差表达式中的第一项都在几十纳米以上。业内公知,这个误差是由细分波形的失真造成的。无论测量距离远近,这个误差都有可能出现。这个误差在测量系统转换函数曲线上的表现,就是前面所说的最大细部波纹的幅值。所以这一项,实际上是示值变动性与一部分系统误差之和。
          2 、检定所需要的试验级别
          仪器的检定的目的,是无漏洞地验证仪器可能出现的测量误差的范围。一种仪器,从发明到试制,从量产到提交用户,以及用户在使用过程中,在不同的阶段,检定所需要的试验级别是不同的。
          新发明或新设计的仪器,在试制完成后一定要验证仪器的原理及内部使用的数学模型是否正确。这就需要样机试验。量产后的出厂检验或用户验收检验,需要对仪器作全性能试验。其中包括对测量系统转换函数全程无漏洞验证。用户在使用中,就可以定期只针对仪器可能发生变化的参数作试验。
          3 、适用的检定规程
          采用不同型式传感器的智能化量块比较仪,对示值误差的检定方法有很大的不同。下面以电感式量块比较仪和光栅式量块比较仪为例加以说明。
          用户在实际应用仪器时,面对的是仪器的系统转换函数,所以对仪器检定时,也要针对仪器的系统转换函数。
          多点溯源的电感式量块比较仪的系统转换函数的特征如图 6 ,光栅式量块比较仪的系统转换函数的特征如图 8 。


          对比两个系统函数,可以看这是两种特性完全不同的测量系统。两者的特性也是互补的。一者的优点恰恰是另一者的缺点,反之亦然。显然,两者的检定操作,因此也有很大的差别。认为两者都用于检量块,就应该使用同一个检定规程的想法是错误的。
          由于智能化量块比较仪有多种传感器设计 , 所以应该把传感器与测量支架分开使用检定规程。这样就可以把量块仪中使用的各种不同的传感器,分别归类到现有的检定规程。比如电感、光栅、激光等测量系统,国家原来都有检定规程。新的测量精度水平,不能成为另立规程的理由。如有必要,可以对原有规程进行修改。
          智能化量块比较仪测量支架的检定规程,可以参考国内外有关产品另行制定。
          3 、光栅式量块比较仪示值误差的检定
          光栅测量系统在远距离位移测量中,有很大的优势。为了显示函数细部图形,图 8 只画出了 40 μ m 的区间。实际的光栅测量系统的量程在数毫米到数米之间,与电感式位移测量系统相比,前者的测量误差受被测量位移长度的影响较小。两种测量系统在这方面的指标有几个数量级之巨的差别。所以光栅传感器适用于测量较长的位移,它本质上不属于测微传感器。
          光栅测量系统的缺点在于其函数细部图形不好。目前国内外在技术上还只能对宏观曲线溯源校准,还不能对细部波纹上任意点的斜率溯源。所以对任何级别的光栅传感器的出厂检定,都需要验证全量程内最大细部波纹的幅值(目前国内外高端光栅产品此值一般为几十纳米量级),而后作为固有误差项放在仪器示值误差检定结果表达式中。要实现这一验证,可以使用比被检定光栅系统精度高的激光测量系统,与被检定的光栅系统直连运动,在全量程密集采样比对。舍此没有其它办法。
          前一时期,国内计量行业出现过套用电感式比较仪检定方法(配对法和少量点比对),检定纳米级光栅式量块比较仪的事情,甚至还要求法规化。这导致检定出现明显的验证漏洞,用户在应用中经常出现远远大于检定结果的误差。
          进行配对法操作时,对每一对标准量块采样时,必须由人员调整测量支架,以便使不同高度的标准量块对准受检区间的边缘。这个对准操作不可免地会有微米级的误差。这一点对于光滑函数的测量系统没有不良影响。但是对于非光滑的光栅系统来说,就可以使配对法验证在纳米层次失去意义。因为每一对标准量块的采样点落在细部波纹的峰或谷是随机事件。而配对法的数据处理对多个随机事件有平均消失的作用。对光栅系统作配对法实验,对验证纳米级示值误差没有意义。
