微小孔径测量仪校准规范

JJF1806—20201微小孔径测量仪校准规范1范围本规范适用于微小孔径测量仪的校准,该测量仪用于测量范围为(ϕ0.1~ϕ1)mm、深度不超过3mm、深径比不大于9∶1的微孔和测量范围为(ϕ1~ϕ20)mm、深度不超过150mm、深径比不大于13∶1的小孔的测量。2引用文件本规范引用了下列文件:JJG739—2005激光干涉仪JJF1251—2010坐标定位测量系统校准规范GB/T11336—2004直线度误差检测GB/T17421.2—2016机床检验通则第2部分:数控轴线的定位精度和重复定位精度的确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术语和计量单位3.1瞄准触发aimingandtriggering传感器移动到测量方案所规定的指定位置时,发出“已瞄准”的信号,此信号启动测量仪的相关测量机构和部件开始或结束工作的过程。3.2瞄准触发测量measurementwithaimingandtriggering应用瞄准触发原理进行的测量。3.3微小孔microandsmallhole微孔和小孔的统称。微孔是指直径小于1mm的孔,小孔是指直径不小于1mm且不大于20mm的孔。3.4深径比aspectratio孔的深度和直径的比值。3.5尺寸桥gaugebridge由量块按U型结构研合而成的标准尺寸体。4概述微小孔径测量仪(以下简称测量仪)是应用瞄准触发原理进行微小孔径测量的仪器。测量仪的典型结构如图1所示,其Z轴导轨和Y轴导轨位于工作台下方。JJF1806—20202图1测量仪结构示意图1—基座;2—立柱;3—干涉仪支座;4—激光干涉仪;5—反射镜架;6—X轴导轨;7—滑架;8—传感器支架;9—瞄准触发传感器;10—工作台常用的瞄准触发传感器(以下简称传感器)有光纤传感器和电容传感器。微孔测量推荐采用光纤传感器;小孔测量推荐采用电容传感器等非接触式传感器。光纤传感器和电容传感器推荐适用范围见表1。表1传感器推荐适用范围传感器类型适用对象测量范围/mm深径比最大深度/mm光纤传感器微孔0.1≤D<1不大于9∶13电容传感器小孔1≤D≤20不大于13∶1150工作时,首先调整被测孔轴线与测量仪Z轴平行,然后移动Y轴,将传感器测头定位到被测孔直径测量线上。测量时,沿X轴移动测头到被测孔的一个端点,传感器在该位置发出瞄准触发信号,激光干涉仪清零;然后将测头移动到被测孔的另一个端点,传感器在此位置再次发出瞄准触发信号,激光干涉仪计数,则被测孔的直径为:D=L+d(1)式中:D—被测孔直径;L———激光干涉仪读数的绝对值;5计量特性5.1X、Z轴运动的直线度X、Z轴运动的直线度要求见表2。5.2X、Z轴运动的定位精度X、Z轴运动的定位精度要求见表2。5.3Y轴运动的最小有效位移Y轴运动的最小有效位移要求见表2。3表2测量仪各运动轴计量特性要求计量特性技术要求X轴运动直线度不大于0.2μm/40mm定位精度不大于0.1μmZ轴运动直线度不大于3.0μm/150mm定位精度不大于4.0μmY轴运动的最小有效位移不大于0.3μm5.4重复性测量仪的重复性要求见表3。5.5示值误差测量仪的最大允许误差见表3。表3测量仪重复性与示值误差计量特性要求计量特性技术要求重复性不大于0.2μm最大允许误差±0.8μm5.6激光干涉仪激光干涉仪的检定按照JJG739—2005执行。注:校准工作不判断合格与否,上述计量特性的指标仅提供参考。6校准条件6.1环境条件校准所需环境条件要求如下:a)室内温度:20℃±0.5℃,温度变化不超过±0.1℃/h。b)室内湿度:30%RH~65%RH。c)恒温时间:校准前测量仪与校准器具在校准实验室内恒温时间不小于8h。d)其他要求:电源电压、气源气压与流量等应符合使用说明书的要求,测量仪周围无影响校准的振源、电磁场干扰等。