小角度仪器零位误差调整方法研究

小角度仪器零位误差调整方法研究　姜国雁　杨玉洁　解冬妮　陈海华　刘伟伟　顾小华　（沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁沈阳１１００４３）　

摘要：本文主要研究小角度仪器框式、条式水平仪零位误差校准技术原理，以及不同结构水平仪零位误差不合格时的调整方法。通过本项目的研究，解　决了水平仪零位误差调修问题，完善现场校准工作，提高水平仪校准工作的完成效率。　关键词：水平仪；零位误差；校准　中图分类号：ＴＧ８２４　文献标识码：Ａ　国家标准学科分类代码：４６０．４０３０　ＤＯＩ：１０．１５９８８／ｊ．ｃｎｋｉ．１００４—６９４１．２０１７．０１．０４８　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｚｅｒｏ　Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｍａｌｌ・－－Ａｎｇｌｅ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ　Ｊｉａｎｇ　Ｇｕｏｙａｎ　Ｙａｎｇ　Ｙｕｊｉｅ　Ｘｉｅ　Ｄｏｎｇｎｉ　Ｃｈｅｎ　Ｈａｉｈｕａ　Ｌｉｕ　Ｗｅｉｗｅｉ　Ｇｕ　Ｘｉａｏｈｕａ　

１　引言　水平仪是一种测量小角度的常用计量器具，用于测　量相对于水平位置的倾斜角、机床类设备导轨的平面度　和直线度、设备安装的水平位置和垂直位置等。按水平　仪的外形不同可分为框式水平仪和条式水平仪两种；按　水准器的固定方式又可分为可调式水平仪和不可调式水　平仪。　校准水平仪零位误差不合格时，需要对其零位进行　调整。由于水平仪送外修需要较长的返修周期，极大的　延长了校准时间，影响生产任务的高效完成。为完善现　场校准工作，本文主要研究水平仪零位误差参数校准技　术原理，通过研究三种不同调整机构水平仪的零位调整　方法，解决水平仪调修问题。　２小角度仪器零位误差校准技术原理　２．１小角度仪器概述　本课题研究的小角度仪器主要包括框式水平仪和条　式水平仪。框式、条式水平仪是利用液面水平的原理，以　水准泡直接显示角位移，测量相对于水平和铅垂位置微　小倾斜角度的一种通用角度计量器具，也可用于测量各　种机床导轨的直线度平面度及平行度，校正设备安装的　水平和铅直位置等。　框式水平仪和条式水平仪的外形结构如图ｌ、图２　所示。　水平仪的零位是指水平仪的工作面处于自然水平位　置时气泡应处于中间两条长分划线的对称位置，即气泡　两端与长分划线的间距相等。水平仪零位合格与否，将　直接决定水平仪校准工作能否继续进行，影响测量数据　

