垂线观测仪校准规范编制说明.docx

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1、垂线观测仪校准规范编制说明垂线观测仪校准规范编写组2023年6月垂线观测仪校准规范编制说明一、任务来源根据湖北省市场监督管理局2022年10月下达的2022年省级计量技术规范制订计划的通知，由武汉地震计量检定与测量工程中心主持编制垂线观测仪（以下简称“垂线仪）校准规范。二、编制说明1、制定规范的目的和意义垂线仪，又称为垂线坐标仪，是重要的形变监测设备，主要用于大坝、高层建筑等大型工程的内部水平形变与挠度观测，其测量数据被用于形变量的分析与预报/预警，而且可为对建筑变形规律的科学研究提供数据支撑，其量值准确性一方面关乎广大人民的生命财产安全，另一方面也是相关科技进步的重要保障。而目前，国内尚且没

2、有垂线仪的检定规程或校准规范，其量值的准确性只能靠出厂加工精度保证，对于使用中的仪器，生产厂商或者用户仅对刻线零位、导轨间隙之类的外观功能等项目进行检查和调修，而关键的示值误差、导轨垂直度等重要计量性能未能得到控制，尤其是对于近年来新出现的光电式垂线仪，光束平行度误差等独特的计量特性未能得到关注，严重影响相关监测数据的可靠性。此外，计量指标与方法的缺位，也影响了垂线仪市场的健康发展，生产企业难以凭借质量与技术上的领先在市场中建立优势，不利于生产企业的质量提升与技术创新。一方面，湖北是水利大省，省内水坝众多，三峡大坝、葛洲坝大坝等超大型水坝均在湖北境内，此外还有大量高层建筑、矿井等垂线仪应用场景

3、，垂线仪在湖北省的应用十分广泛，其监测数据的可靠性与社会经济及人民安全息息相关；另一方面，湖北也是垂线观测仪的主要产地，目前，全国水利系统应用最广的CG系列（包括CG-2A、CG-3、CG-3A等型号）垂线仪即为武汉科衡地震仪器厂生产，武汉长江科创科技发展有限公司等企业也在研发生产新型垂线仪，目前已有CK-VCI型光电式垂线仪研制成功。因此，编制地方性计量技术法规垂线观测仪校准规范具有重要的现实意义，不仅为垂线仪校准提供参考依据，保障其量值的准确可靠，为湖北省相关工程变形监测数据的准确可靠性提供量值保障，还可以促进垂线仪市场的健康发展、推动相关企业的技术创新。2、制定规范的过程说明经前期探索研

4、究，于2022年8月提交了规范编写计划任务书，2022年10月任务下达。自2022年11月至2022年12月，规范编制小组进行了更加全面的设备调研，收集了各生产商相关设备的使用说明书、技术参数文件、设备的实际应用说明等资料，对设备的具体应用情况、设备结构、技术性能等有了较为详细了解，初步确定了垂线仪校准的主要项目及其性能要求。2023年1月至2023年3月期间，项目组设计定制了垂线仪校准夹具，并以机械式垂线仪为实验对象，分别利用影像测量仪和二维位移平台，采用多种方案对多台垂线仪进行示值误差校准实验，通过对校准结果的比较，结合垂线仪的实际应用场景，确定了示值误差的校准方案；同时，对标准器轴系姿态

5、角变化进行测量实验，为后续进行不确定度分析提供数据支撑。2023年3月-4月，采用两种方案对多台机械式垂线仪进行隙动误差的测量，通过对比分析，确定隙动误差校准方案；以CCD式垂线仪为实验对象，进行示值误差、CCD测量光平行性误差的测量实验。2023年5月，针对不足进行实验的补充验证，项目组对校准结果进行不确定度评定分析，编制规范草稿、编制说明、实验报告等。2023年6月，起草单位组织内部专家对规范征求意见稿进行初步评审，编制组根据评审意见补充实验并修改规范征求意见稿、编制说明、实验报告2023年7月，公示规范验证数据，收集公众意见，完善规范草稿并征求意见。2023年8月，规范评审。3、制定规范

6、的主要参考资料JJF1001-2011通用计量术语及定义JJF1059.1-2012测量不确定度评定与表示JJF1071-2010国家计量校准规范编写规则GB/T22542.1-2008大坝监测仪器垂线坐标仪第1部分：步进电机式垂线坐标仪DITT327-2020步进式垂线坐标仪DITT1061-2020光电式(CCD)垂线坐标仪SL530-2012大坝安全监测仪器检验测试规程4、制定规范的原则和依据由于是制定校准规范，需要对校准规范中规定的仪器性能等进行全面的确认,针对制定规范的具体要求，规范起草小组对垂线仪的性能、特性等技术指标做了充分考虑和查找。通过查找，未发现相应的国际建议、国际技术标准

7、，制定规范的技术依据主要是GB/T22542.1-2008大坝监测仪器垂线坐标仪第1部分：步进电机式垂线坐标仪、DLT3272020步进式垂线坐标仪、DL/T10612020光电式(CCD)垂线坐标仪，以及垂线仪厂商的技术标准和产品使用说明。5、垂线仪的基本原理和校准方案5.1 垂线仪的基本原理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，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、纵坐标，其结构示意图如图1所

