三等金属线纹尺测量误差因素的探讨

三等金属线纹尺测量误差因素的探讨

姚晓农

江苏省计量科学研究院 江苏 南京210000

摘要：三等金属线纹尺主要用于检定水准标尺、钢直尺以及准确度较低的线纹尺。目前，使用中的线纹尺多由黄铜、锌白铜、不锈钢等材料制成。

关键词：三等金属线纹尺 激光干涉法 比较检定

0、引言

在传统检定中，多采用与二等金属线纹尺进行比较的测量方法。随着科技的发展，激光越来越多地被应用在线纹尺的检定中。根据标准器选取和测量方式的不同，线纹尺的检定方法可分为两种形式：以激光干涉仪直接检定和以二等金属线纹尺比较检定，直接检定是以激光波长作为标准；比较检定是以实物量具即二等金属线纹尺作为标准。直接检定由于其激光的光路必须与测量方向重合，因此只有一种安装方式。而在比较检定中，则可分为串联纵动式和并联纵动式两种，其中串联纵动式由于标准器与线纹尺刻度中心线的延长线重合。由导轨直线度误差引起的测量误差是二阶误差，因此，可以获得精确的测量结果，符合阿贝原则。

由于线纹尺的检定对环境的要求较高、检定过程繁琐、数据处理相对复杂。此外，还由于材料及运输因素，在周期检定中每年的数据都有差异，根据几年来的工作心得，下面分别对采用两种不同标准器对三等金属线纹尺进行检定的影响进行分析，并指出在检定工作中应注意的事项。

一、线纹尺的比较检定

误差的主要来源有：（1）标准尺的检定误差；（2）显微镜的对准误差及调整误差；（3）线纹尺的安装误差；（4）标准尺与被检尺温度的测量误差；（5）线纹尺材料线膨胀系数的测量误差等。

在上述误差主要来源中，两尺温度的测量误差是各种误差因素中最为显著的，尤其是在线纹尺的温度膨胀系数较大的情况下，若温度测量稍不准确，就会带来较大的测量误差。

在采用比较法检定线纹尺时，如标准尺的温度为20.4℃，线膨胀系数为10.8×10-6℃-1，被检尺的温度为20.4℃，线膨胀系数为16.6×10-6℃-1，则相对于20℃时标准尺会增加4.32μm，被检尺会增加9.96μm，可以通过计算消除这部分误差，但如果使用的贴附式温度计的不确定度为0.1℃，则会产生5.8μm的测量误差。

在其他因素中，比如导轨直线度，如果在工作台移动过程中在垂直内产生2″的倾斜，在水平方向产生5″倾斜，两读数显微镜的视轴距离为1100mm，则由此产生的测量误差仅为0.4μm。可见相对于温度比较，其对测量结果影响很小。

二、线纹尺的激光干涉法检定

误差来源主要有：（1）激光波长的检定误差及稳频误差；（2）测量折射率的误差；（3）测量线纹尺温度的误差；（4）线纹尺的材料线膨胀系数误差。

在激光干涉法检定线纹尺时，实际上测得的是被测长度和所测波长的比值，由于激光给定的波长都是真空中的波长。

因此，在检定时需要将真空中的波长换算为实际工作状态下的波长，得到在测量状态下的空气折射率。空气折射率与气压、温度、湿度以及大气成分有关，并且不同波长的激光在空气中的折射率也不一样，经过计算得到：

测量长度为1m时：

温度Δt=0.1℃，ΔLt≈92nm

气压Δp=1Pa，ΔLp≈3nm

湿度Δf=1Pa，ΔLf≈0.4nm

此外，由于材质以及本身结构的原因，线纹尺在送检及运输过程中极易变形，从而产生误差，虽然其为二次误差，对测量结果影响不大，但由于三等金属线纹尺的尺底平面度在测量过程中引起的刻线影像模糊，从而在主观上产生的测量误差也是在检定工作中值得注意的问题。

三、结束语

通过以上分析，可以得出以下结论，无论是采用干涉仪绝对测量还是二等标准金属线纹尺比较测量，环境温度稳定和准确是保证测量结果可靠最重要的因素，而温度对其测量结果影响的大小，又取决于线纹尺材料的膨胀系数。

参考文献

【1】JJG71一1991（（3等标准金属线纹尺检定规程》.北京：中国计黄出版社，1991

【2】JJF1059一1999《测t不确定度的评定与表示》.北京：中国计量出版社，1999

【3】刘智敏，刘风.《现代不确定度方法与应用》.北京：中国计量出版社， 1997

【4】李慎安.《测量结果不确定度的估计与表达》.北京：中国计量出版社，1997

【5】李慎安.《测量不确定度表达百问》.北京：中国计量出版社，2001

【6】上海市计量测试技术研究院.《常用测量不确定度评定方法及应用实例》。北京：中国计量出版社，2001