垂线观测仪校准规范

湖北省地方计量技术规范

JJF（鄂）xxxx-20xx

垂线观测仪校准规范

CalibrationSpecificationforPlumb-lineObservers

（送审稿）

20XX-XX-XX发布20XX-XX-XX实施

湖北省市场监督管理局发布

JJF（鄂）XXXX—20XX

垂线观测仪校准规范

JJF（鄂）XXXX—20XX

CalibrationSpecificationfor

Plumb-lineObservers

归口单位：湖北省市场监督管理局

主要起草单位：武汉地震计量检定与测量工程研究院

参加起草单位：武汉地震计量检定与测量工程研究院

武汉地震科学仪器研究院有限公司

基康仪器股份有限公司

本规范委托武汉地震计量检定与测量工程研究院负责解释

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本规范主要起草人：

何浩鹏（武汉地震计量检定与测量工程研究院）

马娟娟（武汉地震计量检定与测量工程研究院）

戴兴谱（武汉地震计量检定与测量工程研究院）

参加起草人：

宋潇（武汉地震计量检定与测量工程研究院）

曾卓（武汉地震计量检定与测量工程研究院）

赵义飞（武汉地震科学仪器研究院有限公司）

付晓东（基康仪器股份有限公司）

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引言

JJF1071—2010《国家计量校准规范编写规则》、JJF1001—2011《通用计

量术语及定义》、JJF1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》共同构成支撑

本规范制定工作的基础性系列文件。

本规范为首次发布。

II

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垂线观测仪校准规范

1范围

本规范适用于光学和光电式垂线观测仪（垂线坐标仪）的校准，其他类型垂

线观测仪的校准可以参照执行。

2引用文件

本规范引用下列文件：

DL/T1061—2020光电式（CCD）垂线坐标仪

SL530—2012大坝安全监测仪器检验试规程

凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本规范。

3术语

3.1零位误差zeroerror

光学垂线观测仪横、纵向导轨指示线与标尺零刻线符合时，对应轴测微手轮

的示值与零刻线的偏移量。

3.2测量光平行性误差measurementofopticalparallelismerror

光电式垂线观测仪测量光路中点光源像不在无穷远，使得测量光不平行，导

致垂线与申荷耦合器件（CCD）距离变化时对测总值带来相应的比例误差。以点

光源像与CCD间距离的倒数作为测量光平行性误差。

4概述

垂线观测仪是一种用于测量正、倒垂线装置的仪器，主要应用于水利水电大

坝、船闸、高层建筑物等大型工程的变形监测，也称为垂线坐标仪（以下简称垂

线仪）。常见的垂线仪主要有光学和光电式等类型。

光学垂线仪工作时，通过横、纵导轨移动照准部，使得照准光路对准被测垂

线，并利用测微手轮谈取相应横、纵轴坐标；光电式垂线仪利用平行光使垂线产

生的阴影投射到CCD传感器上，再通过图像处理分析得到垂线投影的坐标。其

结构示意图如图1所示。

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1-瞄准系统2-测微手轮3-横、纵向导轨4-水准器5-脚螺旋6-照明系统7-垂线

(a)光学式

1-点光源2-透镜3-平行光4-CCD传感器投影5-垂线6-示值显示窗

(b)光电式

图1垂线仪结构示意图

5计量特性

5.1零位误差

零位误差不超过±0.05mm。

2

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5.2隙动误差

隙动误差不大于0.05mm。

5.3示值误差

光学垂线仪示值误差不超过土0.10mm,光电式垂线仪示值误差不超过

±（）.5%FSo

5.4分辨力

光学垂线仪分辨力不大于0.05mm,光电式垂线仪分辨力不大于0.02mm。

5.5测量光平行性误差

测量光平行性误差不大于2x10-4mm-io

注:校准工作不判断合格与否，上述计量特性指标仅供参考。

6校准条件

6.1环境条件

I）温度：（20±5）℃；

2）湿度：W75%RH；

3）其它条件：校准时，校准区域不应有影响校准结果的振动、强光、电磁

干扰。

6.2测量标准及其他设备

测量标准及设备见表1,允许使用满足测量准确度要求的其他测量标准及设

备进行校准。

表1测量标准及其他设备

设备名称技术要求

1）测量范围:横轴N501nm,纵轴250mm:

