水準(zhǔn)儀中高精度光學(xué)測(cè)微器的性能評(píng)定

水準(zhǔn)儀中高精度光學(xué)測(cè)微器的性能評(píng)定

測(cè)微器是主要的光學(xué)測(cè)量和計(jì)算機(jī)儀。它使測(cè)量更直接、更準(zhǔn)確。新的國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程對(duì)其性能進(jìn)行了嚴(yán)格的技術(shù)要求,下面針對(duì)水準(zhǔn)儀中高精度光學(xué)測(cè)微器(單平板測(cè)微和單光楔測(cè)微)進(jìn)行探討。1基本工作原則1.1移動(dòng)量y的測(cè)量光線以一定的入射角α通過(guò)平板玻璃后,光線會(huì)產(chǎn)生平行移動(dòng)量Z,或平板玻璃旋轉(zhuǎn)α角時(shí),光線也會(huì)產(chǎn)生平行移動(dòng)量Z(如圖1所示),即Ζ=d{1-[cosα/(n2-sin2α)]1/2}sinαZ=d{1?[cosα/(n2?sin2α)]1/2}sinα一般采用正切機(jī)構(gòu)有效地補(bǔ)償平板玻璃的非線性誤差,故光線移動(dòng)量Z的簡(jiǎn)化公式為:當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)平板玻璃,讀出其轉(zhuǎn)角α,即可實(shí)現(xiàn)測(cè)微。平板玻璃的旋轉(zhuǎn)由齒條機(jī)構(gòu)來(lái)帶動(dòng),齒條由裝在測(cè)微手輪同一軸上的齒輪來(lái)帶動(dòng),其工作原理如圖2所示。當(dāng)平板玻璃旋轉(zhuǎn)α角時(shí),則有tanα=l/R,其中l(wèi)為齒條移動(dòng)量,R為平板玻璃旋轉(zhuǎn)軸至齒條的距離,即l=(πr/180)θ。式中,r為齒輪的半徑,θ為齒輪轉(zhuǎn)角即測(cè)微輪轉(zhuǎn)角。故當(dāng)平板玻璃旋轉(zhuǎn)α角時(shí),光線移動(dòng)量則為:Ζ=d[(n-1)/n]tanα-d[(n-1)/n](πr/180R)θZ=d[(n?1)/n]tanα?d[(n?1)/n](πr/180R)θ可以看出,Z∝θ,故允許平板玻璃對(duì)望遠(yuǎn)鏡視軸有較大傾角時(shí),仍滿足誤差要求。1.2光錨旋旋角的光學(xué)性能在調(diào)焦至無(wú)窮遠(yuǎn)的情況下,當(dāng)光楔旋轉(zhuǎn)一定角度時(shí),光線將產(chǎn)生相對(duì)的偏移量,其工作原理如圖3所示。當(dāng)光楔旋旋β角時(shí),光線偏移α角,投影到x軸和y軸,則產(chǎn)生偏移分量αx和αy。一般觀測(cè)上下移動(dòng)量,有αy=|→α|sinβ=(n-1)Asinβαy=|α?|sinβ=(n?1)Asinβ式中,n為光楔折射率,A為光楔楔角,可以看出αy∝A,因此在設(shè)計(jì)中無(wú)原理誤差。2儀器檢定和數(shù)據(jù)處理按規(guī)程JJG960-2001要求,測(cè)微器主要用于檢定調(diào)焦運(yùn)行誤差時(shí),必須進(jìn)行示值誤差的檢定,其中一級(jí)測(cè)微器示值誤差小于等于0.15mm。對(duì)正調(diào)焦儀器(如DS系列和DSZ系列),按規(guī)程JJG960—2001要求進(jìn)行檢定和數(shù)據(jù)處理。對(duì)負(fù)調(diào)焦儀器(如JSJ系列檢驗(yàn)儀)采取如下方法:可用2～3臺(tái)同等級(jí)正調(diào)焦儀器的測(cè)微器先進(jìn)行互比,再以其為標(biāo)準(zhǔn),檢定負(fù)調(diào)焦儀器測(cè)微器;也可用更高等級(jí)的測(cè)微器直接檢定。少數(shù)高精度儀器(如JSJ系列檢驗(yàn)儀)還包括光楔測(cè)微器,可以精度高于此光楔測(cè)微器的光電自準(zhǔn)直儀作為標(biāo)準(zhǔn)儀器,將JSJ系列檢驗(yàn)儀調(diào)焦至無(wú)窮遠(yuǎn),按規(guī)程JJG960—2001要求進(jìn)行檢定和數(shù)據(jù)處理。3誤差分析3.1平板測(cè)量微裝置1up.zma平板測(cè)微器因采用正切機(jī)構(gòu)而產(chǎn)生原理誤差。已知儀器d=26mm,n=1.5163,最大角α=29.457°,則ΔΖmax=|d[(n-1)/n]tanαmax-d[1-cosαmax/(n2-sin2αmax)1/2]sinαmax|=0.024mmΔZmax=|d[(n?1)/n]tanαmax?d[1?cosαmax/(n2?sin2αmax)1/2]sinαmax|=0.024mm在實(shí)際中,通過(guò)校正行差,使得ΔΖmax=0.024×40%=0.01mm=10μmΔZmax=0.024×40%=0.01mm=10μm即m1=10μm。