收稿日期：２０１６—０８—２９　

的准确性。　绝热手柄　主水准泡　

主　盏板　图１框式水平仪外形结构图　

副水准泡　调整机构　

绝热手柄　图２条式水平仪外形结构图　２．２零位误差产生原因　由于水平仪通常用螺帽或螺杆固定，运输、放置、震　动、温度、磨损以及黏胶老化等因素都会造成螺帽或螺杆　松动，致使水准泡发生倾斜，导致水准泡里的水泡跑偏，　水平仪产生零位误差。　为保证校准工作的顺利开展及水平仪的正常使用，　一旦发现水平仪零位误差不合格，则需要重新调整零位。　３　小角度仪器零位误差调修方法　按水准泡的安装方式，水平仪主要可分为托板螺帽　式、簧片托板偏心式、偏心套管式三种，不同结构的水平　仪零位调整方法也不同。　计量与Ｉ科试技术》２０１７丰第４４基第１期　调整前，判断水准泡的倾斜方向，一般气泡偏向的一　端为高端。调节调整机构，使气泡向低端移动到调节前　正反两次读数和一半的位置上，将水平仪调转并放在原　来的位置上。观察气泡反复调整，每次均调整在前次两　个读数和一半的位置上直到使水平仪零位误差合格，将　调整机构固紧。将水平仪放置４ｈ后，若再次检定合格方　可使用。　调整过程中，气泡变化示意图如图３所示。　（　…Ｉ旺］…ｌ１　）（　……　二二　…１　）　１一水平仪处于原位置：５格　２－－７Ｊ￣ｚ仪调转１８０ｏ：７格　／———————————————————■————、　（……　二二　…）　３一水平仪调整后：—５　＋７＝６格　图３调整过程示意图　３．１　托板螺帽式水平仪调修方法　该结构多见于沈阳水平仪厂生产的水平仪。打开水　平仪侧平工作面下方的圆盖板，就可看到一套螺杆螺母　构成的托板螺帽式调节装置。托板螺帽式水平仪结构如　图４所示。托板螺帽式水平仪用专用扳手调节，有些水　平仪在出厂时已经配备，没有配备的可用钢调质处理后　加工成形。　托板　图４托板螺帽式水平仪结构图　先用扳手调节锁定螺帽使托板放松，以没有调节孔　的一面在左边为例，若水泡在左边，就向上调节螺帽，使　托板向上动，直至水泡向左边移动。按照上述方法反复　调节，直至水平仪零位误差合格。注意在调节螺帽时，用　力一定要轻，使水泡在水准管中缓慢移动，到达想要的位　置。并在调节到适当位置后，慢慢拧紧上下两颗螺帽，防　止调节好的水泡发生偏离，其中，上下两颗螺帽的拧紧方　向相反。　３．２簧片托板偏心式水平仪调修方法　簧片托板偏心式水平仪的水准管装在托板上，托板　一端与支点铰接，另一端的Ｖ形面放在偏心圆柱上，用　簧片将托板压紧，以保持托板和偏心圆柱间的良好接触，　水平仪主体的一侧有一小圆孔，一般设有“调零”二字，　用螺丝刀旋转偏心圆柱上的开口，即可进行零位调整。　这种结构的水平仪，其零位调整的最大范围是偏心　圆柱偏心量的两倍，如在此范围内调整仍不能使零位误　差合格，可将托板左边的支点升高或降低，使调整范围能　够满足要求。此外，调整用螺丝刀的刀口尺寸应与偏心　圆柱上的开口尺寸相吻合，以免弄伤开口。簧片托板偏　心式水平仪结构如图５所示。　

簧片　

托板　

图５　簧片托板偏心式水平仪结构图　３．３偏心套管式水平仪调修方法　

该结构的水平仪其水准管固定在一个套管内，套管　两端是两个偏心支承，偏心支承与管座接触，水平仪主体　的一侧有两颗螺丝将偏心固紧，松开固紧螺丝，在水准管　两头装的偏心开口处用专用扳手旋转偏心，水准管就被　抬高或降低，从而达到调整零位的目的，调整步骤同上　文。调好后，固紧两螺丝，经零位检定合格后即可使用。　偏心套管式水平仪结构如图６所示。　

图６偏心套管式水平仪结构图　４总结与展望　以上介绍了水平仪的零位误差校准技术及几种常见　结构水平仪零位的调整方法。总之，水平仪零位的调整就　是通过调整装置使固定在其上的水准管的气泡与水平仪下　平工作面平形，从而消除零位误差对测量结果的影响。　若仍无法调节水平仪零位误差至合格范围内，则需　判断水平仪水准泡是否松动：首先检查水准泡是否脱落、　微松动或漏气。　水准管脱落易判断：打开水准管盖板，用手轻拨有松　动，说明水准管脱落。　如果水准管中根本没有气泡，就可知漏气。　对于水准泡微松动现象较难判断：在上述现象都不　明显存在的情况下，校准中发现示值严重超差，在检查外　观及各部分相互作用时零位调整机构松动可能已排除，　实际工作中零位误差仍调不到位，就要怀疑水准管与托　板有微松动现象。　对于以上三种现象，主要有两种处理办法：　（下转第１１０页）　计量与阕试技术　２０１７丰第４４基第１期　Ｓ９＝０．６３ｇ来代替Ｓ。　标准不确定度为　（ｐ。）＝ｓ，／４￣＝０．４４ｇ　自由度　，：ｍ（１７，一１）＝９０　４．２输入量ｍ的标准不确定度　（　）的评定　４．２．１输人量ｍ　的不确定度　（ｍ。）主要来源于电子称　测量时偏载误差引起。　采用Ｂ类方法评定：电子秤进行偏载试验时，用最　大称量１／３的砝码，放置在１／４秤台面积中，最大值与最　小值之差一般不会超过５ｇ，半宽０＝２．５ｇ，而测量放置砝　码的位置较为注意，偏载量远比做偏载试验时少，假设其　误差为偏载试验时的１／３，并服从均匀分布，包含因子Ｋ　

