尺寸计量校准技术浅析

摘要：随着科技不断发展，传统尺寸计量方法不能满足当今工业生产需求。本文对于简要分析了当今世界的尺寸计量校准方法，详细分析了大尺寸计量校准技术，并介绍了激光跟踪测量校准技术、万能测长机校准基准量块尺寸和校准件端口尺寸测量分析。

关键字：尺寸计量；校准技术；测量方法

1. 简介

尺寸计量所可分为角度测量和长度测量，可以用光学对准、经纬仪测角、采用自准直和光电探测技术进行小角度测量，钢卷尺、基线尺测距、激光干涉仪测距、基于相干光和发射时间原理的绝对测距。

从几何量计量的角度看，对于两米以下直至微米量级的计量器具己有比较完整的计量标准及检定规程，但对于长到几十米的大尺寸却没有统一的计量手段和标准。

目前，尺寸测量校准方法多种多样。武立群等，利用直接测量法校准、检定大于100mm量块，通过设计校准、检定记录表格，利用Excel的计算功能实现量块的数据处理。该方法使用方便，测量速度快，节约了购置标准量块的费用。

2. 大尺寸校准技术

对尺寸计量来说，校准装置的尺寸越大，对于长直导轨的设计要求越高，拼接环节少、直线度高、导轨的稳定性好等，精度越难保证。激光干涉仪配合相应的光学组件可以完成角度、直线度的测量。目前，通常采用标准双频激光干涉仪实现高精度长度测量，但必须解决阿贝误差问题，否则无法提高测量精度。

大尺寸坐标测量系统有激光跟踪仪、激光雷达扫描仪、3D扫描仪和经纬仪系统等，通过这些仪器可以快速、准确、高效地完成定位、放样、检查和校准等测量任务。一些国家级的计量机构建立几十米长的实验室校准装置，采用比较法检查干涉仪的测量不确定度是否满足预期的指标要求；德国、美国、英国、日本等测量权威机构对大型坐标测量机的基准和误差评定问题作了大量的研究工作，在原有的中、小型三坐标测量机校准方法的基础上还提出了一些新方法。例如，采用激光干涉仪解决三坐标单轴参数校准，配合水平仪、直角尺等标定三轴之间的位置关系；利用在实验室校准过的标准样件，如量块、步距规、球板、孔板等来评定三坐标测量机；采用非校准的标准件，通过在工作空间内多个安置位置多次测量，配合相应的分析方法，确定仪器的工作状态等。

3. 激光跟踪测量校准技术

激光跟踪测量系统具有测量精度高，实时快速动态测量、便于移动等优点，在航空航天、汽车制造、电子工业、高能粒子加速器工程以及大尺寸计量等行业中应用广泛。

激光跟踪仪是一种移动式高精度空间坐标测量仪器，采用球坐标，即空间点的敏感单元，由两个测角单元和一个测距单元组成。其最大特点就是可以自动跟踪目标反射镜，实现高精度快速测量，而且操作简单，准备工作少，额可以进行自动跟踪测量。

李广云等分析讨论了LTD 5 00激光跟踪测量系统的原理、基准距离校准方法以及精度。激光跟踪仪的测量精度取决于它的角度和距离测量精度，且干涉法测距，其精度主要受到温度和气压测量精度及大气条件均匀性的影响。

基准距离的校准精度是激光跟踪仪的一个重要参数，会直接影响到IFM 甚至ADM 的测距精度。基准距离校准误差将成为仪器距离测量的系统误差，在做校准时，为了获得最高精度的校准结果，应特别注意校准场地、条件及校准方法。

4. 万能测长机校准基准量块尺寸

量块是由两个相互平行的测量面之间距离来确定其工作长度的高精度量具，其长度为计量器具的长度标准。计量领域所说的量块尺寸即为量块的中心长度，它不是通过直接测量得到，而是通过上一级量块的中心长度偏差与被测量块的测值计算出被测量块的中心长度偏差。万能测长机带有测量轴，采用光栅测量系统，严格按照阿贝测量原理即被测件与测量元件“共线”设计而成，这样的系统通过程序控制软件使量块的校准可以由直接测量得到，减少测量过程中的累积误差，保证了高精度的测量结果。

量块中心长度的准确校准是尺寸能否精确传递的关键。通过万能测长机的光栅测量系统，利用其高精度的特点，配合其温度补偿，测力可调等功能对量块进行校准，可以保证校准结果的准确性从而使尺寸精确传递，提高了工作效率并为公司节省了开支。

5. 校准件端口尺寸测量分析

校准件的端口尺寸是指其内导体突出或缩入匹配参考端面的距离。其内导体与匹配端面过于突出，会造成与之相连接的端口的损伤；内导体过于缩入则产生不必要的空气间隙，影响电性能指标。因此，在装配校准件时需要就端口尺寸进行测量，以保证校准件的质量水平和一致性。

在校准件端口尺寸的实际测量中，需要进行相应的测量不确定度的评定。影响其测量不确定度的因素有：端口表的测量重复性，校准塞规的精度，端口表的校准精度和端口表读数的分散性。不确定度反映了对被测量“真值”认识的不足，是与测量结果相关联的、决定了测量结果的使用价值、合理表征测量质量的一个重要指标，表征合理地赋予被测量分散性的参数。一般来说，测量不确定度小，测量的误差肯定小；测量不确定度大，则测量误差或大或小、不能准确知道。

参考文献：

[1] 李广云，陈继华.LTD500激光跟踪测量系统基准距离校准方法及精度分析.中国学术期刊电子出版社，2012.

[2] 武立群.尺寸大于100mm量块的校准/检定方法及数据处理.计量与测试技术，2007.

[3] 刘 岩，吴艳玲，杨丽.万能测长机在基准量块尺寸校准中的应用.哈尔滨轴承，2011.

[5] 刘宏.校准件端口尺寸测量方法及不确定度分析.认证与实验室，2010.

[6] 张剑宇.大尺寸测量校准技术分析.应用科技，2010.