大量程数显千分表校准方法及相关问题

李 军 孙维强 / 江苏省昆山市计量测试所

大量程数显千分表校准方法及相关问题

李 军 孙维强 / 江苏省昆山市计量测试所

0 引言

大量程数显千分表一般指行程大于10 mm，分辨力在0.01 mm、0.001 mm、0.000 1 mm的数显指示表。此类大量程数显千分表因测量量程大，体积小，准确度高，适用场合广泛，在企业中深受测量人员的欢迎，特别在机械精密加工、模具制造行业运用非常多。而大量程数显表的校准一直无检定规程和校准规范参考，各计量机构校准方法也不尽相同。近年来在大量程数显千分表的校准工作中，发现了三个问题：（1）很多大量程千分表，在校准整数点或有规律的测量点时，表的准确度非常好，而在校准一些任意测量点时，准确度就会有差异；（2）不同装夹方式（垂直装夹和水平装夹）的测量结果特别是回程误差大相径庭；（3）不同的标准器和测量方法在相同的测量点，测出来误差也有差异。为此，笔者搜集了各类表的资料，做了很多基础的实验。从测量的基本原理、内部结构、测力以及解决方案同大家一起探讨。

1 常见大量程数显千分表

常见表测量原理和性能区别：测量元件基本有三类，容栅、光栅、磁栅。三者机械组成类似，都是由容栅付、光栅付、磁栅付和对应的处理电路组成。

1.1 容栅测量原理

利用电容的周期性变化来测量位移。固定容栅和移动容栅在保持一定距离做相对运动时，固定容栅的栅距是5.08 mm，占空比50%，移动容栅的栅距一般是固定容栅栅距的1/8，为0.635 mm。将电容的变化经过电路的放大，解调近似为正弦波的信号，让移动容栅和固定容栅相对移动5.08 mm，与电路中的一个正弦信号的一个周期对应，结合鉴相电路和细分电路可以测量相对位移。特点是速度比较快，分辨力比较高，结构简单，功耗小等，在大量程数显表上运用广泛。不完全统计，容栅结构的数显表占95%以上。以瑞士SYLVACSA229系列千分表为例，可以做到直接测量量程为150 mm, 示值误差10 μm以内，分辨力0.001 mm，重复性为2 μm，测试移动速度达0.4 m/s准确度不变。

1.2 光栅测量原理

光栅用光敏器件感应莫尔条纹的明暗变化来测量位移。主光栅与副光栅保持一定的姿态做相对运动时，产生周期性的电流信号，一般用在数显表上的光栅为50线/mm，主副光栅一样，即栅距是20 μm,占空比50%。将电流的变化经过电路的放大、滤波和三差校正后得到两路相位差为90°的正弦信号，让主副相对移动20 μm，与电路中的一个正弦信号的一个周期对应，结合鉴相电路和细分电路可以测量相对位移。特点：移动速度非常快、准确度高、分辨力高，在大量程高准确度数显表上有所运用。其功耗比较大，电源的供给也限制了部分场所的运用。另外，使用环境条件相对要求也高，成本相对容栅要高很多。以日本nikon系列千分表为例，可以做到直接测量量程为100 mm，示值误差1.2 μm以内，分辨力0.000 1 mm，重复性为0.1 μm。瞬间速度达到1 m/s。

1.3 磁栅测量原理

通过磁电转换产生感应电动势的周期性变化来测量位移。与容栅和光栅一样，将电流的变化经过一系列电路的处理放大，滤波和校正后得到两路相位差为90°的正弦信号与栅距对应，结合鉴相电路和细分电路可以测量相对位移，特点是在各种工作环境下保持非常好的工作特性。以日本SONY DE系列千分表为例，可以做到直接测量量程为30 mm，示值误差1 μm以内，分辨力0.000 1 mm，重复性为0.2 μm。

2 校准注意事项

2.1 电子细分

根据容栅、光栅、磁栅几种测量原理，都有一个电子细分过程，所以校准时要非常关注电子细分误差。电子细分误差的校准需要在若干个细分周期内抽取合适的点来校准，在正常的校准点外(JJG 34 - 2008)建议适当增加细分点。现在的细分计数原理有很多采用的是CPLD或FPGA作为器件，其特点是，并行处理模式、速度快，结合精码和粗码分离的算法，粗码是移向和比较器得出结果，而精码是通过软件算法得出结果，两者相加为表的最后示值。精码的准确度取决于单周期信号的质量，主要是相位、幅值、直流偏置。粗码的准确度取决于栅距刻线误差及机械误差。所有校准细分点可以和整数点结合，贯穿全程，以0 ～ 25 mm为例，如：1.002 mm，5.005 mm，