8、示。I-瞄准系统2-测微手轮3-横纵向导轨4-水准器5-脚螺旋6-照明系统7-垂线图1光学垂线仪结构示意图光电式垂线仪是采用高分辨力线阵CCD传感器作为核心传感器，利用平行光使垂线产生的阴影投射到CCD传感器上，再通过分析处理CCD灰度扫描图对垂线阴影位置进行识别，通过计算分析达到垂线的位置坐标，并通过数据通信或D/A转换输出垂线投影的坐标。结构示意图2所示。1-点光源2-透镜3-平行光4YCD传感器投影5-垂线6-示值显示窗图2光电式垂线仪结构示意图5.2 垂线仪的校准方案垂线仪主要校准项目包括：零位误差、隙动误差、示值误差、分辨力、测量光平行性误差，其中光学垂线仪主要进行零位误差、隙动误差

9、、示值误差、分辨力的校准，光电式垂线仪主要进行示值误差、分辨力和测量光平行性误差的校准。5.2.1零位误差零位误差对于光学垂线仪的示值来说，属于系统性误差。当垂线仪标尺的指示线与零刻线符合时，测微手轮上的示值与0（或100）的偏差，即为零位误差。指示线2.标尺3-测微手轮 图3零位误差校准示意图5.2.2 隙动误差由于光学垂线仪是通过导轨、丝杆来移动照准部，从而实现对垂线坐标位置的测量，导轨及丝杆在运动过程中，从正向运动变为反向运动时，会存在机械误差，即隙动误差。对于隙动误差的校准点的选取,编制组对下面两种方案进行了测量实验：1）在量程范围内，均匀选取三个位置作为校准点；2）在量程范围内，首尾

10、两端密集选取部分测量点，如：（05）mm段与（4550）mm段每隔Imm选取1个校准点，中间范围内均匀选取部分测量点，总共选取18个校准点。针对两种方案，对多台垂线仪进行隙动误差测量实验。实验分析发现，隙动误差绝对值最大值落在（0-5）mm段与（4550）mm段校准点的概率大于中间范围内的校准点，中间范围内校准点隙动误差绝对值大小呈均匀分布。因此，编制组确定隙动误差校准点按以下规则选取：量程的首尾两端与中间范围内各选取1个位置。测量时，先将仪器安置在校准台上整平，然后在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

11、，记录垂线仪正反向示值访从按式（1）计算该位置的隙动误差4。(1)di=ai-bi式中:di第/个校准点的隙动误差，mm；4一垂线仪正向行程在第，个校准的示值，mm；bi垂线仪反向行程在第，个校准的示值，mm0依次测量三个位置的隙动误差，取最大值为被校轴校准结果d。d=max）（2）5.2.3 示值误差示值误差是垂线仪的关键技术指标，在实际监测中，其横、纵轴全量程范围内均可能参与到位移监测中。因此，经过前期试验分析，编制组最终选择分别对横纵轴进行示值误差测量，具体测量方法如下：测量时，按图4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-

12、垂线图4示值误差校准安置示意图在垂线仪被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）垂线仪整平，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与、纵向示值尢和二维位移平台对应轴示值之；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为、纵向示值%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弓。a=J(一-o)2+(%-yo)2-(Li-Lo)(3)式中：ei校准点的示值误差；X0M)垂线仪在零点的横、纵向示值Xi%垂线仪在校准点的横、纵向示值；1.0二维位移平台对应轴在零点的

13、示值；1.i二维位移平台对应轴在校准点的示值。5.2.4 分辨力结合垂线仪在实际监测中的具体应用情况，垂线仪主要监测的是微小位移的变化，因此，结合实验数据分析，编制组对垂线仪的分辨力进行校准测量，由于横纵轴的测量原理相似，只需对选取某一轴进行分辨力测量，具体测量方案如下:如图4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功，按式(4)计算分辨力。=(4)Vi=DiDi-di(5)Di=洋辿-卑(6)In山=。-1)逸(7)式中：6垂线仪分辨力；Di垂线在各位置时垂

14、线仪对应轴向的测量值；W测量值归算到起始点的归算量平均值；vi测量值与归算量的差值；di垂线第7次移动的位置相对于起始点的距离值；垂线每次移动间隔，=0.11mm；1 各观测点序号，i=l,2,，n；n测量值个数。5.2.5 测量光平行性误差光电式垂线仪要求测量光平行，即光源可等效为无穷远处点光源，但是由于光路误差，测量光会产生发散或会聚，相当于有限距离处点光源。当光电式垂线仪测量光路中点光源像不在无穷远，测量光则不平行，会导致垂线与CCD距离变化时对测量值带来相应的比例误差。设点光源与CCD距离为ys，则以距离的倒数工作为CCD测量光平行性误差。ys以X轴测量光平行性误差为例，设两条平行于C

15、CD测线长度分别为Ll、1.2,测线与CCD距离分别为为、y2（在校准过程中未知，仅知道两测线间距离d12=y2-y对应垂线仪示值分别为与，不，由平面几何关系，有：图5 CCD测量光平行度示意图Llys-y1 yXi ys ys乙2 i 丫2=1工2 ys丫2 一 % = %2=（71-72）=一七2(8)%2Xiysysys力ysd12%X2j式（7）即为测量光平行性误差计算公式。测量中，按图4所示安置垂线仪，通过移动二维位移平台X轴、Y轴，将垂线分别移动到如图6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(9)(10)计算CCD测量光平行性误差。y轴垂线仪测量范围X轴图6测量光平行性误差校准示意图(9)(10)(11)(12)1 (XB-XA_XLXD)decxb-aXcTD)1,Yb-YcYA-Vdaby-ycyA-ycc=YbTc4B=XB-XA式中：外、ay垂线