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1、5p湖北省地方计量技术规范JJF（鄂）xxxx-20xx垂线观测仪校准规范CalibrationSpeciflcationforPlumb-lineObservers（送审稿）20XX-XX-XX发布20XX-XX-XX实施湖北省市场监督管理局发布JJF（鄂）XXXX20XX垂线观测仪校准规范CalibrationSpecificationforPlumb-lineObservers归口单位：湖北省市场监督管理局主要起草单位：武汉地震计量检定与测量工程研究院参加起草单位：武汉地震计量检定与测量工程研究院武汉地震科学仪器研究院有限公司基康仪器股份有限公司本规范委托武汉地震计量检定与测量工程研究院
2、负责解释本规范主要起草人：何浩鹏（武汉地震计量检定与测量工程研究院）马娟娟（武汉地震计量检定与测量工程研究院）戴兴谱（武汉地震计量检定与测量工程研究院）参加起草人：宋潇（武汉地震计量检定与测量工程研究院）曾卓（武汉地震计量检定与测量工程研究院）赵义飞（武汉地震科学仪器研究院有限公司）付晓东（基康仪器股份有限公司）引言(II)1 范围(1)2 弓IJIJ彳牛(1)3术语(1)4概述(1)5 -LI|t*IjIi*(2)5.1零位误差(2)5.2隙动误差(3)5.3zj,(3)1.4 分辨力(3)1.5 测量光平行性误差(3)6 校准条件(3)6 .1环境条件(3)7 .2测量标准及其他设备(3)
3、7 校准项目和校准方法(3)8 .1外观质量与功能检查(4)9 .2零位误差(4)10 3-*(5)11 4示值误差(5)12 5分辨力(6)13 6测量光平行性误差(7)14 校准结果(8)9复校时间间隔(8)附录A垂线仪校准原始记录推荐格式(9)附录B垂线仪校准证书内页推荐格式(13)附录C垂线仪示值误差测量不确定度评定示例(15)附录D垂线仪测量光平行性误差测量不确定度评定示例(18)引言JJF10712010国家计量校准规范编写规则、JJF10012011通用计量术语及定义、JJF1059.1-2012测量不确定度评定与表示共同构成支撑本规范制定工作的基础性系列文件。本规范为首次发布。
4、垂线观测仪校准规范1范围本规范适用于光学和光电式垂线观测仪（垂线坐标仪）的校准，其他类型垂线观测仪的校准可以参照执行。2引用文件本规范引用下列文件：DL/T10612020光电式（CCD）垂线坐标仪SL530-2012大坝安全监测仪器检验试规程凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本规范。3术语3.1 零位误差zeroerror光学垂线观测仪横、纵向导轨指示线与标尺零刻线符合时，对应轴测微手轮的示值与零刻线的偏移量。3.2 测量光平行性误差measurementofopticalparallelismerror光电式垂线观测仪测量光路中点光源像不在无穷远，使得测量光不平行，导致垂线与电荷耦
5、合器件（CCD）距离变化时对测量值带来相应的比例误差。以点光源像与CCD间距离的倒数作为测量光平行性误差。4概述垂线观测仪是一种用于测量正、倒垂线装置的仪器，主要应用于水利水电大坝、船闸、高层建筑物等大型工程的变形监测，也称为垂线坐标仪（以下简称垂线仪）。常见的垂线仪主要有光学和光电式等类型。光学垂线仪工作时，通过横、纵导轨移动照准部，使得照准光路对准被测垂线，并利用测微手轮读取相应横、纵轴坐标；光电式垂线仪利用平行光使垂线产生的阴影投射到CCD传感器上，再通过图像处理分析得到垂线投影的坐标。其结构示意图如图1所示。1-瞄准系统2-测微手轮3-横、纵向导轨4-水准器5-脚螺旋G-照明系统7-垂
