激光干涉比长仪校准规范

1激光干涉比长仪校准规范1范围本规范适用于测量范围为(0～1000)mm的激光干涉比长仪的校准。2引用文件本规范引用了下列文件：JJG73—2005高等别线纹尺JJF1001—2011通用计量术语及定义JJF1059.1测量不确定度评定与表示JJF1094—2002测量仪器特性评定凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本规范；凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本规范。3术语和定义下列术语和定义适用于本规范。激光干涉比长仪能够有效测量的线纹尺最小刻线间隔。激光干涉比长仪是以激光波长为测长基准，直接测量线纹尺、线性位移传感器、激光干涉仪等线值类长度测量标准的仪器。激光干涉比长仪由机械主体、测长系统、瞄准系统、运动控制系统、照明系统、环境参量测量系统及数据处理系统等部分组成，典型结构如图1所示。测长系统包括稳频激光光源、干涉光路、波长修正系统等；瞄准系统采用光电显微镜或影像测头等进行刻线瞄准或读数。JJF1913—202125计量特性5.1工作台运动直线度5.2瞄准重复性5.3测量重复性5.4影像测头示值误差5.5示值误差6校准条件6.1通用校准条件在进行仪器校准之前,首先进行外观检查,确认仪器的主体完整及配套设备齐全,仪器的输出信号满足测量要求,并确认激光干涉比长仪的稳频激光光源和环境参量测量系统各传感器现行有效溯源证书。必要时按照仪器使用说明书规定执行仪器的启动和准备程序。确认最小线纹测量间隔,可采用如下方法:选用分度值为仪器标称最小线纹测量间隔的线纹尺(线纹尺不少于100个分度,分度均匀性不超过分度值的5%,校准扩展不确定度Ur≤0.2μm,k=3),按仪器测量线纹尺的方法进行测量,将测量结果与线纹尺参考值进行比较,其差值Δ满足|Δ|≤时,即可确认该线纹尺的分度值为仪器的最小线纹测量间隔,其中Uc为仪器的测量扩展不确定度。6.2环境条件校准环境条件满足被校准装置的使用要求。用于测量二等及以上高等别线纹尺的激光干涉比长仪的校准条件可参照表1。校准环境内无影响被校准装置正常工作的振动、噪声、气流扰动等因素。表1校准环境条件序号校准环境校准环境要求1尺两端温度允许差优于0.02℃2尺温对20℃允许差优于0.3℃3一次测量中尺温度变化优于±0.02℃4一次测量中测量轴线上空气温度变化优于±0.02℃5一次测量中气压变化优于±13.33Pa6.3校准用标准器推荐使用表2所列仪器,允许使用其他满足不确定度要求的标准器进行校准。JJF1913—20213表2校准项目及校准用标准器计量特性要求序号校准项目校准用标准器标准器计量特性要求1工作台运动直线度激光干涉仪、自准直仪等直线度测量最大允许误差:0.5μm/m2瞄准重复性标准线纹尺光电显微镜:一等或以上的标准金属线纹尺和标准玻璃线纹尺影像测头:U=0.2μm(k=3)3测量重复性标准线纹尺U99=0.1μm+1×10-7L4影像测头示值误差线纹尺U不大于1/4MPE5示值误差标准线纹尺标准金属线纹尺、标准玻璃线纹尺,至少一支覆盖激光干涉比长仪的测量范围U99=0.1μm+1×10-7L注:MPE为影像测头示值误差的最大允许误差。7校准项目和校准方法7.1工作台运动直线度将自准直仪或激光干涉仪的反射镜安装在移动工作台上,使其光轴与工作台移动方向一致,在装置工作台运动的行程内测量竖直与水平方向的直线度分别作为工作台竖直和水平方向的运动直线度校准结果。工作台运动方向的运动直线度竖直方向一般不超过2μm/m,水平方向一般不超过10μm/m。7.2瞄准重复性7.2.1动态瞄准重复性当激光干涉比长仪采用光电显微镜或影像测头进行动态瞄准时,需校准动态瞄准重复性。