水准仪中高精度光学测微器的性能评定

水准仪中高精度光学测微器的性能评定

测微器是主要的光学测量和计算机仪。它使测量更直接、更准确。新的国家计量检定规程对其性能进行了严格的技术要求,下面针对水准仪中高精度光学测微器(单平板测微和单光楔测微)进行探讨。1基本工作原则1.1移动量y的测量光线以一定的入射角α通过平板玻璃后,光线会产生平行移动量Z,或平板玻璃旋转α角时,光线也会产生平行移动量Z(如图1所示),即Ζ=d{1-[cosα/(n2-sin2α)]1/2}sinαZ=d{1−[cosα/(n2−sin2α)]1/2}sinα一般采用正切机构有效地补偿平板玻璃的非线性误差,故光线移动量Z的简化公式为:当转动平板玻璃,读出其转角α,即可实现测微。平板玻璃的旋转由齿条机构来带动,齿条由装在测微手轮同一轴上的齿轮来带动,其工作原理如图2所示。当平板玻璃旋转α角时,则有tanα=l/R,其中l为齿条移动量,R为平板玻璃旋转轴至齿条的距离,即l=(πr/180)θ。式中,r为齿轮的半径,θ为齿轮转角即测微轮转角。故当平板玻璃旋转α角时,光线移动量则为:Ζ=d[(n-1)/n]tanα-d[(n-1)/n](πr/180R)θZ=d[(n−1)/n]tanα−d[(n−1)/n](πr/180R)θ可以看出,Z∝θ,故允许平板玻璃对望远镜视轴有较大倾角时,仍满足误差要求。1.2光锚旋旋角的光学性能在调焦至无穷远的情况下,当光楔旋转一定角度时,光线将产生相对的偏移量,其工作原理如图3所示。当光楔旋旋β角时,光线偏移α角,投影到x轴和y轴,则产生偏移分量αx和αy。一般观测上下移动量,有αy=|→α|sinβ=(n-1)Asinβαy=|α⃗|sinβ=(n−1)Asinβ式中,n为光楔折射率,A为光楔楔角,可以看出αy∝A,因此在设计中无原理误差。2仪器检定和数据处理按规程JJG960-2001要求,测微器主要用于检定调焦运行误差时,必须进行示值误差的检定,其中一级测微器示值误差小于等于0.15mm。对正调焦仪器(如DS系列和DSZ系列),按规程JJG960—2001要求进行检定和数据处理。对负调焦仪器(如JSJ系列检验仪)采取如下方法:可用2～3台同等级正调焦仪器的测微器先进行互比,再以其为标准,检定负调焦仪器测微器;也可用更高等级的测微器直接检定。少数高精度仪器(如JSJ系列检验仪)还包括光楔测微器,可以精度高于此光楔测微器的光电自准直仪作为标准仪器,将JSJ系列检验仪调焦至无穷远,按规程JJG960—2001要求进行检定和数据处理。3误差分析3.1平板测量微装置1up.zma平板测微器因采用正切机构而产生原理误差。已知仪器d=26mm,n=1.5163,最大角α=29.457°,则ΔΖmax=|d[(n-1)/n]tanαmax-d[1-cosαmax/(n2-sin2αmax)1/2]sinαmax|=0.024mmΔZmax=|d[(n−1)/n]tanαmax−d[1−cosαmax/(n2−sin2αmax)1/2]sinαmax|=0.024mm在实际中,通过校正行差,使得ΔΖmax=0.024×40%=0.01mm=10μmΔZmax=0.024×40%=0.01mm=10μm即m1=10μm。2齿轮齿条间间隙误差的分析主要有平板玻璃的加工误差、齿轮齿条的啮合间隙误差以及齿条上的连接头与平板玻璃连接槽之间的间隙误差。a.平板玻璃的加工误差m21,又分为:①平板玻璃的平行差θ,当θ<1″时对光线偏移量的影响可忽略不记。②平板玻璃的最小焦距,当表面光圈N≤0.1时对光线的偏移量没有影响。③平板玻璃的厚度差Δd对光线偏移量的影响。已知Δd≤0.02mm,n=1.5163,取α角最大值为29.457°,变换系数取Κ=√3K=3√(以下K均取此值),则有m21=ΔΖ/Κ=Δd[(n-1)/(Κn)]tanα=0.02×[(1.5163-1)/(√3×1.5163)]tan29.457=2μmm21=ΔZ/K=Δd[(n−1)/(Kn)]tanα=0.02×[(1.5163−1)/(3√×1.5163)]tan29.457=2μmb.