二维位移平台

2）示值最大允许误差MPE：±0.01mnio

7校准项目和校准方法

光学和光电式垂线仪因原理不同，校准项目有所区别，具体见表2。

3

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表2垂线仪校准项目一览表

校准项目光学垂线仪光电式垂线仪

外观质量与功能检查++

零位误差+一

隙动误差+一

示值误差++

分辨力++

测量光平行性误差一+

注：为该项目应校准，“一”表示无此项目。

7.1外观质量与功能检查

1）垂线仪各紧固件应紧密联接，移动平稳正靠，无明显晃动。

2）水准器气泡在使用范围内应能均匀移动，无目力可觉察的停滞和跳动现

象。旋转脚螺旋调平仪器使气泡居中，圆水准器旋转至任意位置，气泡应始终处

于居中状态。

3）光学垂线仪成像景深区域应在横、纵两光路的交汇处；垂线仪整平状态

下，垂线成像清晰，且应与分划板横、纵丝平行，不应有目力可见的偏差。

4）开机检查，应无影响测量准确度的电气、机械故障或损伤。

7.2零位误差

将垂线仪安置在工作台上，旋转被校方向测微手轮，使指示线与室刻线符合,

从测微手轮上读取此时垂线仪示值，其与零刻线的差值，即为零位误差。

1-指示线2-标尺3-测微手轮

图2零位误差校准示意图

4

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7.3隙动误差

将垂线仪安置在工作台上并整平，垂线仪测量区域内悬挂一垂线。在垂线仪

被校轴量程的首尾两端与中间处各选取1个位置进行隙动误差测量，分别正反向

移动照准部，对准垂线，记录垂线仪正反向示值由、%。

按式(1)计算该位置的隙动误差山。

di=|a,—bi\(1)

式中：

5——第i个校准点的隙动误差，mm；

Qi——垂线仪正向行程在第i个校准的示值，mm；

瓦——垂线仪反向行程在第i个校准的示值，mm。

依次测量三个位置的隙动误差，取最大值为被校轴测量结果d。

d=max(dj12)

7.4示值误差

如图3所示安置垂线仪、二维位移平台和垂线，垂线仪横轴与二维位移平台

横轴大致平行。

1-二维位移平台2-垂线仪3-垂线

图3示值误差校准安置示意图

在垂线仪被校轴测量范围内选取5个位移校准点，其中第5个校准点为该轴

向测量范围上限，测量过程如下:

5

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1)分别将垂线仪与二维位移平台整平，通过二维位移平台移动垂线，使被

校轴示值为零，记录此时垂线仪横向示值加、纵向示值%和二维位移平台对应轴

示值Lo；

2)依次按选定的校准点移动二维位移平台对应轴，垂线仪测量垂线坐标，

记录此时垂线仪横向示值勺、纵向示值力和二维位移平台对应轴示值除按式［3)

计算各测量点示值误差

ei=V(x(~xo)2+(yi-yo)2-(4-L0)(3)

式中：

出——校准点的示道误差，mm；

%0'yo---垂线仪在零点的横、纵向示值，mm：

招、%---垂线仪在校准点的横、纵向示值，mm：

Lo——二维位移平台对应轴在零点的示值，mm；

Lt——二维位移平台对应轴在校准点的示值，mm。

7.5分辨力

如图3所示安置垂线仪，选取垂线仪某一轴向测量范围的中间位置为起点,

正向移动二维位移平台对应轴，等间隔移动1()次，每次移动间隔为().11mm,

利用垂线仪测量垂线在每个位置的对应轴向示值Dj,按式(4)计算分辨力。

6=(4)

