论文部分内容阅读
【摘要】 量块是长度计量领域最重要的标准器之一。本文通过建立用比较测量法测量被测量块的长度偏差的模型，分析由于标准量块和被测量块材质特性不同所引起的误差，以便必要时对测量结果进行修正。
【关键词】 陶瓷量块;误差;线膨胀系数
【DOI编码】 10.3969/j.issn.1674-4977.2021.04.009
Analysis of Ceramic Measuring Blocks’ Measurement Results Based on Comparative Measurement Method
HAN Qiao-chu
（Liaoning Institute of Measurement，Shenyang 110004，China）
Abstract： Gauge block is one of the most important standard appliances in the length measurement area. In this paper，a model is build up based on comparative measurement method to analysis the measured gauge block’s measurement error due to the different materials between the standard gauge blocks and measured gauge blocks. So that，when it is necessary one could modify the measurement results through this model.
Key words： ceramic measuring block;measurement error;linear expansion coefficient
1 概述
量塊是长度计量领域中最重要的标准器之一，其广泛应用于长度量值传递系统中。因此，量块的材质、检定、使用、保养都会直接影响到计量器具、零件加工、机械制造的准确度。目前市场上使用的量块多为钢质材质，但是随着机械加工业的不断发展，对量块要求也越来越高，钢质量块已经不能完全满足行业需求。因此，陶瓷量块进入了大众的视野。由于陶瓷量块的主要成分为氧化锆（ZrO2），它具有耐腐蚀、耐磨损、稳定性好等特点，不需要通过特别的涂油、包装来进行保存，所以给使用者带来了很大的便利，在企业中得到了广泛的使用。因此，有必要对陶瓷量块的检定加以重视。
在比较测量中，当采用钢质量块为基准检定陶瓷量块时，应充分考虑由线膨胀系数等材质特性的不同所引入的误差，及时进行修正，不能将直接进行比较测量得到的等级结果作为被测陶瓷量块的检定结果。
2 材料特性
在机械制造、汽车等行业中，常常需要用量块对钢制零件进行精密测量。陶瓷量块的不导磁、不导电等特性也为特殊环境下的使用提供了可行性。另外，钢质量块的原材料属于塑性材料，而陶瓷属于脆性材料，当这两种量块受到外力作用时产生的变形不尽相同。钢质量块可能会产生不易察觉的塑料变形，容易引起误导操作;而陶瓷量块仅会产生弹性变形，不会引起误导。陶瓷和钢这两种材质的主要物理特性见表1。
3 建立测量模型
由于标准量块和被测量块的材质不同，被测量块在20 ℃时的长度偏差除了需要考虑温度偏离，还要考虑线膨胀系数和接触变形，设被测量块在20 ℃时的长度偏差为[e]，则：
[C2=δu+δd-δsu-δsd]
其中：[C1=[α（20-t）-αs（20-ts）]×ln]——测量时被测量块温度[t]和标准量块温度[ts]偏离20 ℃所引入的修正值;
[C2=δu+δd-δsu-δsd]——测量时被测量块和标准量块材质不同引起不同程度的接触变形而引入的修正值。
以标称值为100 mm的陶瓷量块为例，分析由于材质不同所引入的修正值。将钢质标准量块和被测陶瓷量块置于电脑量块比较仪的带筋工作台上，经过足够长的时间达到标准量块与被测量块温度平衡后，进行比较测量。
3.1 环境温度和线膨胀系数引起的测量误差的修正
当实验室的温度为20.1 ℃时，根据表1中列出的物理性质，可得：
[C1=[α（20-t）-αs（20-ts）]×ln=0.02] μm
3.2 弹性模数引起的测量误差的修正
通过比较测量法检定量块时，量块由于自重和测力的影响，会在受力部位产生接触变形。根据JJG 146-2011《量块》检定规程可知，[C2=δu+δd-δsu-δsd]，其中，
[δu=0.775×P2R1（1E1+1E2）23]
[δd=0.775×（P+ω）2R3（1E3+1E2）23]
[δsu=0.775×P2R1（1E1+1Es2）23]
[δsd=0.775×（P+ωs）2R3（1E3+1Es2）23]
当比较仪采用筋工作台时，[R3=∞]，则[δd]和[δsd]的值为0，在这种情况下，[C2]可以表示为[C2=δu-δsu]。式中[δu]和[δsu]分别为比较仪上测头与被测量块和标准量块朝上测量面之间接触变形的量。根据表1可知，陶瓷和钢的弹性模数相同，所以比较测量时，弹性变形的量相同，不影响检定结果。
通过以上分析可知，该100 mm陶瓷量块的修正值为[0.02] μm。同样的方法可以分析出其他尺寸陶瓷量块的修正值，根据实际情况，应对测量结果进行必要的修正。
4 结论
当标准量块和被测量块材质不同时，需要通过计算分析对测量结果进行必要的修正。以钢质量块为标准量块，用比较测量的方法检定陶瓷量块时，必须考虑环境温度和线膨胀系数的影响。由于陶瓷和钢的弹性模数相同，弹性变形的影响可以忽略。
【参考文献】
[1] 量块：JJG 146-2011[S].
[2] 刘香斌，陈建军，吴月艳，等.JJG 146-2011《量块》检定规程解读[J].中国计量，2012（7）：124-125.
[3] 朱纬.比较测量中标准量块与被测量块材质不同时引起的误差分析[J].上海计量测试，2014（6）：13-14+17.
[4] 张锡水，李志刚.陶瓷量块的比较测量分析[J].计量技术，1998（6）：33-35.
[5] 孙晓莉.量块材质特性比较[J].工业计量，2012（S1）：264-265.