6.2测量标准及其他设备推荐使用表4所列测量标准及其他设备,允许使用满足测量不确定度要求的其他测量标准及其他设备进行校准。表4测量标准及其他设备序号设备名称技术要求1位移传感器MPE:±50nm2平面平晶D150mm,1级3激光干涉仪MPE:±(0.03μm+0.5×10-6L)JJF1806—20204表4(续)序号设备名称技术要求4环规D≤1mm,U95=0.4μmD>1mm,2等5量块2等7校准项目和校准方法首先检查外观和各部分的相互作用,确定没有影响校准计量性能的因素,调整光轴与X轴平行后再进行校准。7.1X、Z轴运动的直线度用平面平晶和位移传感器测量。7.1.1X轴运动的直线度7.1.1.1X轴运动在Z轴方向的直线度将平面平晶固定在滑架的下方,位移传感器固定在工作台上,使位移传感器的测量方向为Z轴方向,测量示意图如图2所示。测量时,将滑架移动到X轴有效行程起点,移动滑架,在有效行程内,取不少于均匀分布的8个间隔,记录位移传感器和测量仪测长装置的示值,用最小二乘法计算该方向的直线度。7.1.1.2X轴运动在Y轴方向的直线度见图2,改变平面平晶和位移传感器的安装位置,平面平晶固定在滑架的侧向,位移传感器固定在工作台上,使位移传感器的测量方向为Y轴方向,重复7.1.1.1在Z轴方向直线度测量时的操作步骤,得到X轴运动在Y轴方向的直线度。图2X轴运动的直线度测量示意图1—X轴导轨;2—滑架;3—平面平晶;4—位移传感器;5—测长装置7.1.2Z轴运动的直线度按照7.1.1中X轴运动的直线度的测量方法测量Z轴运动的直线度。测量Z轴运动在X轴方向的直线度时,平面平晶固定在工作台上,位移传感器固定在基座上,使位移传感器的测量方向为X轴方向;测量Z轴运动在Y轴方向的直线度时,平面平晶固定在工作台上,位移传感器固定在基座上,使位移传感器的测量方向JJF1806—20205为Y轴方向。7.2X、Z轴运动的定位精度用激光干涉仪测量。7.2.1X轴运动的定位精度见图2,将滑架移动到X轴有效行程起点,移动滑架趋近目标位置,在有效行程内,取不少于均匀分布的5个间隔,对每个目标位置在X轴方向上双向趋近5次。第i个目标位置第j次从正方向和负方向趋近目标位置时,激光干涉仪的读数与目标位置的差值即为位置偏差。按公式(2)计算单项平均位置偏差。式中:Xi↑———第i个位置从正方向趋近所得平均的位置偏差;Xij↑———第j次向第i个位置从正方向趋近所得的位置偏差;Xi↓———第i个位置从负方向趋近所得平均的位置偏差;Xij↓———第j次向第i个位置从负方向趋近所得的位置偏差。则第i个目标位置的单向定位实验标准偏差为:第i个目标位置的双向定位精度为:A=max-min(4)取5个目标位置双向定位精度中的最大值为X轴运动的定位精度。7.2.2Z轴运动的定位精度移动滑架至X轴有效行程中间位置,将反射镜安装在测量仪的反射镜架上,激光光轴方向指向Z轴方向,测量镜安装在工作台上,如图3所示。测量时,Z轴移动到有效行程起点,按照7.2.1的方法测量Z轴运动的定位精度。图3Z轴运动的定位精度测量示意图1—X轴导轨;2—滑架;3—反射镜架;4—反射镜;5—测量镜;6—工作台;7—激光干涉仪JJF1806—202067.3Y轴运动的最小有效位移移动X轴滑架至有效行程中间位置,将反射镜安装在测量仪的反射镜架上,激光光轴方向指向Y轴方向,测量反射镜安装在工作台。测量时,在Y轴有效行程上大致均匀分布的3个位置,向Y轴电机发出对应最小有效位移的指令,读取激光干涉仪示值的变化量为Y轴运动的最小有效位移。7.4重复性在(ϕ0.1~ϕ1)mm范围内,采用尺寸桥(如图4所示)和标准环规测量。在(ϕ1~ϕ20)mm范围内,用标准环规测量。(a)(0.1~0.5)mm范围尺寸桥(b)(0.5~1)mm范围尺寸桥图4尺寸桥示意图7.4.1微孔测量段选用光纤传感器。尺寸桥校准点选取0.1mm、0.5mm、1mm3点,标准环规校准点选任意一点。