          有实验数据已经说明了这一点。按配对法计算方法处理某光栅系统与多对量块的比对数据后,得出了误差很小的假象。但是把每一对标准量块的读值与该光栅系统的读值直接比对后可以发现,其比对差远大于所用标准量块的不确定度值。这些差值显然是该光栅系统的误差。
          事实上国家现有的光栅检定规程已经规定只能用与激光系统直接比对的方法检定光栅系统。以“纳米级”为理由,就套用光滑函数仪器的检定规程,明显是很错误的。
          光栅传感器的转换函数与固体上的刻线有关。所以有很好的时间稳定性。只要出厂检定时验证过最大细部波纹的幅值,用户的周期检定可以采用少数点直接比对的方法。
          4 、电感式量块比较仪示值误差的检定
          看图 6 和图 7 ,表面上看,曲线偏离理论直线的波动情况没有规律,但是我们通过了解传感器转换函数和制造厂溯源的过程,可以发现其中的规律:这些偏离都与溯源点的误差有关。之所以看起来没有规律,是因为溯源所用的标准量块的误差没有规律。了解这个规律,对于我们用最简捷的方法无漏洞验证系统的误差范围是很重要的。
          如前所述,传感器函数是光滑曲线,而且制造厂溯源点最小间距已知,计算机采用多段二次曲线近似模拟传感器函数。理论上可以证明,根据上述条件,只要检定时比对的点数不少于制造厂溯源点数,就可以实现无漏洞验证。多次相关的样机试验和长期工业化应用构成的验证,也充分证明了这一点。
          顺便提一下,作为样机试验,就必须验证二次曲线模拟原理,所以必须在制造厂溯源点间距一半的长度验证示值误差。因为二次曲线对传感器函数曲线模拟的最大误差,必定出现在两个相邻溯源点的中点。
          以能满足检三等量块的电感式量块比较仪为例,制造厂溯源点最小间距是 20 μ m 。所以检定示值误差时,只要以 20 μ m 为间隔分布比对点,就可以实现无漏洞验证。根据相关规程规定的千分之五的允许斜率误差,在 20 μ m 区间由斜率误差引起的示值误差应小于 0.1 μ m 。如果采用纵向轮比过的二等量块作为检定标准,则可以不使用配对法而直接比对。在直接比对中,如果发现某区间出现边缘情况,则可以在该区间用配对法提高实验精度裁决。这样可以大大提高检定工作的效率。
          传统的量块比较仪(接触干涉仪)检定,需要进行 2 μ m 配对法操作。对于电感式量块比较仪来说,经过前述验证之后, 2 μ m 配对法操作可以放在有效量程内的任意区段内进行。
          需要注意的是,由于智能化量块比较仪的量程远大于传统的接触干涉仪,加上制造厂采用多点溯源,所以仅进行 2 μ m 配对 法不能实现无漏洞验证。
          工厂溯源后,模拟曲线就以定标数据的形式,永久存贮在计算机中,测量系统据此就有了一条系统函数曲线。如图 7 ,在使用寿命期间内,系统函数曲线的平均斜率会较大的变化,但曲线的形状基本保持不变。所以从理论上说,用户检定只需要在接近量程两端的两个点和中点的地方与标准位移比对,就可以在全量程实现无漏洞验证。
          5 、配对法实验数据的处理和评价
          对于光滑函数的仪器,可以直接把示值变动性值代入示值误差表达式中的常数项:
          ± ( 3 σ +K × L )μ m ------ ( 2 )
          式中:
          3 σ ---- 仪器的示值变动性
          作为检定规程,则必须给出,把实验数据代入这个表达式后,这个表达式的值范围。
          上式中示值变动性项的检定比较容易,只需要对单值多次采样后示方差即可。
          当两个受检点距离很近时,量块比较仪的精度高于或接近二等量块的不确定度,显然,这时不能用直接比对实验检定量块比较仪的示值误差的斜率项。所以需要采用配对法提高实验精度。
          现在的问题是,如何评价配对法实验结果数据?