2齒輪齒條間間隙誤差的分析主要有平板玻璃的加工誤差、齒輪齒條的嚙合間隙誤差以及齒條上的連接頭與平板玻璃連接槽之間的間隙誤差。a.平板玻璃的加工誤差m21,又分為:①平板玻璃的平行差θ,當(dāng)θ<1″時(shí)對(duì)光線偏移量的影響可忽略不記。②平板玻璃的最小焦距,當(dāng)表面光圈N≤0.1時(shí)對(duì)光線的偏移量沒(méi)有影響。③平板玻璃的厚度差Δd對(duì)光線偏移量的影響。已知Δd≤0.02mm,n=1.5163,取α角最大值為29.457°,變換系數(shù)取Κ=√3K=3√(以下K均取此值),則有m21=ΔΖ/Κ=Δd[(n-1)/(Κn)]tanα=0.02×[(1.5163-1)/(√3×1.5163)]tan29.457=2μmm21=ΔZ/K=Δd[(n?1)/(Kn)]tanα=0.02×[(1.5163?1)/(3√×1.5163)]tan29.457=2μmb.齒輪齒條的嚙合間隙誤差m22。由于采用了彈性機(jī)構(gòu),嚙合間隙在0.5′～3′之間,已知測(cè)微手輪的最小刻線間隔為100′,最小刻度單位為0.05mm,則m22=3/100×0.05×1/Κ=1μmm22=3/100×0.05×1/K=1μmc.齒條上的連接頭與平板玻璃連接槽之間的間隙誤差m23。配合間隙產(chǎn)生轉(zhuǎn)角誤差為±Δα,已知最大配合間隙Δ=0.009mm,到轉(zhuǎn)動(dòng)軸的距離r′=19mm,則m23=ΔΖ/Κ=1/√3×d[(n-1)/n]tan2Δα=1/√3×[26×(1.5163-1)/1.5163]tan2×(360×0.009/(2π×19)=5μmm23=ΔZ/K=1/3√×d[(n?1)/n]tan2Δα=1/3√×[26×(1.5163?1)/1.5163]tan2×(360×0.009/(2π×19)=5μm由此,可得加工的中誤差:m2=(22+12+52)1/2=6μmm2=(22+12+52)1/2=6μm3儀器參數(shù)估讀誤差a.瞄準(zhǔn)誤差m31。已知Ni002測(cè)微器望遠(yuǎn)鏡放大率V=42,Pγ″=15″,則m31=±β/Κ=±Ρ′γ×5×103/(ΚVρ″)=±(15″×5×103)/(√3×42×206265″)=5μmm31=±β/K=±P′γ×5×103/(KVρ′′)=±(15′′×5×103)/(3√×42×206265′′)=5μmb.JSJ檢驗(yàn)儀平板測(cè)微器估讀誤差m32。已知最小刻度τ=0.05mm,則m32=τ/5Κ=0.05/5√3=6μmm32=τ/5K=0.05/53√=6μmc.Ni002測(cè)微器估讀誤差m33。已知最小刻度τ=0.05mm,則m33=6μm,由此,可得人為的中誤差:m3=(52+62+62)1/2=10μmm3=(52+62+62)1/2=10μmd.比對(duì)儀器引入的誤差m4。多次檢定Ni002測(cè)微器,取試驗(yàn)平均值m4=15μm。綜合3.1節(jié)的分析,得出JSJ系列檢驗(yàn)儀平板測(cè)微器的誤差為:m平板=(m21+m22+m23+m24)1/2=22μmm平板=(m21+m22+m23+m24)1/2=22μm3.2光刻測(cè)量微器1光錨的最小焦距誤差c主要有光楔楔角加工誤差引起的示值誤差、光楔的最小焦距誤差以及機(jī)械配合間隙引起的誤差。a.光楔楔角加工誤差ΔA引起的示值誤差δ11。已知JSJ儀器楔角誤差ΔA的最大范圍為±0.5″,n=1.5163,β=90°,則δ11=Δαmax/Κ=(n-1)ΔAmaxsinΔβ/Κ=(1.5163-1)×0.5×sin90/√3=0.15″δ11=Δαmax/K=(n?1)ΔAmaxsinΔβ/K=(1.5163?1)×0.5×sin90/3√=0.15′′b.光楔的最小焦距誤差。當(dāng)表面光圈N≤0.2時(shí),對(duì)光線的偏移量沒(méi)有影響。c.機(jī)械配合間隙引起的誤差δ12。加工精度可以保證間隙在5′～15′之間,則δ12=Δαmax/Κ=(n-1)AsinΔβ/Κ=30″×sin15′/√3=0.08″δ12=Δαmax/K=(n?1)AsinΔβ/K=30′′×sin15′/3√=0.08′′由此,可得加工引起的中誤差:δ1=(δ211+δ212)1/2=0.17″2光錨接收點(diǎn)估讀誤差a.瞄準(zhǔn)誤差δ21。已知0.5″級(jí)光電自準(zhǔn)直儀放大率為51,取P″γ=15″,則δ21=±(β/Κ)=±(Ρ?γ/ΚV)=±(15″/√3×51)=0.17″b.JSJ檢驗(yàn)儀光楔測(cè)微器估讀誤差δ22。已知最小刻度τ=1″,則δ22=τ/5Κ=1/5√3=0.12″c.0.5″級(jí)光電自準(zhǔn)直儀測(cè)微器估讀誤差δ23,已知最小刻度τ=0.5″,則δ23=τ/5Κ=0.5/5√3=0.06″由此,可得人為的中誤差:δ2=(0.172+