激光对中仪的校准方法研究和不确定度分析.pdf

捍 卫 生 活 品 质 推 动 产 业 升 级计量与检测98轻工标准与质量2023 年第 4 期激光对中仪的校准方法研究和不确定度分析周士帝（上海捷祥测控技术有限公司，上海 201315）摘要：激光对中仪是一种先进、高效的轴类设备对中仪器，具有精度高、效率高、易于操作等优点。为了提高轴类设备的对中精度，针对激光对中仪的位移示值误差和角度示值误差提出了一种校准方法，并给出了具体校准步骤，同时对测量结果的不确定度进行了分析。关键词：激光对中仪；校准方法；示值误差；不确定度中图分类号：TH711 文献标志码：A DOI：10.19541/ki.issn 1004-4108.2023.04.025在生产过程中，常将几台单独的机器联结为机组，使之在电机的带动下完成各种工作。这种联接必须使机器的轴对中，如果设备对中不良，会造成轴承过早损坏、联轴节摩擦增大、转轴发生往复移动等问题，从而降低设备的能源使用效率，大大缩短设备的使用寿命。此外，对中不良会对转轴密封性产生严重影响。激光对中仪使轴对中这一专业、复杂的对中过程，变为一个简便的操作过程1。激光对中仪广泛应用于造纸、印刷、化工、冶金、船舶、风电、汽车、航空、纺织等工业领域，产生了良好的经济效益。目前我国暂无针对激光对中仪的校准规范发布。本文提出了一种校准激光对中仪位移示值和角度示值的方法，并对其测量过程和测量结果的不确定度进行了分析2。1 激光对中仪的原理激光对中仪是用于旋转设备的轴承对中的仪器，其机构原理图如图 1 所示，它具有精度高、效率高、易于操作等优点3。在设备停机状态下，安装两个激光发射器（S 和 M），用链条和 V 型支架固定在耦合轴上，M 端靠近电机，S 端靠近设备。安装完成后，即可开始实时调节。它包括两个装在轴或联轴器两侧上的测量单元。将轴转到不同的测量位置后，系统会计算轴与轴之间的偏移和角对中误差4。2 校准方法2.1 激光对中仪位移示值误差的校准2.1.1 位移示值误差的技术要求激光对中仪位移示值误差的最大允许误差为（1 L+1个分度值），L 为位移显示值。2.1.2 校准位移示值误差的标准仪器采用测长仪校准激光对中仪的位移示值误差。测长仪MPE：（1+Ln/200）m，Ln为被测长度，单位为 mm。测长仪应经检定或校准并在有效期内。2.1.3 位移示值误差校准方法在万能测长仪主轴上用磁性表座安装好被校准的 S 激光1-基准轴；2-S 发射/接收器；3-测量主机及显示器；4-M 发射/接收器；5-V 型支架；6-对中轴图 1 激光对中仪结构原理图捍 卫 生 活 品 质 推 动 产 业 升 级计量与检测99轻工标准与质量2023 年第 4 期单元，激光窗口朝向下方，并用水平仪调整前后水平状态；将M 激光单元用磁性表座安装在万能测长仪的尾座中的测量芯轴上，激光窗口朝向上方，并用水平仪调整前后水平状态；两个激光单元激光发射窗口尽可能地贴近测长仪主轴，使两个激光单元安装方向与测长仪主轴处于平行状态，此时激光发射路线和测长仪主轴处于垂直状态5。开启激光对中仪并设置好有关参数，进入到位移测量界面；移动测长仪主轴使两激光单元处于能接收信号的位置，当两激光单元在中间测量位置时，固定测长仪主轴并记录此时测长仪的示值，同时把两激光单元接收的位移值设为零，再按校准点移动测长仪主轴，分别读取激光对中仪 S 激光单元和 M激光单元的示值，每个校准点测长仪主轴移动位移量为固定值，重复测量 3 次，分别取 3 次测量的平均值作为 S 激光单元和 M激光单元在该校准点的示值。两激光单元测出的位移平均值与测长仪主轴移动位移量的值的差值，即为激光对中仪激光单元的位移示值误差。（1）式中：L-激光单元的位移示值误差，单位 mm；-激光单元的示值平均值，单位 mm；L-测长仪主轴的移动位移量，单位 mm。2.2 激光对中仪角度示值误差的校准2.2.1 角度示值误差的技术要求激光对中仪角度示值误差的最大允许误差为 0.3。2.2.2 校准角度示值误差的标准仪器采用光学分度头和检验芯轴校准激光对中仪的角度示值误差。光学分度头 MPE：1，光学分度头和检验芯轴应经检定或校准并在有效期内。2.2.3 角度示值误差校准方法在 0.0记录光学分度头的示值和激光对中仪的两个激光单元的角度示值，然后按-90、-45、0、45、90、0等几个校准角度转动光学分度头，激光对中仪 S 激光单元和 M 激光单元同时转动，并有相应的角度示值，记录下数值，与分度头转过的标准角度的差值，即为激光对中仪激光单元的角度示值误差。转角示值误差的计算如下：=-s （2）式中：-校准点的转角示值误差，单位；-校准点的激光对中仪激光单元的转角示值，单位；s-校准点的光学分度头的标准角度值，单位。