齿轮齿条的啮合间隙误差m22。由于采用了弹性机构,啮合间隙在0.5′～3′之间,已知测微手轮的最小刻线间隔为100′,最小刻度单位为0.05mm,则m22=3/100×0.05×1/Κ=1μmm22=3/100×0.05×1/K=1μmc.齿条上的连接头与平板玻璃连接槽之间的间隙误差m23。配合间隙产生转角误差为±Δα,已知最大配合间隙Δ=0.009mm,到转动轴的距离r′=19mm,则m23=ΔΖ/Κ=1/√3×d[(n-1)/n]tan2Δα=1/√3×[26×(1.5163-1)/1.5163]tan2×(360×0.009/(2π×19)=5μmm23=ΔZ/K=1/3√×d[(n−1)/n]tan2Δα=1/3√×[26×(1.5163−1)/1.5163]tan2×(360×0.009/(2π×19)=5μm由此,可得加工的中误差:m2=(22+12+52)1/2=6μmm2=(22+12+52)1/2=6μm3仪器参数估读误差a.瞄准误差m31。已知Ni002测微器望远镜放大率V=42,Pγ″=15″,则m31=±β/Κ=±Ρ´γ×5×103/(ΚVρ″)=±(15″×5×103)/(√3×42×206265″)=5μmm31=±β/K=±P′γ×5×103/(KVρ′′)=±(15′′×5×103)/(3√×42×206265′′)=5μmb.JSJ检验仪平板测微器估读误差m32。已知最小刻度τ=0.05mm,则m32=τ/5Κ=0.05/5√3=6μmm32=τ/5K=0.05/53√=6μmc.Ni002测微器估读误差m33。已知最小刻度τ=0.05mm,则m33=6μm,由此,可得人为的中误差:m3=(52+62+62)1/2=10μmm3=(52+62+62)1/2=10μmd.比对仪器引入的误差m4。多次检定Ni002测微器,取试验平均值m4=15μm。综合3.1节的分析,得出JSJ系列检验仪平板测微器的误差为:m平板=(m21+m22+m23+m24)1/2=22μmm平板=(m21+m22+m23+m24)1/2=22μm3.2光刻测量微器1光锚的最小焦距误差c主要有光楔楔角加工误差引起的示值误差、光楔的最小焦距误差以及机械配合间隙引起的误差。a.光楔楔角加工误差ΔA引起的示值误差δ11。已知JSJ仪器楔角误差ΔA的最大范围为±0.5″,n=1.5163,β=90°,则δ11=Δαmax/Κ=(n-1)ΔAmaxsinΔβ/Κ=(1.5163-1)×0.5×sin90/√3=0.15″δ11=Δαmax/K=(n−1)ΔAmaxsinΔβ/K=(1.5163−1)×0.5×sin90/3√=0.15′′b.光楔的最小焦距误差。当表面光圈N≤0.2时,对光线的偏移量没有影响。c.机械配合间隙引起的误差δ12。加工精度可以保证间隙在5′～15′之间,则δ12=Δαmax/Κ=(n-1)AsinΔβ/Κ=30″×sin15′/√3=0.08″δ12=Δαmax/K=(n−1)AsinΔβ/K=30′′×sin15′/3√=0.08′′由此,可得加工引起的中误差:δ1=(δ211+δ212)1/2=0.17″2光锚接收点估读误差a.瞄准误差δ21。已知0.5″级光电自准直仪放大率为51,取P″γ=15″,则δ21=±(β/Κ)=±(Ρ˝γ/ΚV)=±(15″/√3×51)=0.17″b.JSJ检验仪光楔测微器估读误差δ22。已知最小刻度τ=1″,则δ22=τ/5Κ=1/5√3=0.12″c.0.5″级光电自准直仪测微器估读误差δ23,已知最小刻度τ=0.5″,则δ23=τ/5Κ=0.5/5√3=0.06″由此,可得人为的中误差:δ2=(0.172+