用尺寸桥测量时,应调整工作台使尺寸桥的工作平面与Z轴平行,测量尺寸桥1mm深度处的最小间隙值;用标准环规测量时,应调整工作台使环规的轴线与Z轴平行,测量环规中间截面的孔径值。在相同条件下连续进行10次测量。用贝塞尔公式计算实验标准差作为校准点的重复性。7.4.2小孔测量段选用非接触式传感器。校准点选取1mm、10mm、20mm。测量步骤与数据处理方法与7.4.1中用标准环规测量时相同。7.5示值误差取7.4中各校准点10次测得值的平均值作为该点的测量值Di,测量仪测量值与标准器实际值D0i的差值为该点的示值误差,其计算公式为:ΔDi=Di-D0i(5)式中:ΔDi—第i个校准点的示值误差;Di—第i个校准点的测量值;D0i—第i个校准点的实际值。8校准结果表达经过校准的微小孔径测量仪出具校准证书,校准证书的内容参见附录B、附录C。JJF1806—202079复校时间间隔由于复校时间间隔的长短是由仪器的使用情况、使用者、仪器本身质量等诸因素所决定的,因此送校单位可根据实际使用情况自主决定复校时间间隔。建议复校间隔一般不超过1年。JJF1806—20208附录A微小孔径测量仪示值误差测量结果不确定度评定A.1概述根据本规范规定的测量原理、条件和方法,以0.1mm的尺寸桥和标称直径ϕ20mm的标准环规为测量对象,给出微小孔径测量仪示值误差测量结果的不确定度评定。A.2测量原理、方法和条件A.2.1测量原理瞄准触发原理。A.2.2测量方法在微小孔径测量仪上测量。测量前应将仪器及测量对象调整至满足测量状态。A.2.3测量条件—环境温度为(20±0.5)℃,温度变化不应超过±0.1℃/h;环境相对湿度为30%~65%。———微小孔径测量仪常年固定安装在实验室内,测量对象在实验室内的平衡时间不小于8h。———传感器为光纤传感器与电容传感器;测量对象为钢制的。A.3测量不确定度评定的测量模型A.3.1测量模型根据测量原理和测量方法,参照公式(5),可得理论模型为:ΔD=D-D0(A.1)式中:ΔD—示值误差;D———尺寸桥/标准环规的测量结果;D0———尺寸桥/标准环规的校准结果。对0.1mm的尺寸桥进行10次测量,测量结果见表A.1。表A.10.1mm尺寸桥测量结果测量次数12345测量结果/μm99.961100.153100.022100.138100.273测量次数678910测量结果/μm100.434100.293100.450100.418100.332对原始数据依据格拉布斯准则剔除异常值后,以平均值作为测量结果的最佳估计JJF1806—20209表A.2φ20mm标准环规孔径测量结果测量次数12345测量结果/mm19.9999320.0000020.0000120.0000120.00001测量次数678910测量结果/mm19.9999819.9999319.9999519.9999720.00001对原始数据依据格拉布斯准则剔除异常值后,以平均值作为测量结果的最佳估计,3.有准.9,实验标准差s=0.04μm。由可得合成标准不确定度uc满足:u=cu+c0u0(A.2)式中:uD0———标准结果引入的标准不确定度分量。A.4标准不确定度分量来源和说明标准不确定度分量的主要来源为测量结果引入的标准不确定度分量、校准结果引入的标准不确定度分量,分别用uD与uD0表示,见表A.3。表A.3示值误差测量结果标准不确定度分量来源和说明序号符号标准不确定度分量来源说明1uD测量结果引入的标准不确定度分量测量重复性引入的标准不确定度分量uD1用A类方法评定激光干涉仪长度测量不确定度引入的标准不确定度分量uD2用B类方法评定X轴运动直线度误差引入的标准不确定度分量uD3X轴直线度引入的标准不确定度分量uD31用B类方法评定平晶平面度引入的标准不确定度分量uD32用B类方法评定X轴运动定位精度引入的标准不确定度分量uD4用B类方法评定Y轴运动最小有效位移引入的标准不确定度分量uD5用B类方法评定10表A.3(续)序号符号标准不确定度分量来源说明1uD测量结果引入的标准不确定度分量Z轴运动直线度误差引入的标准不确定度分量uD6Z轴直线度引入的标准不确定度分量uD61用B类方法评定平晶平面度引入的标准不确定度分量uD62用B类方法评定2uD0校准结果引入的标准不确定度分量用B类方法评定A.5标准不确定度分量计算A.5.1测量结果引入的标准不确定度分量uDA.5.1.1测量重复性引入的标准不确定度分量uD1以下分析过程均以0.1mm尺寸桥为例,对于标称直径ϕ20mm的标准环规,标准不确定度分量的计算过程类似。