1 .引 言
引伸計(jì)常作為試驗(yàn)機(jī)上一種試樣線變形的測(cè)量裝置，能夠監(jiān)測(cè)試樣在軸向載荷作用下的形變量，通過(guò)計(jì)算，能夠同步實(shí)時(shí)輸出試樣在載荷作用下的應(yīng)變和應(yīng)力值。而形變量是材料試驗(yàn)機(jī)的重要計(jì)量性能指標(biāo)之一，因此，引伸計(jì)在試驗(yàn)機(jī)的首次檢定、后續(xù)檢定及使用中檢定都有要求。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，新材料不斷出現(xiàn)，材料的性能也不斷優(yōu)化。一些柔性材料，如塑料、橡膠、超塑性材料等，其延伸率非常高，需要大量程的引伸計(jì)與之匹配，而用于檢定引伸計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)器———引伸計(jì)檢定裝置或系統(tǒng)( 引伸計(jì)標(biāo)定器) ，其計(jì)量性能指標(biāo)一般應(yīng)高于被檢引伸計(jì)。因此，從量程到精度，對(duì)檢定裝置都有較高的要求。JJG 762 － 2007《引伸計(jì)檢定規(guī)程》規(guī)定，對(duì)于準(zhǔn)確度 等 級(jí) 為 0. 2 級(jí) 的 引 伸 計(jì)，其 相 對(duì) 分 辨 力 為0. 1% ，絕對(duì)分辨力為 0. 2μm。而 JJF 1096 － 2002《引伸計(jì)標(biāo)定器校準(zhǔn)規(guī)范》要求，對(duì)于可檢定 0. 2 級(jí)引伸計(jì)的檢定裝置，其相對(duì)分辨力為 0. 05% ，絕對(duì)分辨力為 0. 1μm，示值相對(duì)誤差不超過(guò) ± 0. 06% 。目前，國(guó)內(nèi)的引伸計(jì)檢定裝置一般只具備引伸范圍在50mm 內(nèi)、分辨力 0. 2μm 以上的能力。對(duì)于量程較大、精度要求較高的引伸計(jì)，難以滿足其檢定和校準(zhǔn)的要求。本文研發(fā)了一套高精度、大量程引伸計(jì)智能化檢定系統(tǒng)，其分辨力為 0. 1μm，量程可達(dá) 500mm，各項(xiàng)計(jì)量性能指標(biāo)處于行業(yè)領(lǐng)先地位，不僅能夠解決高精度、大量程引伸計(jì)的檢定需求，還能實(shí)現(xiàn)智能化檢定，滿足新時(shí)期“互聯(lián)網(wǎng) + 計(jì)量”的要求，可廣泛應(yīng)用于材料試驗(yàn)機(jī)的引伸計(jì)及其它引伸裝置的檢定和校準(zhǔn)。
2. 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)主體組件的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示，主要由精密光柵尺、高精度螺桿、伺服電機(jī)、HMI( 人機(jī)界面) 及非標(biāo)加工件等組成，再通過(guò)串行端口和計(jì)算機(jī)相連。
上端測(cè)頭通過(guò)固定塊與精密絲桿螺紋配合，系統(tǒng)工作時(shí)，HMI 或計(jì)算機(jī)把工作指令傳送到 PLC，以控制伺服電機(jī)，帶動(dòng)精密絲桿，實(shí)現(xiàn)上端測(cè)頭的上下移動(dòng)，通過(guò)精密光柵尺監(jiān)測(cè)位移量，并實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸并存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)上。
當(dāng)開(kāi)展檢定或校準(zhǔn)工作時(shí)，計(jì)算機(jī)輸入或讀取引伸計(jì)信息后，將引伸計(jì)安裝到系統(tǒng)的測(cè)試部位( 下端固定軸的軸線) 上，然后選擇工作程序，按給定的速度和位移步長(zhǎng)開(kāi)始檢定或校準(zhǔn)工作。通過(guò)圖像識(shí)別，讀取引伸計(jì)的示值。根據(jù)檢定規(guī)程要求，設(shè)置好工作程序中的檢測(cè)點(diǎn)，這樣系統(tǒng)可以記錄各檢測(cè)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)值和引伸計(jì)示值，自動(dòng)完成電子原始記錄，還可以進(jìn)一步地根據(jù)設(shè)計(jì)好的模板和程序，生成電子證書(shū)并打印。其中，通過(guò) HMI 和計(jì)算機(jī)對(duì)工作程序( 包括位移量、速度等參量) 進(jìn)行調(diào)試和修改。
本系統(tǒng)因?yàn)椴捎酶呔裙鈻懦�，其分辨力可達(dá)0. 1μm，周期誤差不超過(guò) ± 0. 25μm，線性誤差不超過(guò) ± 1μm/m，保證了裝置的測(cè)量精度。采用 DELTA可編程控制器，用穩(wěn)定性好的伺服電機(jī)和精密絲桿配合，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)在整個(gè)工作過(guò)程中，可實(shí)現(xiàn)智能化，避免人工讀數(shù)和記錄引起的錯(cuò)誤和誤差，也消除了由于工作人員的不同而引起的差異，大大提高了工作效率。
3 .系統(tǒng)性能研究
3.1試驗(yàn)條件
按照《引伸計(jì)標(biāo)定器校準(zhǔn)規(guī)范》( JJF 1096 －2002) 的要求，對(duì)研制的高精度、大量程引伸計(jì)智能化檢定系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)室采用恒溫控制系統(tǒng)，溫度 23． 4℃，室溫變化 ＜ 0． 5℃ /h，濕度 65% ＲH。試驗(yàn)前，將本系統(tǒng)放置時(shí)間 ＞ 24h。3． 2 系統(tǒng)的穩(wěn)定性采用測(cè)量范圍( 1 ～ 1． 009) mm、( 0． 5 ～ 100) mm和 ( 125 ～ 500 ) mm 的 2 等 量 塊 組 以 及
