陈洪峰 CHEN Hong-feng
（宁德市计量所，宁德 352100）
摘要：目前我国传统的万能工具显微镜数量极大，很多企业，每个计量所、计量研究院至少有一台，该设备致使工作效率低下，因此急需对它进行技术改造和升级。数字式万能工具显微镜一个明显的标志就是读数的数字化，减少人工读数和计算，提高工作效率。应用计算机接口技术和信号处理的算法，对万能工具显微镜进行数字化改造，实现图像数据的自动采集和处理，大大地提高了工作效率，降低了人为手工操作的出错率和人眼读数带来的误差。在本文中我们将通过对我所目视式万能工具显微镜的数字化改造，实现其的数字化，降低设备更新的成本，提高工作效率，并对比改造前后测量结果准确性及不确定度评定，希望提高数据的准确性，对零件、试验筛的检测实现数字化，克服人眼读数带来的误差，提高计量测试工作的准确性和效率。
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关键词 ：万能工具显微镜；数字化改造；不确定度评定
中图分类号：TH742 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）17-0152-03
作者简介：陈洪峰（1986-），男，福建福鼎人，计量检定员，研究方向为计量检定。
0 引言
目视式万能工具显微镜是一种精确的二维坐标测量仪器，应用范围非常广泛，可以测量零件的长度、角度、螺纹等诸多几何量参数，是长度测量领域中使用最普遍的一种测试仪器，广泛应用于各类机械加工企业、计量行业的各种检测校准工作。但老式的设备在实际操作使用中，必须通过测量人员的眼睛使用物镜来观察，并且利用测微目镜进行定位对线，并使用光学读数系统进行读数，所以有更多的人为原因引起的误差，而且测量人员的劳动强度大，难以适应现代化生产的快节奏的要求。因此对老式的万能工具显微镜进行改造已迫在眉睫了。
近来，对宁德市计量所的老式万能工具显微镜进行数字化改造升级，实现其数字化，并保留光学读数系统，现在对改造前后万能工具显微镜测量示值误差进行分析以及不确定度进行评定与对比。
1 改造前后万能工具显微镜示值误差
依据中华人民共和国国家计量检定规程《工具显微镜检定规程》中“示值误差”的测量原理：将被检仪器的毫米刻度尺与二等标准玻璃线纹尺进行比较测量得到其各点误差值，分别用光学读数系统和光栅读数系统读数，读出移动前后的示值，将两个数值之差来得出最后的示值误差。
检定万能工具显微镜示值误差时，移动X轴或Y轴工作平台使玻璃线纹尺尽量靠近处于零位。然后将二等标准玻璃线纹尺放置在万分显工作台的中间位置上，尽量与工作台水平线平行或者垂直，其数值刻线面背着物镜。调整标准玻璃线纹尺，使标准玻璃线纹尺零边线处于目镜视场中的双线附近。然后微调万能工具显微镜的工作平台，使标准玻璃线纹尺“0”刻度与目镜中的刻线对准，并从光学读数装置上读数（数显的则按归零键）。然后依次移动工作平台25mm，使标准玻璃线纹尺的相应该刻线影像与目镜中的双线对准，并依次按读数装置上进行读数或直接读取数字显示的数值。每点均应进行4次重复测量，最后取其平均值作为该点的读数。万能工具显微镜示值误差的检定，不仅包括工作台正向行程示值误差的检定，还包括反行程示值误差的检定。（图1）
各点误差按公式（1）计算:
δi=（ai-a0）-△Li（mm）（1）
式中：δi——被检点的误差值，mm；
ai，a0——分别为仪器受检点和起始点4次读数的平均值，mm；
△Li——为标准玻璃尺所用的一段实际尺寸，mm。
根据以上方法，测得万能工具显微镜改造前后的校准结果如表1和表2所示。
由表1和表2校准结果可知，改造前后都未超过检定规程要求的不大于 （1+L/100）μm；L为被检玻璃线纹尺长度（mm）。数显部分的示值误差无论横向还是纵向都比光学部分偏小。
2 改造前后万能工具显微镜不确定度评定
2.1 测量方法
根据检定规程JJG56-2000《工具显微镜》，采用二等玻璃线纹尺，对横向50mm这个点进行示值误差校准，进行校准结果测量不确定度评定。
2.2 测量不确定度评定
2.2.1 测量不确定度有以下几个分量：
①万能工具显微镜的重复性测量对测量结果的影响；
②读数误差和瞄准误差对测量结果的影响；
③阿贝误差对测量结果的影响；
④玻璃线纹尺误差对测量结果的影响（为保证一般性，线纹尺未加修正值）；
⑤温度误差对测量结果的影响。
2.2.2 测量标准不确定度各分量的计算
①万能工具显微镜的测量重复性不确定度分量u1。
用玻璃线纹尺对横向50mm点进行测量，在相同条件下，测量10次，采用A类不确定度评定方法，得到下表3所示数据，根据数据按公式（2）计算测量重复性引起的不确定分量u1。
由10次连续独立重复测量的数据计算出来的标准不确定度u1（A类不确定度），已包括了读数误差与瞄准误差对测量结果的影响，故不再对读数误差和瞄准误差引起的不确定度分量进行评定和合成。
②阿贝误差引起的不确定度分量u2。
二等玻璃刻度尺的高度为20mm，采用B类不确定度评定方法进行评定，阿贝误差的极限误差[1]为：
式中：L为被测工件的长度；H为被测工件的测量面高出平台玻璃面的距离，两者单位均为mm；所求得误差单位为μm。可知此量的区间半宽为0.25μm。假定服从均匀分布，得阿贝误差引起的不确定度分量为：
③玻璃线纹尺误差引起的不确定度分量u3。
由JJG73-2005《高等别线纹尺》检定规程知：
二等玻璃线纹尺U95=（0.14+1.0L）μm，
式中：L为被测长度，m。
采用B类不确定度评定方法进行评定，可得半峰宽U=0.14+0.05=0.19μm，得玻璃线纹尺误差引起的不确定度分量为：
2.4 扩展不确定度
对于一般精度的测量，取k=2，相应的置信概率为95%，则扩展不确定度为：
U=kuc=2×0.37=0.74μm≈1μm（光学）
U=kuc=2×0.35=0.70μm≈1μm（数显）
5、测量结果表示
万能工具显微镜在50mm处的测量结果为：
x=50.002，（U=1μm，k=2）（光学）
x=50.001，（U=1μm，k=2）（数显）
3 小结
本次改造后的万能工具显微镜，在综合精度方面有所提升，减少肉眼读数所带来的困扰，大大提高工作效率。这次改造还是非常成功的，完全符合日常工作的需求。
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参考文献：
[1]费业泰.误差理论与数据处理[M].北京：机械工业出版社，1999：86-93.
[2]周文斌.万能工具显微镜目镜视场数据采集数字化的研究[D].天津大学，2004.
[3]陈刚.万能工具显微镜示值误差检定中的余弦误差调整方法[J].上海计量测试，2013（01）.