在相同条件下,对尺寸桥进行10次测量,10次测量数据的实验标准差s=0.16μm,则测量重复性引入的标准不确定度分量可用A类评定方法计算:A.5.1.2激光干涉仪长度测量不确定度引入的标准不确定度分量uD2测量过程中干涉仪长度测量的最大值不大于20mm。由检定结果可知,在20℃±0.5℃时的最大允许误差在±(0.03μm+0.5×10-6L)范围内,测量误差在该范围内为均匀分布,k取3。该标准不确定度分量可用B类评定方法计算:A.5.1.3X轴运动直线度误差引入的标准不确定度分量uD3A.5.1.3.1X轴直线度引入的标准不确定分量uD31测量过程中X轴导轨移动的最大距离不大于20mm。由于X轴导轨在40mm范围内的直线度为0.2μm,在半宽区间内为均匀分布,k取3,则X轴直线度引入的标准不确定度分量可用B类评定方法计算:A.5.1.3.2平晶平面度引入的标准不确定分量uD32平晶经校准,校准结果不确定度为U=0.02μm,在半宽区间内为均匀分布,k取 3,则由此引入的标准不确定度分量可用B类评定方法计算:由于uD31、uD32互不相关,所以合成以上两项得:JJF1806—202011A.5.1.4X轴运动定位精度引入的标准不确定度分量uD4传感器的运动定位精度为±0.1μm,在此范围内为均匀分布,k取3,则X轴运动定位精度引入的标准不确定度分量可用B类评定方法计算:A.5.1.5Y轴运动最小有效位移引入的标准不确定度分量uD5Y轴运动最小有效位移为0.3μm,测量过程中会导致测量位置偏离直径方向,测量对象直径越小,由此项引入的误差越大。对于直径ϕ0.1mm的微孔,其所引入的误差不超过±0.001μm,在此范围内为均匀分布,k取3,则Y轴运动最小有效位移引入的标准不确定度分量可用B类评定方法计算:A.5.1.6Z轴运动直线度误差引入的标准不确定度分量uD6A.5.1.6.1Z轴直线度引入的标准不确定分量uD61测量过程中,Z轴运动直线度导致测量弦长倾斜,被测件直径越大,由此项引入的误差越大。对直径ϕ20mm的标准环规,其所引入的误差不超过±0.002μm,在此范围内为均匀分布,k取3,则Z轴直线度引入的标准不确定度分量可用B类评定方法计算:A.5.1.6.2平晶平面度引入的标准不确定分量uD62平晶经校准,校准结果不确定度为U=0.02μm,在此范围内为均匀分布,k取3,则由此引入的标准不确定度分量可用B类评定方法计算:由于uD61、uD62互不相关,所以合成以上两项得:上述6项标准不确定度分量互不相关,因此,测量结果引量为:A.5.2校准结果引入的标准不确定度分量uD00.1mm的尺寸桥通过4个标准量块研合而成,其尺寸由中间两块给定,由于这两块标准量块的基本尺寸均小于10mm,其测量不确定度为0.06μm;直径ϕ20mm的标准环规校准结果不确定度为U=0.5μm,为确保结果可靠,取较大者作为此分量的评定项,在此范围内为均匀分布,k取3,则校准结果引入的标准不确定度分量可用BJJF1806—202012类评定方法计算:uD0==0.289μmA.6合成标准不确定度根据上述分析,按照公式(A.2),可得到示值误差测量结果的合成标准不确定度uc为:A.7不确定度概算汇总表见表A.4。A.8扩展不确定度取包含因子k=2,则扩展不确定度为:U=k×uc=2×0.30μm=0.60μm表A.4不确定度概算汇总表标准不