【作者简介】
韩翘楚（1989-），女，工程师，硕士，研究方向为长度计量。
【关键词】 陶瓷量块;误差;线膨胀系数
【DOI编码】 10.3969/j.issn.1674-4977.2021.04.009
Analysis of Ceramic Measuring Blocks’ Measurement Results Based on Comparative Measurement Method
HAN Qiao-chu
（Liaoning Institute of Measurement，Shenyang 110004，China）
Abstract： Gauge block is one of the most important standard appliances in the length measurement area. In this paper，a model is build up based on comparative measurement method to analysis the measured gauge block’s measurement error due to the different materials between the standard gauge blocks and measured gauge blocks. So that，when it is necessary one could modify the measurement results through this model.
Key words： ceramic measuring block;measurement error;linear expansion coefficient
1 概述
量塊是长度计量领域中最重要的标准器之一，其广泛应用于长度量值传递系统中。因此，量块的材质、检定、使用、保养都会直接影响到计量器具、零件加工、机械制造的准确度。目前市场上使用的量块多为钢质材质，但是随着机械加工业的不断发展，对量块要求也越来越高，钢质量块已经不能完全满足行业需求。因此，陶瓷量块进入了大众的视野。由于陶瓷量块的主要成分为氧化锆（ZrO2），它具有耐腐蚀、耐磨损、稳定性好等特点，不需要通过特别的涂油、包装来进行保存，所以给使用者带来了很大的便利，在企业中得到了广泛的使用。因此，有必要对陶瓷量块的检定加以重视。
在比较测量中，当采用钢质量块为基准检定陶瓷量块时，应充分考虑由线膨胀系数等材质特性的不同所引入的误差，及时进行修正，不能将直接进行比较测量得到的等级结果作为被测陶瓷量块的检定结果。
2 材料特性
在机械制造、汽车等行业中，常常需要用量块对钢制零件进行精密测量。陶瓷量块的不导磁、不导电等特性也为特殊环境下的使用提供了可行性。另外，钢质量块的原材料属于塑性材料，而陶瓷属于脆性材料，当这两种量块受到外力作用时产生的变形不尽相同。钢质量块可能会产生不易察觉的塑料变形，容易引起误导操作;而陶瓷量块仅会产生弹性变形，不会引起误导。陶瓷和钢这两种材质的主要物理特性见表1。
3 建立测量模型
由于标准量块和被测量块的材质不同，被测量块在20 ℃时的长度偏差除了需要考虑温度偏离，还要考虑线膨胀系数和接触变形，设被测量块在20 ℃时的长度偏差为[e]，则：
[C2=δu+δd-δsu-δsd]
其中：[C1=[α（20-t）-αs（20-ts）]×ln]——测量时被测量块温度[t]和标准量块温度[ts]偏离20 ℃所引入的修正值;
[C2=δu+δd-δsu-δsd]——测量时被测量块和标准量块材质不同引起不同程度的接触变形而引入的修正值。
以标称值为100 mm的陶瓷量块为例，分析由于材质不同所引入的修正值。将钢质标准量块和被测陶瓷量块置于电脑量块比较仪的带筋工作台上，经过足够长的时间达到标准量块与被测量块温度平衡后，进行比较测量。
3.1 环境温度和线膨胀系数引起的测量误差的修正
当实验室的温度为20.1 ℃时，根据表1中列出的物理性质，可得：
[C1=[α（20-t）-αs（20-ts）]×ln=0.02] μm
3.2 弹性模数引起的测量误差的修正
通过比较测量法检定量块时，量块由于自重和测力的影响，会在受力部位产生接触变形。根据JJG 146-2011《量块》检定规程可知，[C2=δu+δd-δsu-δsd]，其中，
[δu=0.775×P2R1（1E1+1E2）23]
[δd=0.775×（P+ω）2R3（1E3+1E2）23]
[δsu=0.775×P2R1（1E1+1Es2）23]
[δsd=0.775×（P+ωs）2R3（1E3+1Es2）23]
当比较仪采用筋工作台时，[R3=∞]，则[δd]和[δsd]的值为0，在这种情况下，[C2]可以表示为[C2=δu-δsu]。式中[δu]和[δsu]分别为比较仪上测头与被测量块和标准量块朝上测量面之间接触变形的量。根据表1可知，陶瓷和钢的弹性模数相同，所以比较测量时，弹性变形的量相同，不影响检定结果。
通过以上分析可知，该100 mm陶瓷量块的修正值为[0.02] μm。同样的方法可以分析出其他尺寸陶瓷量块的修正值，根据实际情况，应对测量结果进行必要的修正。
4 结论
当标准量块和被测量块材质不同时，需要通过计算分析对测量结果进行必要的修正。以钢质量块为标准量块，用比较测量的方法检定陶瓷量块时，必须考虑环境温度和线膨胀系数的影响。由于陶瓷和钢的弹性模数相同，弹性变形的影响可以忽略。
【参考文献】
[1] 量块：JJG 146-2011[S].
[2] 刘香斌，陈建军，吴月艳，等.JJG 146-2011《量块》检定规程解读[J].中国计量，2012（7）：124-125.
[3] 朱纬.比较测量中标准量块与被测量块材质不同时引起的误差分析[J].上海计量测试，2014（6）：13-14+17.
[4] 张锡水，李志刚.陶瓷量块的比较测量分析[J].计量技术，1998（6）：33-35.
[5] 孙晓莉.量块材质特性比较[J].工业计量，2012（S1）：264-265.
【作者简介】
韩翘楚（1989-），女，工程师，硕士，研究方向为长度计量。