          看一看国内原有的很多有关的检定规程,比如新旧接触干涉仪的规程和新旧电感测微仪的规程,都是直接把配对法结果数据与表达式( 2 )比较。这样处理有两个缺陷:第一没有考虑到配对法数据处理对随机事件的平均消失作用。第二没有考虑所用标准不确定度的剩余量。第一个缺陷,使检定偏宽,因为配对法的数据处理已经消失掉了绝大部分随机误差,而表达式( 2 )的值却包含有全部的随机误差。第二个缺陷使检定偏严,因为标准量块的不确定度剩余量明明是存在的,而表达式( 2 )中并没有包含它。这两个缺陷的作用能互相抵消一部分,所以才会长时间以来人们没有注意到它。但是在较多的情况下,它会使检定严重偏宽。因为一般精度的量块比较仪,示值变动性值在 30 纳米左右。而这个值远大于二等量块不确定度的剩余量。
          解决这个问题有一定的困难。因为要确定这两个缺陷涉及的值究竟有多大,需要有很多更精确的比对实验为依据。在有这些更精确的实验之前,只能根据过去已有的大量配对法实验数据和配对法数据处理的原理和数理统计计算,估计这两个缺陷各自涉及的数值。被配对法的数据处理消失掉的随机误差大约是传感器示值变动性实际值的五分之四,所以配对法实验结果数据中只包含有大约五分之一示值变动性数值,包含的标准量块不确定度剩余量大约是量块不确定度的九分之二。这样粗略地估计这两个缺陷涉及的数值好象很不科学,但是想一想过去完全无视这两个缺陷的存在,粗略的估计也是必要的。
          以 30 纳米级的量块比较仪为例,要求其示值变动性为 30 纳米,斜率误差系数为千分之五,配对距离为 2 μ m 代入表达式( 2 )后,表达式( 2 )的值是 0.04 μ m 。如果按现有的检定规程,作 2 μ m 配对法实验后数据处理结果小于 0.04 μ m 即可判合格。但是我们过去积累的大量配对法数据中,这类的配对法实验结果数据都在 0.01 μ m 左右。如果考虑到上述的两个缺陷所涉及的数值,并使用上述估计值,则这个 2 μ m 配对法实验结果数据中,最多只可能包含五分之一的示值变动性值和九分之二的量块不确定度值。加上允许的斜率误差,配对法结果数据应该小于:
          0.03/5+2*0.005+2/9 ×(0.03+0.03)=0.029 μ m
          6 、量块比较仪主工作台的检定
          在这里仅说一下目前国内检定量块比较仪工作台工作中普遍存在的问题。
          目前国内使用的智能化量块比较仪有些是在原来接触干涉仪支架上改装的。早期改装的这类仪器,都没有更换量块主工作台。接触干涉仪的主工作台与钢量块同材质同硬度。所以磨损周期较短。有研磨维修能力的单位,可以定期研磨修复。哈量和成量一般一年或半年就要研磨一次。但是国内大多数地方和军工计量所没有能力修复,以至于主工作台几十年如一日带病工作。而且每年对量块比较仪的周期检定,干脆也不把主工作台包括在内。只检定传感器不检定工作台已经是量块仪检定工作中的很普遍的现象。有一个工厂,主工作台损坏的程度,已经使检定量块仪的上级计量人员无法进行配对法操作。该计量人员就垫上了三珠工作台,完成了配对法操作,而后对量块仪出具了合格证书。
          主工作台的过量磨损,对量块比较仪的测量精度影响极大。尤其对量块变动性的测量精度有更大的破坏作用。下面介绍一个简单的方法,用户可以快速检定主工作台的磨损情况。用传感器触头压住量块一个角,打稳置零后,把量块水平旋转 180 度。观察读值的变化。如果变化超过 0.03 μ m, 则说明主工作台已经需要修理了。目前很多单位的量块仪主工作台作这类实验,变化超过 0.1 μ m 。
          目前国内有一个生产陶瓷量块的单位生产氧化锆陶瓷主工作台。这种主工作台可以使磨损周期大大延长。而且磨损后可以为用户提供维修服务。建议在国内推广应用。
          按接触干涉仪检定规程,量块主工作台有球筋与带筋两种。分别用来测量2mm以下小量块和大量块。规程规定球筋工作台球筋的高出度为 2-3 μ m 。带筋工作台的带筋高出度为 0.3-0.6 μ m 。近年来某量块工厂采用折中方案。把球筋工作台高出度调到 1 μ m 左右。检定大小量块的效果都很好。对于少数严重弯曲的小量块,仪器会出现打不稳的情况,这正好可以发现弯曲的问题。对这类量块翻面测量可以解决问题。我们建议,在更新量块仪测量支架的检定规程时,可以考虑这一成果。
          目前国外的量块仪都是双测头结构。量块长度的定义,也是量块两端中点间的距离。目前我国生产的量块仪都是单测头结构,所以推广球筋降低高出度的方案,很有意义。
          五、量块比较仪实验室建设
          1 、实验室建筑的绝热性能