3 不确定度分析3.1 激光对中仪位移示值误差校准结果的不确定度分析3.1.1 数学模型激光对中仪位移示值误差是在测长仪上进行校准，采用给定位移值和激光对中仪的示值进行比校，得到其示值误差。公式如上文中式（1）。3.1.2 不确定度传播率 （3）式中：-被校激光对中仪位移示值误差的标准不确定度；-被校激光对中仪位移示值重复性引入的标准不确定度分量；-由测长仪示值误差引入的标准不确定度分量；-激光对中仪两测量头与测长仪主轴不平行引入的不确定度分量；，。3.1.3 各不确定度分量的评定（1）位移示值重复性引入的不确定度分量分度值为 0.01 mm 激光对中仪，在万能测长仪给定位移值 10 mm 处依次循环测量 10 次，测量结果如下：10.01 mm、10.02 mm、10.01 mm、10.02 mm、10.01 mm、10.01 mm、10.02 mm、10.02 mm、10.01 mm、10.02 mm。单次测量实验标准偏差用贝塞尔公式计算，得：s=0.005 mm，位移值取 3 次测量的平均值作为最佳估计值，则重复性引入的标准不确定度为：=0.005 mm/=0.002 9 mm（2）标准仪器引入的不确定度分量 u(L)由测长仪校准证书上可知其 10 mm 处的最大误差为捍 卫 生 活 品 质 推 动 产 业 升 级计量与检测100轻工标准与质量2023 年第 4 期1.5 m，估计为均匀分布，则由测长仪示值误差引入的标准不确定度为：u(L)=0.001 5 mm/=0.001 mm（3）仪器安装引入的不确定度分量估计激光对中仪激光头与测长仪主轴的不平行造成的夹角最大为 1，则在 10 mm 测量点因安装不平行引入的不确定度分量估计为：（4）由环境温度引入的分量因为在恒温实验室内校准，经过 24 小时恒温后，由环境温度引入的误差相对其他因素是极微小的，可以忽略不计。3.1.4 标准不确定度的计算以上各分量代入式（3）得 uc(L)=0.003 4 mm。3.1.5 合成不确定度取包含因子 k=2，U=kuc(L)=0.006 8 mm 0.01 mm。3.2 激光对中仪角度示值误差校准结果的不确定度分析3.2.1 数学模型激光对中仪角度示值误差校准是在光学分度头上进行。采用给定角度值和激光对中仪的示值进行比校，得到其示值误差。公式如上文中式（2）。3.2.2 不确定度传播率 （4）式中：uc()-被校激光对中仪角度示值误差的标准不确定度；u()-被校激光对中仪角度示值重复性引入的标准不确定度分量；u(s)-由光学分度头校准证书上的校准示值引入的不确定度分量；c()=1，c(s)=-1。3.2.3 各不确定度分量的评定（1）角度示值重复性引入的不确定度分量 u()将激光对中仪旋转到 45角 10 次，依次循环读取 10 次重复性读数，测量结果如下：45.1、45.2、45.2、45.1、45.2、45.1、45.2、45.2、45.2、45.1，单次测量实验标准偏差用贝塞尔公式计算，得：s=0.05，取单次测量值为测量结果，则测量重复性引入的不确定度为：u()=s=0.05。（2）标准仪器引入的不确定度分量 u(s)由光学分度头校准证书上的校准示值引入的不确定度分量U=0.003，k=2，则 u(s)=0.003/2=0.001 5。（3）由环境温度引入的分量因为在恒温实验室内校准，经过 24 小时恒温后，由环境温度引入的误差相对其他因素是极微小的，可以忽略不计。3.2.4 标准不确定度的计算以上各分量代入式（4）得 uc()=0.05。3.2.5 合成不确定度取包含因子 k=2，U=kuc()=0.1。4 结束语经不确定度评定，示值误差的测量结果的扩展不确定度小于等于最大允许误差的 1/3，说明本校准方法满足设计要求。本文方法采用常见的测量标准，实现了对激光对中仪示值误差的校准，提供了科学有效且具有可行性的校准方案，为激光对中仪的使用者提供了有效的溯源渠道。参考文献1 吴健.激光对中仪的工作原理及其应用 J.工具技术,2005(12):72-74.2 龙宽,陈峰,乔磊,等.激光对中仪校准装置及校准方法的研究 J.计测技术,2020,40(06):31-35.3 杨思凡,李玮,薛树旗.激光对中仪校准方法的研究 J.计量与测试技术,2017,44(11):69-70+73.4 梁平,黄耀坤,李建双,等.激光对中仪校准装置研制 J.工具技术,2020,54(12):104-108.5 白翔龙,顾爱民,丁福全.激光对中仪误差的测试方法 J.计量技术,1998(06):2-4.