Vi=。1—Di—di(5)

方£匕2-£匕由⑹

n

(1,=(i-1)•△(7)

式中：

B——垂线仪分辨刀，mm；

Di---垂线在各位苴时垂线仪对应轴向的测量值，mm；

口一一测量值归算到起始点的归算量平均值，mm；

vi---测量值与归算量的差值，mm；

山——垂线第Z次移动的位置相对于起始点的距离值，mm；

6

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A垂线每次移动间隔，A=0.11mm；

i各观测点序号,i=l,2,…,n；

n——测量值个数。

7.6测量光平行性误差

如图3所示安置垂线仪，通过移动二维位移平台横、纵轴，将垂线分别移动

到如图4所示的矩形区域4个顶点（ABCD）,其中矩形区域大小适中便于测量。

记录二维位移平台与垂线仪在各点的坐标值，按式（8）（9）计算测量光平行性

误差。

y轴

垂线仪测量范围

X轴

图4测最光平行性误差校准示意图

1,xB-xAxc-xD

due^xB-xAXC-XD

ctv---(-------------------)(9)

ydABys-ycyA-yo

d8c=丫8-£(10)

服8=XR-XA(11)

式中:

以、ay——垂线仪横、纵轴测量光平行性误差，mmZ

dBC——AB与CD两测线间距离，mm；

dAB------AD与BC两测线间距离，mm；

X”XQ右、Xc、X。、YD——垂线在ABCD4个位置时，二维位移平

台的坐标值，mm；

以、以、XB、如、Xc、yc.xD.yD----垂线在ABCD4个位置时，垂线仪的横、

纵向示值，mm0

7

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8校准结果

经校准的垂线仪出具校准证书，校准结果应在校准证书上反映。校准证书应

至少应包括以下信息：

a）标题：“校准证书”；

b）实验室名称和地址；

c）进行校准的地点（如果与实验空的地址不同）；

d）证书的唯一性标识（如编号），每页及总页数的标识；

e）送校单位的名称和地址；

f）被校对象的描述和明确标识；

g）进行校准的日期，如果与校准结果的有效性和应用有关时，应说明被校

对象的接收日期和发布日期；

h）如果与校准结果的有效性或应用有关时，应对被校样品的抽样程序进行

说明；

i）对校准所依据的技术规范的标识，包括名称及代号；

j）本次校准所用测量标准的溯源性及有效性说明；

k）校准环境的描述；

I）校准结果及其测量不确定度的说明；

m）对校准规范的偏离的说明；

n）校准证书签发人的签名；

o）校准结果仅对被校对象有效的声明；

p）未经实验室巾面批准，不得部分复制证书的声明。

校准原始记录格式见附录A,校准证书内页格式见附录Bo

9复校时间间隔

送校单位可根据垂线仪的实际使用情况自主决定复校时间间隔，建议一般不

超过1年。

8

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附录A

垂线仪校准原始记录推荐格式

A.1光学垂线仪校准原始记录推荐格式

委托单位设备名称

型号规格出厂编号

生产厂商校准依据

校准口期校准地点

校准员核验员

校准环境

校准使用主要标准器

不确定度/准确

证书编号/

设备名称型号/编号测量范围度等级/最大允证书有效期

溯源机构

许误差

1、外观质量与功能检查：

2、零位误差

垂线仪示值/mm零位误差/mm

横轴

纵轴

3、隙动误差

单位：mm

横向纵向

序垂线仪示值垂线仪示值

校准点隙动误差校准点隙动误差

号

正向方向正向方向

1

2

3

隙动误差

9

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4、示值误差

单位：mm

横向纵向

二维位移二维位移

序垂线仪示值垂线仪示值

平台示值误差平台示值误差

号

横轴示值纵轴示值

XyXy

1

2

3

4

5

6

示值误差校准结果的扩展不确定度U=,k=2.