6、线(a)光学式1-点光源2-透镜3-平行光4CCD传感器投影5-垂线6-示值显示窗(b)光电式图1垂线仪结构示意图5计量特性5.1 零位误差零位误差不超过0.05mmo5.2 隙动误差隙动误差不大于0.05mmO5.3 示值误差光学垂线仪示值误差不超过0.10mm,光电式垂线仪示值误差不超过0.5%FSo5.4 分辨力光学垂线仪分辨力不大于0.05mm,光电式垂线仪分辨力不大于0.02mm。5.5 测量光平行性误差测量光平行性误差不大于2X10-4mm-1o注:校准工作不判断合格与否，上述计量特性指标仅供参考。6校准条件6.1 环境条件1）温度：（205）；2）湿度：75%RH;3）其它条件：
7、校准时，校准区域不应有影响校准结果的振动、强光、电磁干扰。6.2 测量标准及其他设备测量标准及设备见表1,允许使用满足测量准确度要求的其他测量标准及设备进行校准。表1测量标准及其他设备设备名称技术要求二维位移平台1）测量范围：横轴H50mm,纵轴250mm；2）示值最大允许误差MPE：0.01mmo7校准项目和校准方法光学和光电式垂线仪因原理不同，校准项目有所区别，具体见表2。表2垂线仪校准项目一览表校准项目光学垂线仪光电式垂线仪外观质量与功能检查+零位误差+-隙动误差+一示值误差+分辨力+测量光平行性误差一+注：“+”为该项目应校准，“-”表示无此项目。7.1外观质量与功能检查D垂线仪各紧固
8、件应紧密联接，移动平稳可靠，无明显晃动。2）水准器气泡在使用范围内应能均匀移动，无目力可觉察的停滞和跳动现象。旋转脚螺旋调平仪器使气泡居中，圆水准器旋转至任意位置，气泡应始终处于居中状态。3）光学垂线仪成像景深区域应在横、纵两光路的交汇处；垂线仪整平状态下，垂线成像清晰，且应与分划板横、纵丝平行，不应有目力可见的偏差。4）开机检查，应无影响测量准确度的电气、机械故障或损伤。7.2 零位误差将垂线仪安置在工作台上,旋转被校方向测微手轮,使指示线与零刻线符合,从测微手轮上读取此时垂线仪示值，其与零刻线的差值，即为零位误差。1-指示线2-标尺3-测微手轮图2零位误差校准示意图7.3 隙动误差将垂线仪
9、安置在工作台上并整平，垂线仪测量区域内悬挂一垂线。在垂线仪被校轴量程的首尾两端与中间处各选取1个位置进行隙动误差测量，分别正反向移动照准部，对准垂线，记录垂线仪正反向示值四、灰。按式(1)计算该位置的隙动误差山。di=aibi(1)式中：di第i个校准点的隙动误差，mm；Qi垂线仪正向行程在第i个校准的示值，mm；bi垂线仪反向行程在第i个校准的示值，mm。依次测量三个位置的隙动误差，取最大值为被校轴测量结果d。d=max)(2)7.4 示值误差如图3所示安置垂线仪、二维位移平台和垂线，垂线仪横轴与二维位移平台横轴大致平行。I-二维位移平台2-垂线仪3-垂线图3示值误差校准安置示意图在垂线仪被
10、校轴测量范围内选取5个位移校准点，其中第5个校准点为该轴向测量范围上限，测量过程如下:1）分别将垂线仪与二维位移平台整平，通过二维位移平台移动垂线，使被校轴示值为零，记录此时垂线仪横向示值%、纵向示值为和二维位移平台对应轴示值L（）;2）依次按选定的校准点移动二维位移平台对应轴，垂线仪测量垂线坐标，记录此时垂线仪横向示值勺、纵向示值力和二维位移平台对应轴示值及。按式（3）计算各测量点示值误差立。a=-）2+（yi-yo）2一（Li-LO）（3）式中：ei校准点的示值误差，mm；x0Vo垂线仪在零点的横、纵向示值，mm；石、y（垂线仪在校准点的横、纵向示值，mm；1.0二维位移平台对应轴在零点的
11、示值，mm；1.i二维位移平台对应轴在校准点的示值，mm。7.5 分辨力如图3所示安置垂线仪，选取垂线仪某一轴向测量范围的中间位置为起点,正向移动二维位移平台对应轴，等间隔移动10次，每次移动间隔为0.11mm,利用垂线仪测量垂线在每个位置的对应轴向示值2，按式（4）计算分辨力。6=JSk(4)vi=Di-Di-di(5)瓦=E&i。&通(6)tn=(i-1)(7)式中：垂线仪分辨力，mm；Di垂线在各位置时垂线仪对应轴向的测量值，mm；Di测量值归算到起始点的归算量平均值，mm；vi测量值与归算量的差值，mm；di垂线第i次移动的位置相对于起始点的距离值，mm；垂线每次移动间隔，A=0.1I
