沖擊試樣缺口投影儀標準比對樣板缺口半徑的校準方法及測量不確定度分析

金京 伍玲 / 武漢市計量測試檢定研究所

0 引言

金屬材料沖擊試驗對于沖擊試樣的缺口要求嚴格，缺口的細微變化都可能引起試驗結果出現偏差。為保證加工出的沖擊試樣缺口符合國標，檢驗缺口的加工質量是一個重要的控制方法。隨著國內工業技術的發展，目前國內越來越多的行業諸如鍋爐壓力容器、冶金和機械等已普遍采用夏比V形缺口沖擊試驗。沖擊試樣缺口投影儀是根據目前國內大部分用戶的實際需求以及國標GB/T 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》中對沖擊試樣缺口的要求而設計開發的一種專用于檢查夏比V形（深2 mm）和U形（深2 mm）沖擊試樣缺口加工質量的光學儀器，是廣大冶金、鍋爐壓力容器、車船和工程機械制造及科研等部門實驗室的必備專用設備。而其中標準比對樣板V形、U形缺口圓弧半徑則是沖擊試樣缺口投影儀的主要計量參數，需要做計量特性的要求和進行量值溯源。但是，目前國內尚無沖擊試樣缺口投影儀的校準方法。行業相關企業需要做好內部質量控制，確保設備正常工作狀態，確保產品符合國家標準要求，同時面對企業客戶的考核和評審需求，以及監管評審等，制定與之對應的校準規范或是詳盡的校準方法，開展相應的計量校準工作，有利于保證此類設備的量值準確。

1 概述及要求

沖擊試樣缺口投影儀是一種專用于檢查夏比V形和U形沖擊試樣缺口加工質量的專用光學儀器，主要由標準比對樣板、投影屏、光學投影系統和機械系統組成。通過發出的光線經聚光鏡照射到沖擊試樣上，再經物鏡將沖擊試樣缺口放大50倍后的輪廓投射在標準比對樣板投影屏上，與標準比對樣板進行比對，以確定被檢測的沖擊試樣缺口加工是否合格。沖擊試樣缺口投影儀結構如圖1所示，投影屏上的標準比對樣板如圖2所示。

圖1 沖擊試樣缺口投影儀

圖2 標準比對樣板

1）標準比對樣板V形缺口圓弧

標準比對樣板圖V形缺口圓弧半徑標注值為0.225 mm、0.25 mm、0.275 mm，標稱值為11.25 mm、12.5 mm、13.75 mm，根據 GB/T 229-2007 對缺口根部半徑尺寸與偏差的要求，制定沖擊試樣缺口投影儀標準比對樣板V形缺口圓弧半徑最大允許誤差為±0.25 mm。

2）標準比對樣板U形缺口圓弧

標準比對樣板上U型缺口圓弧半徑標注值為0.93 mm、1 mm、1.07 mm，標稱值為 46.5 mm、50 mm、53.5 mm，根據GB/T 229-2007對缺口根部半徑尺寸與偏差的要求，制定沖擊試樣缺口投影儀標準比對樣板U形缺口圓弧半徑最大允許誤差為±0.7 mm。

2 校準條件及校準用標準器

校準時溫度為（20±5）℃；濕度為≤75%RH；不得有影響校準結果的振動或其他干擾源。

校準用標準器為萬能工具顯微鏡，示值MPEV：（1 +L/100）μm；L為被測長度（mm）。也可采用滿足測量不確定度要求的其他測量設備進行校準。

3 標準比對樣板V形缺口圓弧半徑校準方法

將標準比對樣板放置于萬能工具顯微鏡的工作臺面上，調整儀器，選擇適當放大倍數的物鏡，能從萬能工具顯微鏡目鏡視場中觀察到清晰的V形缺口輪廓。調整萬能工具顯微鏡工作臺，使主顯微鏡十字水平分度線與缺口底部水平線對齊。分別對三段半徑不同的圓弧進行測量，每段圓弧分別測量弓高和弦長，在選擇弦長時盡可能選取弦長的最大值來進行測量，然后按式（1）分別計算出每段不同圓弧的半徑值即為校準結果：