5、分辨力

二维位移平台X轴移动距离垂线仪横轴读数

序号残差vz/nim

Jz/mm/mm

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

分辨力/mm

10

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A.2光电式垂线仪垂线仪校准原始记录推荐格式

委托单位设备名称

型号规格出厂编号

生产厂商校准依据

校准日期校准地点

校准员核验员

校准环境

校准使用主要标准器

不确定度/准确

证书编号/

设备名称型号/编号测量范围度等级/最大允证书有效期

溯源机构

许误差

1、外观质量与功能检查：

2、示值误差

单位：mm

横向纵向

二维位移二维位移

序垂线仪示值垂线仪示值

平台示值误差平台示值误差

号

横轴示值纵轴示值

XyXy

1

2

3

4

5

6

不值误差校准结果的扩展不确定度U-,k=2。

3、分辨力

二维位移平台X轴移动距离垂线仪横轴读数

序号残差v//mm

di/mm/mm

1

2

11

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3

4

5

6

7

8

9

10

11

分辨力/mm

4、CCD式测量光平行性误差

二维位移平台示值/mm垂线仪示值/mm

测点

XYXy

A

B

C

D

AB与CD测线间间距dBC

/mm

AD与BC测线间间距dAB

/mm

横轴测量光平行性误差

纵轴测量光平行性误差'

测量光平行性误差校准结果的

U=，k=。

扩展不确定度

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附录B

垂线仪校准证书内页推荐格式

B.1光学垂线仪校准证书内页推荐格式

1、外观质量与功能检查：

2,零位误差：

横向：mm,纵向：mm

3、隙动误差

横向：mm,纵向：mm

4、示值误差

标准值/mm

横向

示值误差/mm

标准值/mm

纵向

示值误差/mm

示值误差校准结果扩展不确定度U=mm,k=o

5、分辨力：mm。

以下空白

B.2光电式垂线仪校准证书内页推荐格式

1、外观质量与功能检查：

2、示值误差

标准值(mm)

横向示值误差

(mm)

标准值(mm)

纵向示值误差

(mm)

示值误差校准结果扩展不确定度U=mm,k=o

3、分辨力：miTu

4、CCD式测量光平行性误差

横向：mm-1,纵向：mm-1

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测量光平行性误差校准结果扩展不确定度U=mm-1,k=o

以下空白

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附录C

垂线仪示值误差测量不确定度评定示例

C.1测量方法

按照7.4中的方法，对一台光学垂线仪横轴示值误差进行校准。

C.2测量模型

垂线仪横轴示值误差的测量模型为：

x-x22

T=V(io)+Oi-7o)-(5-Lo)(C.l)

其中，立为各校准点的示值误差，x0>为为垂线仪在零点的横、纵向示值，

左、力为垂线仪在各校准点的横、纵向示值，乙。为二维位移平台对应轴在零

点的示值，及为二维位移平台对应轴在各校准点的示值。

C.3方差和灵敏系数

灵敏系数q：

_de(_(Xj-xo)_det_一(Zj-xo)

—-)2+5-%)2,--7(x-x)2+(y-y)2,

-dxt~，(勺5xq£010

_dej_(仇-―)_dej_一(yro)

3Qyt>/(々-戈0)2+(加一%)2'4dyoJ(Xi-Xo)2+(y「yo)2,

C5=票=-1；%==1

由于%-yo«-3)2+(%-yoT，因此：

Cl=需71；C2=聋右一1;c3=det/dyt*0；c4=dejdy。工0

勺、%0、%、yo均为垂线仪给出的示值，其标准不确定度相等，令“(X)=

〃(无)=u(x0)=〃(%)=n(y0)；匕、L()均为二维位移平台给出的示值，其标

准不确定度相等,令〃(L)=u(Lj=u(L0)o

综合灵敏系数，则有：

V2u2(x)4-2u2(L)(C.2)

uc=0

C.4不确定度分量的评定

C.4.1垂线仪的标准不确定度〃(x)

C.4.1.1测量重复性引入的标准不确定度内(x)