将标准线纹尺安装在工作台面上的任意位置,任取线纹尺一端的5个毫米线间隔,重复测量10次,记录测量值lij,按公式(1)计算样本合并标准差sp作为光电显微镜瞄准重复性的校准结果: sp=(lijli)2(1)式中:m—测量的线间隔数,m=5;n—每间隔的测量次数,n=10;li—第i间隔的平均测量值。复性。JJF1913—202147.2.2静态瞄准重复性当激光干涉比长仪采用影像测头进行静态瞄准时,需校准静态瞄准重复性。将标准线纹尺安装在工作台面上的任意位置,选取一个线间隔,利用影像测头直接1次。共选取5个线间隔,重复以上过程,记录测量值lij,按公式(2)计算样本合并标准差sp作为影像测头瞄准重复性的校准结果: sp=(lijli)2(2)式中:m—测量的线间隔数,m=5;n—每间隔的测量次数,n=3;li—第i间隔的平均测量值。复性。7.3测量重复性将标准线纹尺按照激光干涉比长仪操作要求安装于工作台上,对均匀分布于标准线纹尺全量程的10个刻线(包含标准线纹尺最大示值刻线)相对于零刻线的线间距进行4次重复测量。利用极差法计算上述10个线间距的实验标准差,以实验标准差的最大值作为测量重复性的校准结果。7.4影像测头示值误差影像测头示值误差仅适用于能在影像测头视场范围内可进行线间距测量的激光干涉比长仪。7.4.1测量方法选择线纹尺作为标准器,线纹尺分度值应满足在影像测头视场内至少有5个测量间隔。调整影像测头视场大小,使线纹尺的刻线处于视场内的测量位置,在工作台不做任何移动的情况下测量视场内刻线相对于“0”刻线的线纹间距。对各线间隔重复测量3次,以其平均值作为测量值。7.4.2测量位置及测量间隔测量位置:线纹尺摆放在工作台面上的任意位置,线纹间距沿影像测头视场内测量方向。测量间隔:在视场范围内取5个测量间隔,最大测量间隔应不小于视场测量范围的66%。7.4.3测量结果的处理将测量值与线纹尺的参考值进行比较,以其最大差值作为影像测头示值误差。JJF1913—202157.5示值误差7.5.1测量方法将标准线纹尺按照激光干涉比长仪操作要求安装于工作台上,测量各刻线相对于零刻线的线间距。测量时可按照激光干涉比长仪的操作要求进行温度修正。线纹尺零刻线在左端连续测量4次,调整方向,零刻线在右端再连续测量4次,取8次测量结果的平均值作为测量值。7.5.2测量位置及测量间隔测量位置:在工作台面上的任意位置。测量间隔:测量长度一般需要覆盖全量程,包括表3所示的测量间隔。表3测量间隔mm序号测量长度测量间隔12000~1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、20025000~1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、150、200、250、300、350、400、500310000~1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、600、700、800、900、10007.5.3测量结果的处理将测量值与标准线纹尺的参考值进行比较,其差值作为激光干涉比长仪的示值误差,即:式中:ΔLi=Lci-Lri(3)ΔLi—第i测量点的示值误差;Lci—第i测量点的被校激光干涉比长仪的测量值;Lri—第i测量点的标准器的参考值。8校准结果表达经校准的激光干涉比长仪出具校准证书,给出校准结果以及校准不确定度。9复校时间间隔在定期进行期间核查的条件下,建议复校时间间隔不超过3年。JJF1913—20216附录A激光干涉比长仪示值误差的测量不确定度评定示例A.1测量方法使用1m线纹基准尺校准激光干涉比长仪装置,按7.5.1方法测量。