12、mm；i各观测点序号,t=L2,n；n测量值个数。7.6测量光平行性误差如图3所示安置垂线仪，通过移动二维位移平台横、纵轴，将垂线分别移动到如图4所示的矩形区域4个顶点（ABCD）,其中矩形区域大小适中便于测量。记录二维位移平台与垂线仪在各点的坐标值，按式（8）（9）计算测量光平行性误差。y轴垂线仪测最范困X轴图4测量光平行性误差校准示意图(8)(9)(10)(11)_J_(XB_XA_XLXD)decb-aXcrD)1b-Yc_Ya-Yd.y-ycVa-VdcC=YB-YC服8=XB-XA式中：%、%垂线仪横、纵轴测量光平行性误差，mm,;dBCAB与CD两测线间距离，mm；dABAD与BC
13、两测线间距离，mm；、Xb、%、Xc、E、/、坛垂线在ABCD4个位置时，二维位移平台的坐标值，mm；xa、Xa、xb-ycycxdy11垂线在abcd4个位置时，垂线仪的横、纵向示值，mm。8校准结果经校准的垂线仪出具校准证书，校准结果应在校准证书上反映。校准证书应至少应包括以下信息：a）标题：“校准证书”；b）实验室名称和地址；c）进行校准的地点（如果与实验室的地址不同）；d）证书的唯一性标识（如编号），每页及总页数的标识；e）送校单位的名称和地址；f）被校对象的描述和明确标识；g）进行校准的日期，如果与校准结果的有效性和应用有关时，应说明被校对象的接收口期和发布日期；h）如果与校准结果的
14、有效性或应用有关时，应对被校样品的抽样程序进行说明；i）对校准所依据的技术规范的标识，包括名称及代号；j）本次校准所用测量标准的溯源性及有效性说明；k）校准环境的描述；1）校准结果及其测量不确定度的说明；m）对校准规范的偏离的说明；n）校准证书签发人的签名；0）校准结果仅对被校对象有效的声明；p）未经实验室书面批准，不得部分复制证书的声明。校准原始记录格式见附录A,校准证书内页格式见附录B。9复校时间间隔送校单位可根据垂线仪的实际使用情况自主决定复校时间间隔，建议一般不超过1年。附录A垂线仪校准原始记录推荐格式A.1光学垂线仪校准原始记录推荐格式委托单位设备名称型号规格出厂编号生产厂商校准依据
15、校准口期校准地点校准员核验员校准环境校准使用主要标准器设备名称型号/编号测量范围不确定度/准确度等级/最大允许误差证书编号/溯源机构证书有效期1、外观质量与功能检查：2、零位误差垂线仪示值mm零位误差mm横轴纵轴3、隙动误差单位：mm横向纵向序号校准点垂线仪示值隙动误差校准点垂线仪示值隙动误差正向方向正向方向123隙动误差4、示值误差单位：mm横向纵向序号二维位移平台横轴示值垂线仪示值示值误差二维位移平台纵轴示值垂线仪示值示值误差XyXy123456示值误差校准结果的扩展不确定度U=,k=2。5、分辨力序号二维位移平台X轴移动距离di/mm垂线仪横轴读数mm残差vi/mm12345678910
16、11分辨力mmA.2光电式垂线仪垂线仪校准原始记录推荐格式委托单位设备名称型号规格出厂编号生产厂商校准依据校准口期校准地点校准员核验员校准环境校准使用主要标准器设备名称型号/编号测量范围不确定度/准确度等级/最大允许误差证书编号/溯源机构证书有效期1、外观质量与功能检查：2、示值误差单位：mm横向纵向序号二维位移平台横轴示值垂线仪示值示值误差二维位移平台纵轴示值垂线仪示值示值误差XyXy123456示值误差校准结果的扩展不确定度U=,k=2o3、分辨力序号二维位移平台X轴移动距离di/mm垂线仪横轴读数mm残差vnm1234567891011分辨力mm4、CCD式测量光平行性误差测点二维位移平