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在重复性条件下，对10mm测量点测量10次，由贝塞尔公式计算得出单次

测量实验标准差。=4.6;zm,则：

Ui(x)=a=4,6〃m

C.4.1.2垂线仪分辨力引入的标准不确定度处。)

光学垂线仪微动手轮分辨力为().01mm,半宽为()0()5mm,估计服从均匀

分布,则:

0.005

u2(x)=mm=3.04m

由于重复性引入的标准不确定度分量大于分辨力引入的标准不确定分量，所

以取重复性引入的标准不确定度分量作为被测仪器引入不确定度分量，u(x)=

%。)。

C.4.2二维位移平台的标准不确定度〃(L)

C.4.2.1二维位移平台示值误差引入的标准不确定度〃i(L)

二维位移平台示值误差最大允许误差为±0.()1mm,估计服从矩形分布，取

k=V5,则：

0.01

ut(L)=—^=-mm=5.84m

C.4.2.2二维位移平台测量轴移动过程中姿态变化引入的标准不确定度〃2«)

二维位移平台测量轴在测量过程中，其姿态可能会产生变化，从而引起垂线

姿态变化，当测量轴与垂线仪被校轴不重合时，阿贝误差将引入的不确定度分量

〃2(乙)。

二维位移平台测量轴的姿态角最大变化约10",而悬挂垂线的支架长300mm,

则阿贝误差对示值的影响量加为：

10

△Z=300mmxsin(一一〜)=14.5um

206265尸

14.5

U2(L)=—=8.4jtzm

故：

u(L)=J-(L)+诏(L)=V5.82+8.42=10.24m(C.3)

C.5合成标准不确定度”c

2222

uc=A/2U(X)4-2u(L)=V2x4.64-2x10.2=15.84m(C.4)

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C.6扩展不确定度U

取k=2,则U=k-uc=2x15.84mx0.03mm(C.5)

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附录D

垂线仪测量光平行性误差测量不确定度评定示例

D.1测量方法

按照7.6中的方法，对•一台光电式垂线仪横轴的测量光平行性误差进行校准,

其中矩形ABCD选择边长约为10mm的正方形区域。

D.2测量模型

测量光平行性误差的测量模型为:

>8-XA_XC-XDtI（X-X

BA（D.l）

dBC\X-XXC-XD）YB-YC（孙一孙

BAXc-XD

其中，a为光电式垂线仪横轴测量光平行性误差；X”匕、XB、坛、X。、

Yc.XD、为垂线在ABCD4个位置时，二维位移平台的坐标值；XB、打、不

为垂线在ABCD4个位置时,垂线仪横轴示值。

D.3方差和灵敏系数

灵敏系数C；

da1dai

‘2一帆一

一dXA~居一左）-'（%—%）（砧一勺）’

daidai

「-------

4

一dxc一居一%）（*-沏）’■■dxD~（丫8-%）&-切）’

da

da1XB-XA1XB-XA

Cs「-------

dxYBYC（XBXA）2YYXX2

A--'‘6一加一B-C（B-A）

daCDda

1X-X「--------1XC-XD

C7

°xcYB~YC（，X（-XD）2Q一°町一丫8-%（攵一切）2

da1XR-XAXc-X—C=da=1（XB-XAXC*

Cg=~~="XX2

C~D1°（XB-^C）IXB-XAXC-XD）

GYB（%一%）'XB-XA

由于合。1,1,右一£《40mm,x-x^40mm,x-x

XC-XDBAcD

40mm,因此:

—沏_da1da1

Co—------=------------------Co=------=---------------------

/dX1600mm2

dXA1600mmBJdxc1600mm：

_da_]da1da1

-___—___________r=------=-----------------------

22

dxA1600mm'61600mm,

8XD1600nun,dxB

da1_da__1da

C7=------------------------2；"=券=。・

2&dxD1600mm=0

dxc1600mm'3=矶

/、小、％c、切均为垂线仪给出的示值，其标准不确定度相等，令〃1X）=

18