A.2测量模型式中:ΔL—式中:ΔL—示值误差;Lc—被校激光干涉比长仪的测量值;Lr—标准器的参考值。A.3灵敏系数依据测量模型,输入量Lc和Lr之间相互独立互不相关,由不确定度传播律得到:灵敏系数:A.4标准不确定度分量的评定c1=c2=1A.4.1标准器参考值的标准不确定度u(Lr)u灵敏系数:A.4标准不确定度分量的评定c1=c2=1A.4.1标准器参考值的标准不确定度u(Lr):10-7L,k=3。u(Lr)=0.067μmA.4.2激光干涉比长仪测量值的标准不确定度u(Lc)主要包括以下分量。A.4.2.1瞄准重复性引入的标准不确定度分量u1在短时间内重复性条件下,按7.2.1方法进行瞄准重复性测量,采用样本合并标准差sp作为瞄准重复性,经测量得到:A.4.2.2测温系统误差引入的标激光干涉比长仪带有温度自动测量及材料温度线膨胀系数修正系统,测温系统误差会给测量结果带来影响。测温系统最大示值误差为±0.01℃,服从均匀分布,由校准证书得到测温的扩展不确定度U=0.01℃,k=2,则温度测量的标准不确定度为:u(t)==0.008℃温系0.8×10-6℃-1,则当测量长度L=1m时,由测u2=L·α·u(t)=1m×0.8×10-6℃-1×0.008℃=0.006μmJJF1913—20217A.4.2.3环境温度波动引入的标准不确定度分量u3测量过程中线纹基准尺温度波动控制在±0.03℃内,服从均匀分布。线纹基准尺温度线膨胀系数α为(0.80±0.05)×10-6℃-1,激光干涉比长仪带有温度自动测量及修正系统,则当测量长度L=1m时,测量环境温度波动引入的标A.4.2.30.03℃/=8.7×10-4μm标准器安装符合激光干涉比长仪测量要求,该项误差可忽略,即u4≈0。激光干涉比长仪测量值的标准不确定度u(Lc)为:A.5不确定度分量汇c)==0.020μm当测量长度为1m时,不确定度分量汇总表见表A.1。表A.1不确定度分量汇总表不确定度分量u(xi)不确定度分量来源标准不确定度值u(xi)μmu(Lr)标准器参考值引入的分量u(Lr)0.067u(Lc)光电显微镜瞄准重复性引入的分量u10.019测温系统误差引入的分量u20.006环境温度波动引入的分量u38.7×10-4标准器安装误差引入的分量u40A.6合成标准不确定度表A.1中各分量互不相关,合成标准不确定度为:A.7扩展不u2(Lc)+cu2(Lr)=μm=0.07μm取包含因子k=2,则测量长度为1m时的扩展不确定度为:U=k×uc=2×0.07μm=0.14μmJJF1913—20218附录B校准证书内容及内页格式B.1校准证书至少包括以下信息:a)标题:“校准证书”;b)实验室名称及地址;c)进行校准的地点(如果与实验室的地址不同);d)证书的唯一性标识(如编号),每页及总页数的标识;e)客户的名称和地址;f)被校对象的描述和明确标识(生产厂家、型号规格及编号等);g)进行校准的日期;h)校准所依据的技术规范的标识,包括名称及代号;i)本次校准所用测量标准的溯源性及有效性说明;j)校准环境的描述:温湿度及气压的变化范围;k)校准结果及其测量不确定度的说明;l)对校准规范的偏离的说明;m)复校时间间隔的建议;n)校准证书签发人的签名、职务或等效标识;o)校准结果仅对被校对象有效的声明;p)未经实验室书面批准,不得部分复制证书的声明。B.2推荐的校准证书内页格式见表B.1。JJF1913—2021表B.1校准证书内页格式证书编号:校准所依据的技术规范(代号、名称)校准环境条件及地点:温度:湿度:地点:其他:校准使用的计量(基)标准装置或主要标准器名称测量范围不确定度/准确度等级/最大允许误差证书编号证书有效期至校准结果:1.工作台运动的直线度:水平方向μm;垂直方向μm。2.瞄准重复性