17、台示值mm垂线仪示值mmXYXyABCDAB与CD测线间间距dBCmmAD与BC测线间间距dABmm横轴测量光平行性误差mm,纵轴测量光平行性误差Zmm1测量光平行性误差校准结果的扩展不确定度U=,k=o附录B垂线仪校准证书内页推荐格式B.1光学垂线仪校准证书内页推荐格式1、外观质量与功能检查：2、零位误差：横向：mm,纵向：mm3、隙动误差横向：mm,纵向：mm4、示值误差横向标准值mm示值误差mm纵向标准值mm示值误差mm示值误差校准结果扩展不确定度U=mm,k=。5、分辨力：mmo以下空白B.2光电式垂线仪校准证书内页推荐格式1、外观质量与功能检查：2、示值误差横向标准值(mm)示值误差
18、(mm)纵向标准值(mm)示值误差(mm)示值误差校准结果扩展不确定度U=mm,k=o3、分辨力：mmo4、CCD式测量光平行性误差横向：mm1,纵向：mm1mm1, k= o测量光平行性误差校准结果扩展不确定度U=以下空白附录C垂线仪示值误差测量不确定度评定示例C.1测量方法按照7.4中的方法，对一台光学垂线仪横轴示值误差进行校准。C.2测量模型垂线仪横轴示值误差的测量模型为：e=J(勺-o)2+(Vo)?-(Li-L0)(C.1)其中，修为各校准点的示值误差，与、M)为垂线仪在零点的横、纵向示值，阳、%为垂线仪在各校准点的横、纵向示值，Lo为二维位移平台对应轴在零点的示值，。为二维位移平台
19、对应轴在各校准点的示值。C.3方差和灵敏系数灵敏系数q：(Xi-x0(XirO)Cl四JairO)2+(yro)22Xo(%L%o)2+(yLyo)2de；rr-儿)=也=-LyLyO，3yi必LXo)2+(yt-yo)2yo(t-o)2+(yt-yo)2c5=-l;(也=15Li6L0由于%-yo(%i-0)2(7i-yo)2因此：Cl=鬻=1；c2=篝-1;C3=eiyi0；c4=eiy00X/与、yo均为垂线仪给出的示值，其标准不确定度相等，令比(%)=u(%i)=u(x0)=a(%)=w(yo)j匕、Lo均为二维位移平台给出的示值，其标准不确定度相等，令(L)=u(Lj)=u(L0)0
20、综合灵敏系数，则有：uc=2u2(x)2u2(L0)(C.2)C. 4不确定度分量的评定C.4.1垂线仪的标准不确定度a(x)C.4.1.1测量重复性引入的标准不确定度小(%)在重复性条件下，对Iomm测量点测量10次，由贝塞尔公式计算得出单次测量实验标准差。=4.6m,贝J:u1(x)=4.64mC.4.1.2垂线仪分辨力引入的标准不确定度小(乃光学垂线仪微动手轮分辨力为0.01mm,半宽为0.005mm,估计服从均匀分布,则：0.005U2(x)=mm=3.0m由于重复性引入的标准不确定度分量大于分辨力引入的标准不确定分量，所以取重复性引入的标准不确定度分量作为被测仪器引入不确定度分量，u
21、(x)=U1(x)OC.4.2二维位移平台的标准不确定度(L)C.4.2.1二维位移平台示值误差引入的标准不确定度Ia)二维位移平台示值误差最大允许误差为0.01mm,估计服从矩形分布，取k=3,则：0.01u1(L)=mm=5.8mC.4.2.2二维位移平台测量轴移动过程中姿态变化引入的标准不确定度2(乙)二维位移平台测量轴在测量过程中，其姿态可能会产生变化，从而引起垂线姿态变化，当测量轴与垂线仪被校轴不重合时，阿贝误差将引入的不确定度分量U2(L)二维位移平台测量轴的姿态角最大变化约10”,而悬挂垂线的支架长300mm,则阿贝误差对示值的影响量似为：10/=300mmXsin(CCL)=1
22、4.5m206265尸14.5u2(L)=-j=-m=8.4m故：u(L)=J(L)+道(L)=5.82+8.42=10.2m(C.3)C.5合成标准不确定度IZCuc=2u2(x)2u2(L)=24.62+210.22=15.8m(C.4)C. 6扩展不确定度U取攵=2,则U=kuc=215.84m0.03mm(C.5)附录D垂线仪测量光平行性误差测量不确定度评定示例D.1测量方法按照7.6中的方法,对一台光电式垂线仪横轴的测量光平行性误差进行校准,其中矩形ABCD选择边长约为40mm的正方形区域。D.2测量模型测量光平行性误差的测量模型为：_1(XB-XAXLXD)-I(XBrAXLXD)