＝√３，可得　ｕ（ｍ１）：２．５ｇ／（３×，／３）＝０．４８ｇ　估计△　（ｍ　）／／Ｚ（ｍ。）＝０．１，则　＝（０．１）～／２＝　５０　４．２．２输人量ｍ：的不确定度“（ｍ２）主要来源于电源电　压稳定度引起的标准不确度。采用Ｂ类方法评定　电源电压在规定条件下可能会造成示值变化０．２ｅ，　即±１．０ｇ，假设半宽　＝１．０ｇ，服从均匀分布，包含因子　

＝　，

ｕ（ｍ：）＝丢＝　＝ｏ．５８ｇ　√ｊ　√ｊ　

估计△　（ｍ２）／／／，（／７／，２）＝０．１，则Ｖｍ２＝（０．１）～／２＝　５０　４．２．３输人量ｍ　的不确定度　（ｍ　）源于标准砝码，因　此采用Ｂ类方法。　查表得到１５ｋｇ砝码，允差±０．７５ｇ，按均匀分布来考　

虑，包含因子Ｋ＝　，其标准不确定度　（，ｎ）＝０．７５ｇ／Ｊ３＝０．４３　ｇ　估计△ｕ（ｍ）／　（ｍ）：０．１，则　＝（０．１）～／２＝５０　４．１．４输入量ｍ的标准不确定度的计算　（ｍ）＝￣／　（ｍ１）＋Ｍ　（ｍ２）＋　（ｍ３）＝ｏ．８２ｇ　

自由度　ｍ１　Ｍ　（ｍ２）　

・－－一　ｌ，　

１１２　

５合成标准不确定度的评定　５．１输入量的标准不确定度汇总表２　表２　

５．２合成标准不确定度的评定　输人量Ｐ和ｍ彼此独立互不相关，所以在合成标准　不确定度可按下式得到　Ｍ　（△Ｅ）＝、／／　（Ｐ）＋“　（ｍ）＝／ｏ．８２　＋０．４４　＝０．９３　５．３由韦尔奇一萨特思维公式计算有效自由度为　：（△Ｅ）０．９３４　０　．８２砸４　０．４４４　。　１１３。５０　

１８４　

将合成标准不确定度的有效自由度　估算为１００，　对测量结果不会有太大的影响。　６扩展不确定度的评定　取置信概率９５％，按有效自由度，查ｔ分布表，得到　＝ｔ９５（１ＯＯ）＝１．９８４　扩展不确定度　Ｕ９５＝ｋ。。／／，。（△Ｅ）＝１．９８４×０．９３＝１．８ｇ　７　测量不确定度的报告与表示　（１）１５ｋｇ电子秤示值误差测量值的扩展不确定度为　Ｕ９　＝１．８ｇ　（２）自由度为　＝１００　参考文献　［１］李慎安，刘风．ＪＪＦ１０５９—１９９９｛测量不确定度评定与表示》．北京：　中国计量出版社。１９９９．　［２　３黄廷茂，彭志霞，依据ＪＪＧ５３９—１９９７数字指示秤检定规程．北　京：中国计量出版社，２００２．　

作者简介：刘鹏德，男，工程师。工作单位：克州质量与计量检测所。　

（上接第１０８页）　（１）用５０２速溶胶滴在水准管与托板的黏合处。实　践证明，这种方法不是每次都能解决问题。　（２）用带有控温功能的针头式电烙铁，温度以刚好　能融化黏胶为宜。用电烙铁融化水准管与托板之间的黏　合，完整安全地卸下水准管。调整水平仪鉴定器使其工　作面处于水平位置，将水平仪放置在台面上，并用ＡＢ双　管胶将水准管与托板重新固定好，使气泡大致处于中间　两条长刻线内，然后再对零位进行调整。　

调整后的水平仪放置４ｈ，再次校准合格后，即可正　常使用。　参考文献　［１］ＪＪＧ　１０３—２００５｛框式水平仪和条式水平仪校准规范》．　

作者简介：姜国雁，男，工程师。工作单位：沈阳黎明航空发动机（集团）有　限责任公司。　杨玉洁，解冬妮，陈海华，刘伟伟，顾小华，沈阳黎明航空发动机（集　团）有限责任公司（沈阳１１００４３）。