MPE:± 0. 08μm的 TT80 型電感測(cè)微儀，按照 JJF 1096 －2002《引伸計(jì)標(biāo)定器校準(zhǔn)規(guī)范》
的要求對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。上端測(cè)頭在受到 1N 的垂向力時(shí)，其位置的示值變化為 0. 1μm，剛性滿足 JJF 1096 － 2002《引伸計(jì)標(biāo)定器校準(zhǔn)規(guī)范》的要求。
3.2.1儀器漂移
儀器漂移指其計(jì)量特性的變化引起的示值在一段時(shí)間內(nèi)的連續(xù)或增量變化，是儀器計(jì)量特性的重要指標(biāo)。將系統(tǒng)置于零位后( x00= 0. 0000μm) ，在 4h 內(nèi)，前 1h 每隔 15min，以后每隔 30min，記錄零位值 x0i，零位漂移值△x0可表示為:
3.2.2示值穩(wěn)定性
按 JJF1096 － 2002《引伸計(jì)標(biāo)定器校準(zhǔn)規(guī)范》的要求，分別校準(zhǔn)系統(tǒng) 20mm、100mm、500mm
的點(diǎn)。在示值穩(wěn)定后，每隔 15min 記錄系統(tǒng)示值，連續(xù)觀測(cè)1h，其示值誤差隨時(shí)間變化的曲線如圖 3 所示。
示值穩(wěn)定性 △xi可用各點(diǎn)示值 xi的最大值ximax與最小值 ximin之差表示，即:
根據(jù)圖 3 中的數(shù)據(jù)，結(jié)合式( 2) 可得，20mm、100mm、500mm 各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的示值穩(wěn)定性指標(biāo)分別為0． 3μm、0． 9μm、9． 1μm，均小于對(duì)應(yīng)校準(zhǔn)范圍技術(shù)要求的絕對(duì)誤差或相對(duì)誤差。
3． 2． 3 穩(wěn)定性考核
根據(jù) JJF 1033 － 2016《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》的要求，在 半 年 內(nèi)，每 隔 一 個(gè) 月 對(duì) 測(cè) 量 系 統(tǒng) 20mm、100mm、500mm 處進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量 10 次取平均值 x珋i，系統(tǒng)穩(wěn)定性用相鄰兩次的間隔變化量△x珋表示:
其中，i ＞ 1，20mm、100mm、500mm 對(duì)應(yīng)的間隔變化量如圖 4 所示，最大值分別為 0．2μm、0． 8μm、4． 7μm，均滿足校準(zhǔn)范圍內(nèi)的技術(shù)要求。
3.3示值誤差
依據(jù) JJF 1096 － 2002《引伸計(jì)標(biāo)定器校準(zhǔn)規(guī)范》，對(duì)本系統(tǒng)各點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)誤差如圖5 所示。圖 5( a) 為( 0 － 5) mm 各點(diǎn)的示值誤差，其值在( － 0． 15μm ～ 0． 15μm) 之間，圖 5( b) 為( 5 －500) mm 各點(diǎn)的相對(duì)誤差，其值在區(qū)間( － 0． 008%～ 0% ) 之間。
3． 4 系統(tǒng)的測(cè)量不確定度評(píng)定
依據(jù) JJG 762 － 2007《引伸計(jì)檢定規(guī)程》，采用本系統(tǒng)對(duì)系列引伸計(jì)進(jìn)行檢定，其測(cè)量模型可表述為:
δ 為引伸計(jì)的示值誤差，Li為引伸計(jì)的示值，而Lt為本系統(tǒng)的示值。根據(jù)測(cè)量過(guò)程，分析測(cè)量不確定度的來(lái)源時(shí)，主要考慮測(cè)量重復(fù)性引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量 u1、本系統(tǒng)的誤差所引起的不確定度分量 u2、引伸計(jì)最大誤差的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量 u3及由本系統(tǒng)的讀數(shù)分辨力所引起的不確定度分量 u4，則擴(kuò)展不確定度可表示為:
k 為包含因子，取 k = 2，本系統(tǒng)的校準(zhǔn)和測(cè)量能力( CMC) 可分段表示:
Urel為相對(duì)不確定度，是 U 和示值的比值的百分?jǐn)?shù)形式。
4. 結(jié) 論
本文研制的高精度、大量程引伸計(jì)智能化檢定系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)大量程、高精度、自動(dòng)化檢測(cè)的功能，拓展了引伸計(jì)檢定量程范圍，朝著“互聯(lián)網(wǎng) + 計(jì)量”對(duì)儀器設(shè)備智能化和“智慧測(cè)量”的方向發(fā)展。根據(jù) JJF 1096 － 2002《引伸計(jì)標(biāo)定器校準(zhǔn)規(guī)范》對(duì)引伸計(jì)標(biāo)定器的主要計(jì)量指標(biāo)要求，本系統(tǒng)可以用于( 0 － 500) mm 范圍內(nèi)，0． 2 級(jí)及以下引伸計(jì)的校準(zhǔn)和檢定工作。
依據(jù) JJG 762 － 2007《引伸計(jì)檢定規(guī)程》對(duì)引伸計(jì)進(jìn)行檢定和校準(zhǔn)時(shí)，其校準(zhǔn)和測(cè)量能力為: ≤5mm 時(shí)，U = 0． 4μm，k = 2; ＞ 5mm 時(shí)，Urel= 0． 1% ，k = 2。
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