10.008 mm，15.011 mm，20.014 mm，25.017 mm。找到最大误差和最小误差对应的校准点，进行加密点校准。加密点选取以误差的最大值和最小值对应校准的前后1/10栅距为单位，共20点为宜。如果取粗码的整数倍的误差最大值和最小值来选取加密校准点，并不是非常科学。

2.2 测力

大量程表的机械结构及测力：大量程数显表和普通指示表一样，基本上都是由测杆、测套和弹簧组成，和普通指示表一样会增加阻尼或活塞装置，这是因为弹簧的弹力与行程成正比，大行程必然相对大的弹力，大弹力有大的加速度，大的加速度在足够长的行程中，会有两种不利于测量的因素：一是高的瞬时速度使上述三种测量原理都丢失准确度，测量不可靠；二是在测量时测头会快速碰撞上被测工件而反弹，损伤工件和本身。所以增加阻尼和活塞结构，一般活塞结构有截流孔泄压和自然泄压两种方式。将使测杆移动更为均匀，大大地降低运行速度，测量更为稳定可靠。然而阻尼或活塞都会增加测杆的自重，加上测杆一般比普通指示表的测杆长很多，为保证全程运动顺畅不阻滞，一般测量力比普通指示表都大。为弄清楚弹簧弹力和测杆自重之间在不同的装夹方式下的关系，以标准器量程为0 ～ 20 N、分辨力为0.01 N的测力传感器（准确度为0.5%）做实验，结果见表1。

在不同装夹方式下，测头力的影响还比较大，对结果特别是回程误差影响很明显。所有校准此类大量程数显表必须在垂直的条件下，才能做到数据准确统一。

表1 不同的装夹方式下的实验

3 校准方法及标准器选择

针对大量程千分表的特点，要准确地校准大量程千分表对所用的标准器有很高的要求。现在很多计量机构都用指示表检定仪或者用量块做标准器来校准，国内的指示表检定仪准确度不能满足大量程数显表的校准，还有其结构都是水平装夹。量块和测微台校准大量程数显表，标准器准确度没有问题，不过加密点的校准，对量块的尺寸要求非常多，拼接量块将会非常麻烦或者说是不太可能做到。综上所述，大量程数显表的校准所用的标准器必须满足三个条件：（1）全程误差小于0.5 μm，高分辨力，至少不低于0.1 μm；（2）可以准确地移动每个0.01 μm步进；（3）如果制造商明示指示表只有在垂直使用时才能保证其准确度，那么装夹方式必须是立式垂直的。目前国内的标准器准确度基本上都无法满足。

为彻底解决大量程数显表校准时碰到的上述三个问题，经过仔细分析研究，并且委托专业生产厂商，提出一种可以解决上述问题的高准确度立式位移发生器。该位移发生器具备准确度高、装夹方便等特点。以250线/mm光栅尺为基准，透射式光栅原理，再结合粗码+精码坐标旋转算法，做到0.01 μm的分辨力，量程50 mm，测量重复性为0.1 μm。曾用海德汉长度计做比对，全程误差优于0.5 μm。选用了高准确度的小螺距滚珠丝杆和高细分芯片，可以做到0.05 μm步进，结合脉冲电子手轮和FPGA控制，告别传统机械手轮对小步进无法实现的弊病。配备了各种直径装夹装置，方便校准工作。特别是在校准过程中，对有数据接口的大量程数显表能全自动校准，而且自动判断误差的最大值和最小值，自动计算加密校准点。全程校准完后，能自动到加密校准点位置，进行加密校准，大大地减少了工作量，降低了工作强度。该仪器对传统的装夹也做了改进，保证了测量轴心的平行，减小了装夹误差。更为关键的是该位移发生器采用了一种硬件电路和软件综合调理的方法，能很好地解决光栅信号的直流偏置差、幅值差、相位差等三差问题。

4 结语

三差问题一直是光栅信号最难突破的难点，因为解决不好，高细分带来的高分辨力没有任何意义，也谈不上准确度了。

[1] 全国几何量工程参量计量技术委员会. JJG 34-2008[S]. 北京：中国计量出版社，2008.

[2] 全国几何量工程参量计量技术委员会. JJG 989-2004[S]. 北京：中国计量出版社，2004.