23、(Q)decxb-xaxcxd)Yb-ycxb-aXe-XD)其中，为光电式垂线仪横轴测量光平行性误差；Xa、hXb、YbXc、X。、匕为垂线在ABCD4个位置时，二维位移平台的坐标值；xa.xb.xcxd为垂线在ABCD4个位置时，垂线仪横轴示值。D. 3方差和灵敏系数灵敏系数q：_a_1_a1ClC7xa(Yb-Ycxb-a)3Xb(.Yb-YcXb-aV_a_1/_da1CqxcdX)(Yb-Ycc-d)_a_XLXAC6a=:_XlXaBXAYb-Yc(xb-a)2By-Yc(/一以)2。7a=XLXD7；(：8:_da_1XC-XucYb-Yc(XC-XD)2xdYb-Yc(XC-X
24、D)2Cga=1(XiXLXD)a1xb-xaxc-dyb(,-c)11刀8-打C-xD)1UYc(Yb-Yc)1町一孙XLXD)由于忙幺=1,cx.1,yb-c40mm,xf-xy440mm,xc-xdxB-xAxC-xD40mm,因此:a1da_1C_a11-Xa-1600mm2I02-Sb1600mm2,03派-1600mnda1a_1C_a_1“4Xf)1600mm2白a1600mm2*06Qxg1600mm2*da1a_1C_daO;CIo=导0.Jc1600mm2&dx)1600mm2,09以、黛、孙均为垂线仪给出的示值，其标准不确定度相等，令(X)=(ij)=u(,xa)=(&)
25、=(%c)=a(XD)；Xa、4、Xb、4、Xc、Xd、均为二维位移平台给出的示值，其标准不确定度相等，令Ua)=U(Xa)=U(Ya)=u()=(%)=U(XA)=(Xe)=()=(Xf)=(丫。)。综合灵敏系数，则有：c=W2(%)+2(L)(D.2)D.4不确定度分量的评定D.4.1垂线仪的标准不确定度U(X)D.4.1.1测量重复性引入的标准不确定度小。)在重复性条件下，对同一测量点测量10次，由贝塞尔公式计算得出单次测量实验标准差。=4.2m,则：u1(x)=4.2mD.4.1.2垂线仪分辨力引入的标准不确定度2(乃光电式垂线仪示值最小分度值为0.01mm,半宽为0.005mm,估计
26、服从均匀分布，则:z、0.005U2(x)=mm=2.9m由于重复性引入的标准不确定度分量大于分辨力引入的标准不确定分量，所以取重复性引入的标准不确定度分量作为被测仪器引入不确定度分量，u(x)=U1(X).D.4.2二维位移平台的标准不确定度(L)D.4.2.1二维位移平台示值误差引入的标准不确定度Ia)二维位移平台示值误差最大允许误差为0.01mm,估计符合矩形分布，取/c=3,则,、0.01u1(L)=mm=5.84mD.4.2.2二维位移平台测量轴移动过程中姿态变化引入的标准不确定度2)二维位移平台测量轴在测量过程中，其姿态可能会产生变化，从而引起垂线姿态变化，当测量轴与垂线仪被校轴不重合时，阿贝误差将引入的不确定度分量“2()二维位移平台测量轴的姿态角最大变化约10，而悬挂垂线的支架长300mm,则阿贝误差对示值的影响量似为：10/=300mmXsin=14.5m206265H14.5U2(L)=-=m=8.4m故:二维位移平台引起的标准不确定度分量(L)为:u(L)=J讲(L)+谓(L)=5.828.42=10.2m(D.3)D.5合成标准不确定度人1%=5-u2(x)+U2(L)800mmz=4.22+10.22X103mm=1.4IO-5mm1(D.4)800mm2D.6扩展不确定度U取/c=2,则U=Zc/=2X1.4X105mm12.8105mm-1(D.5)