式中：Ri——被測缺口圓弧半徑值；

Hi——被測缺口圓弧弓高測得值；

Di——被測缺口圓弧弦長測得值

4 標準比對樣板U形缺口圓弧半徑校準方法

從萬能工具顯微鏡目鏡視場中觀察到清晰的U形缺口輪廓。分別對三段半徑不同的圓弧進行測量，每段圓弧分別測量弓高和弦長，在選擇弦長時盡可能選取弦長的最大值來進行測量，然后按式（1）分別計算出每段不同圓弧的半徑值即為校準結果。

5 測量不確定度分析

5.1 測量任務

用萬能工具顯微鏡測量沖擊試樣缺口投影儀標準比對樣板標注半徑為1 mm，實際半徑為50 mm的U形缺口圓弧半徑。

5.2 目標不確定度

根據JJF 1094-2002《測量儀器特性評定》中5.3.1.4規定，擴展不確定度U（k= 2）與其最大允許誤差的絕對值MPEV之比，應小于或等于1∶3，即

依據校準方法，U形缺口圓弧半徑MPEV=±0.7 mm，將其代入式（2）中，得到與之對應的目標不確定度UT= 0.24 mm。

5.3 不確定度傳播公式

5.4 標準不確定度評定

1）弦長測量重復性引入的不確定度分量u1(Di)：選取放大后半徑為50 mm的U形缺口圓弧，在重復性條件下分別連續測量10次，其弓高和弦長測得數據見表1。

表1 測量數據

依據表1，弦長測量重復性引入的標準不確定度分量u1(Di)，根據測量數據可得：u1(Di) = 2.8 μm

2）弓高測量重復性引入的不確定度分量u1(Hi)：依據表1，弓高測量重復性引入的標準不確定度分量u1(Hi)，根據測量數據可得：u1(Hi) = 4.8 μm

3）標準器分辨力引入的不確定度分量u2：萬能工具顯微鏡分辨力為0.2 μm，區間半寬為0.1 μm，服從均勻分布 ，可得：u2= 0.06 μm

重復性引入的標準不確定度分量和標準器分辨力引入的標準不確定分量，取結果較大者，則u2舍去。

4）標準器誤差引入的不確定度分量u(B)：萬能工具顯微鏡示值MPEV：（1 +L/100）μm；L為被測長度（mm），取L最大值100 mm時，在半寬為2.0 μm區間內服從均勻分布，測弓高和弦長時，引入 2 次，可得：

5）溫度差引入的不確定分量u(Δt)：測量環境溫度條件為（20±5）℃，被測件材料為玻璃，其線膨脹系數α= 10×10-6℃-1，被測行程L最大取 100 mm，服從均勻分布，可得：u(Δt) = 2.89 μm

6）線膨脹系數差引入的不確定分量u(Δα)：實驗環境溫度取最大偏離t= 5 ℃，測件材料為玻璃，其線膨脹系數α1= 10×10-6℃-1，而標準器金屬線膨脹系數為α2= 11.5×10-6℃-1，被測行程L最大取100 mm，服從均勻分布，可得：

5.5 標準不確定度一覽表

沖擊試樣缺口投影儀圓弧半徑的測量不確定度來源與數值匯總于表2。

表2 標準不確定度一覽表

5.6 合成標準不確定度

5.7 擴展不確定度

取包含因子k= 2，則U=kuc= 13.1 μm ≈ 0.02 mm

5.8 不確定度計算討論

通過上述不確定度計算表明，U= 0.02 mm ＜UT（0.24 mm），目標不確定度合格判據U≤UT得到滿足。

6 結語

沖擊試樣缺口投影儀利用光學投影方法將被測的沖擊試樣V形或U形缺口與標準比對樣板比對，以確定被檢測的沖擊試樣缺口加工是否合格。因此，沖擊試樣缺口投影儀標準比對樣板缺口半徑檢測的準確性，顯得尤為重要。本文通過對沖擊試樣缺口投影儀的結構和標準比對樣板V形、U形缺口圓弧半徑技術要求的分析，研究選用沖擊試樣缺口投影儀標準比對樣板缺口半徑的測量標準設備，給出的校準方法，一定程度上規范了沖擊試樣缺口投影儀在實際計量校準過程中的操作問題。