          量块实验室不应该有外墙,更不能有外窗。而且实验室的四壁、地板、天花板都应该作绝热处理,以提高绝热性能。目前国内量块比较测量实验室极少有做绝热处理的。作绝热处理的成本不高,而是否作绝热处理,能源消耗可以有数倍之巨的差别。值得注意的是,目前在国内很多单位,特别是航空航天等军工单位,量块实验室既有外墙也有外窗。
          2 、空调机的选用
          国内早期建设的量块实验室,都采用中央空调系统。温度控制比较稳定,还可以在工作中实现一定的通风。但是中央空调系统耗能极高,所以目前国内绝大多数使用中央空调系统的实验室,下班后停止供风。这样中央空调温度稳定的优点实际上已经不存在了。表面上看,每天上班通风后很短的时间内,室温就可以稳定在 20 ℃ 。但是这意义不大。空气的热容值极小,室温可以快速稳定在 20 ℃ 。但是各种仪器的支架,一般由质量很大的金属或石材制成。这些物质与空气比,热容值要大几个数量级。所以空气达到所需温度后,仪器的支架却在十几个小时的长时间中也不能达到相同的温度。这样在整个的工作时间内,仪器支架的温度始终处于变化之中。大量实验数据表明,在这样的环境下,仪器支架的漂移,已经远远大于传感器本身的漂移。如果使用智能化测长机,可以看见在整个上班时间内,仪器一直在快速漂移。
          前几年国内流行“非典”,中央空调的一个重要弊病显露出来。这就是中央空调对工作人员的健康有严重的影响。按目前的技术,中央空调的管道无法清理和消毒。而且多室通风本身就构成了流感等多种疾病的快速传播通道。
          还有一个问题,在一个计量单位中,多数实验室的温控要求,远远低于量块实验室的温控要求。所以按量块实验室的温控要求, 24 小时为所有实验室供风,这本身也是极大的浪费。
          过去之所以量块实验室都采用中央空调,主要也是因为除此之外没有其它适用的空调系统。过去的家用空调全都是用交替启停的方式调节温度。由于电机启动时有数倍的电流,所以这类空调机不能启停过于频繁,否则电网无法承受。这一点决定了这类空调机在运行中,不断制造幅值很大的温度波动。所以这类空调机根本不适用于量块实验室。
          上世纪九十年代中期,出现了变频家用空调技术和产品。这个产品虽然不是为计量实验室设计的,但是其性能已经可以满足量块比较测量实验室的要求(需要人工参与温度调节)。这类空调机最重要的性能是通过调整压缩机的转速,调节致冷或致热的功率。有些产品的功率调节率已经达到一比十。这类空调机由温度传感器和专用电脑组成自动温度控制系统。计算机在开机初始阶段,可以通过多次改变转速,得到实验室透热功率的数值。而后使转速恒定,使致实验室获得稳定的室温。
          由于这类空调机不是专门为实验室设计,所以温控系统的分辨力较低,分辩力是 1 ℃ 。所以光依靠自动控制,不能充分满足要求。但通过人工参与控制,可以充分满足量块比较测量实验室的要求。
          不知什么原因,国内军工企业,多数都采用家用柜式空调机。这种情况必须尽快得到改变。
          实验室的通风方案有两种,极短时间内大流量换气的方案和小流量不间断填加新鲜空气方案。在节能和卫生方面,前一个方案比后一个方案优越很多。原因如下,由于空气热容值极小,而且在极短时间内,实验室内的大质量固体(四壁、天花板、地板、仪器基座等)与新鲜空气交换的热量也极少。所以极短时间内彻底更新实验室内空气,换气涉及的热量交换极小,换气对实验室内大质量物体的温度影响也很小。换气后在短时间内,室内空气温度变化很大,空气温度几乎等于新鲜空气的温度。但是由于空气的热容值极小,实验证明,这时空调机可以在很短的时间内使空气温度回复到设定温度。

          参考文献:
          1 、《机械测量用传感器的设计》傅烈堂 等译 (苏) Е . Л。ОСАДЧЕГО 编著
          中国计量出版社出版 1984 年 7 月第一版
          2 、《微计算机化设计原理》 颜超 等译 (美) John B. Peatman 编著
          科学出版社出版 1984 年 9 月第一版
          3 、《数显电感式比较仪》 JJG804-93
          4 、《电感测微仪》 JJG396-2002
          5 、《接触式干涉仪》 JJG101-81
          6 、《电容式测微仪》 JJG570-88
          7 、《光栅线位移测量装置》 JJG341-94
          8 、《激光干涉比长仪》 JJG331-94
          9 《立式激光测长仪》 JJG764-92

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