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因瓦条码水准标尺基本码分划误差
的测量不确定度评定示例
1测量对象和方法
1.1测量对象:测量范围(0~3)m的因瓦条码水准标尺(以下简称条码尺)。
1.2测量方法:条码尺基本码分划误差的检测在竖向检定系统上进行。检测时,电机驱动导轨使条码水准标尺向下匀速运动,双频激光干涉仪和影像传感器同步分别采集位移数据和影像数据,直至检测结束。
2测量模型
对采集的水准标尺的像数据进行处理后,得到标尺上第i个分划的位置为,由m幅图像经处理后获得,每幅图像获得的第i个分划的位置为:
QUOTEpij=ξij-αyij
式中:
第i个分划的第j幅图像获得的第i个分划的位置,mm;
第i个分划的第j幅图像同步采集的双频激光干涉仪读数,mm;
QUOTEyij第i个分划在第j幅图像上的位置,pixel;
定标参数,mm/pixel,实验室定标参数为0.0096mm/pixel。
第i个分划由m幅图像获取的位置取均值获得,因此有:
QUOTEpi=1mpij
条码尺基本码宽为相邻黑码中心间隔,因此基本码宽由4个分划求得,即:
式中:
△基本码宽,mm;
、、、分别为第i+2、i+1、i和i-1个分划的位置,mm。
则:
式中:
基本码宽的标准测量不确定度,mm;
QUOTEu(ξ)双频激光干涉仪读数的不确定度,mm;
图像采集的不确定度,pixel;
m第i个分划有m幅图像,本装置各分划的图像幅数基本一致,m=13。
3输入量的标准不确定度的评定
3.1双频激光干涉仪装置引入的不确定度分量
3.1.1由双频激光干涉仪自身仪器误差引入的不确定分量QUOTEu1(ξ)
激光干涉仪经中国计量科学研究院检定,其不确定度为:,条码尺校准时运行距离最长为2.6m,根据上式产生的最大误差为0.46,则由此引入的不确定度分量为:
3.1.2由环境误差引入的不确定度分量
环境误差包括气温、气压、湿度测量不准确及在测量过程中的变化引起的误差。根据Edlen公式可以导出在标准状态环境附近的微分式:
式中:
L测量长度;
因气温、气压和湿度引起的长度误差;
相对于标准状态(气压P=1013250Pa,温度t=20℃,湿度f=1333Pa的空气折射率的变化量;
、、气温、气压和湿度相对于标准状态的变化量。
通常,采用上式对双频干涉仪的长度测量值进行改正。经改正后,环境误差主要为气温、气压和湿度的测量误差而引起的误差。上式中湿度对折射率的影响因子较小,在湿度传感器的不确定度为40Pa时,其对折射率的影响仅为0.02ppm,因此可以忽略湿度测量误差的影响。温度测量的最大误差为0,2℃,气压测量的最大误差为30Pa,检测过程中双频干涉仪测量长度最长为1.6m,按正态分布,由环境误差其引入的不确定度为:
3.1.3由激光于涉仪安装误差引入的不确定度分量
安装误差是由激光头、干涉仪、反射镜安装不当造成的,主要包括余弦误差、阿贝误差和空程误差。
余弦误差是由于激光光轴与运动轴不平行而引起的,其大小与两轴之间夹角的余弦成比例。阿贝误差是因为激光光轴与运动轴不重合引起的。空程误差,也称死区误差,是由于干涉仪置零时干涉镜与反光镜之间的光程无补尝造成的,其误差大小与死区长度和测量期间波长补偿数的变化量成正比。
在竖向检定系统中,激光干涉仪的反光镜安装在运动导轨的轴线上,通过调节激光光路,使激光光路准直,阿贝误差和余弦误差非常小,其影响可以忽略。另外,因为死区长度较小,且实验室环境非常稳定,可以忽略空程误差的影响,则:
3.2图像采集引入的不确定度分量
3.2.1由图像处理算法引入的不确定度分量
图像处理引入的最大误差为0.5个像素,目前系统的1个像素相当于9.6μm,因此由图像处理引入的最大误差为4.8μm。按均匀分布,则由CCD图像处理引入的不确定度分量为:
3.2.2由曝光延迟引入的不确定度分量
影像曝光时间为2ms,条码尺运行速度为1mm/s,在曝光时间内条码尺运行了2μm。按均匀分布,则由CCD曝光延迟引入的不确定度分量为:
4合成标准不确定度评定
由于各不确定度分量之间不具有值得考虑的相关性,则合成标准不确定度为:
5扩展不确定度评定
计算扩展不确定度时,取包含因子,并取1位有效数字,则扩展不确定度为:。
6测量不确定度的报告与表示
因瓦条码水准标尺基本码分划误差的测量不确定度为:,。
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