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C

16、CD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垂线仪”、y轴测量光平行性误差；dBCAB与CD两测线间距离；dABAD与BC两测线间距离；Xa.Ya.Xb.Yb.XcYcXdYd垂线在ABCD4个位置时，二维位移平台的坐标值；xa-%、Xb、Vb、枇、知、Yd垂线在ABCD4个位置时，垂线仪的坐标值。当ABCD是以垂线仪横向最大量程50mm组成的矩形时，XB-XA=XC-X。小一/=5Omm，则：1

17、(Xb-Xa_XLXD)=21(1_1=L)CxB-XaXc-ddbc-A左一一盛(AXA8XDC)一般生产厂家在垂线仪测量范围的中间位置对CCD格值进行标定，因此当测线偏离中间位置越远，测量结果引入的测量光平行性误差也就越大。CCD垂线仪横、纵轴最大量程一般为50mm,测线偏离中间位置的最大距离为25mm,dc=25mm时，测量光平行性误差对示值带来的误差最大。dBcxabXDC)25mmxdc/则:25x =%dc 501xDCmm而甯为示值误差的比例误差,应小于等于。5%,故:125x0.5%mm15111X-251000mm5000mm即：ax2104mm16、制定规范的主要内容1.1

18、 按照JJFlO71-2000国家计量校准规范编写规则的要求制定垂线仪校准规范。在内容与格式上保持一致，校准规范的具体内容有范围、引用文件、术语、概述、计量特性、校准条件、校准项目和校准方法、校准结果的表达、复校时间间隔、附录。1.2 根据垂线仪的应用需求，规范编制小组确定了垂线仪零位误差、隙动误差、示值误差、分辨力、测量光平行性误差5项计量特性要求，具体要求如下：6.2.1零位误差零位误差不超过0.05mm。注：根据实验数据分析确定。1.2.2 隙动误差隙动误差不大于0.05mmo注：根据实验数据分析确定。1.2.3 示值误差光学垂线仪示值误差不超过010mm,光电式垂线仪示值误差不超过0.

19、5%FSo注：该项技术指标要求，参考了DUT1061-2020光电式(CCD)垂线坐标仪以及垂线仪厂商产品使用说明中的相应要求，同时经过大量实验结果发现，绝大部分垂线仪的示值误差均在上述水平之内。1.2.4 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。注：该项技术指标要求，参考了DL/T1061-2020光电式(CCD)垂线坐标仪的相应要求，同时结合实际监测需要，根据原理分析及实验数据分析确定。1.2.5 测量光平行性误差测量光平行性误差一般不大于2X1OTmm-io注：根据原理分析及实验数据分析确定。由于校准工作只给出测量结果，不判断合格与否，上述计量特性

20、仅供参考。1.3 垂线仪的校准工作，推荐使用如下校准装置：标准装置计量特性：二维位移平台：测量范围：横轴250mm,纵轴250mm；示值MPE：0.01mmO注：该项技术指标要求，考虑到绝大多数垂线仪的横纵轴量程范围均大于等于50mm,所以二维位移平台的测量范围需要大于等于50mm。根据三分之一原则，标准装置的最大允许误差应小于等于被校设备校准结果扩展不确定度的1/3,而垂线仪示值误差校准结果的扩展不确定度U=O.03mm(=2),因此标准装置MPE为0.01mm。7、垂线仪校准的建标情况说明需要具备的主要标准器：二维位移平台。8、建标投资金额情况说明建立计量标准的主要标准器为二维位移平台，另

21、外再配备垂线及相应夹具即可，需要约5千元的投入。9、附录的设置附录A垂线仪校准原始记录推荐格式附录B垂线仪校准证书内页推荐格式附录C垂线仪示值误差测量不确定度评定示例附录D垂线仪测量光平行性误差测量不确定度评定示例10、数据公示情况规范征求意见稿、实验报告、数据验证报告、不确定评定等相关资料在起草单位门户网站进行了为期一个月的公示，公示期间未收到反馈意见。COQ W*0J14* ，、我院2项地方计技术规范数据公示及征求意见30 6。O W!5U恻K巾场麻管同公室关于印发W22/2023年度地方计榭BtHl订计划，由观础Wr 的(tUUR仪校；熊酹).隘IfBGNSS检收1校奉IR必2事功力计投

22、木J0R已完成 狂家以Sff5mT件.瑰报耐关电定要刎上法再加方诗量找木娓尼的拉农85M% ttXJT5ttIm. S 划到L mas.不定度泞定1fM行公示,并向杜会叱见，公示!为07月06日Q8 月06日.如有服礴00. H0再射件1拉承意见衰，TOn06BMKtt2ffi9iM(57410884GQfl ayn).XTMHWW. 黄+班 W95seru. XTmR 京W- XT2SWWfc*dN.Hr皿Xg3依懦txgsn*皿ggr?BMJlllTan*11征求意见情况说明本规范征求意见稿完成后，向相关计量机构、生产厂商和设备用户共9家单位征求意见，收到6家单位回函，且均有建议或意见。征

23、求意见汇总表如下：序号省级计量技术法规章条编号意见内容提出单位处理意见备注1.2引用文件中一般不用列出通用规范。本规范引用文件不充分，建议增加有关参考用的规程规范及标准。武汉市度量衡管理所采纳2.3.1“导致垂线与CCD距离变化时”此处CCD应先用中文表达，再简称CCDO武汉市度量衡管理所采纳3.4图1(a)应为“光学式”。武汉市度量衡管理所采纳4.6.1需增加湿度要求。武汉市度量衡管理所采纳5.6.2表2应为表L下同。其中“1)测量范围：250mm；”表述不准确。武汉市度量衡管理所采纳6.7垂线仪校准项目一览表中建议用“+”“一”表示。武汉市度量衡管理所采纳7.7公式下面的量的注释中应有计量

24、单位。武汉市度量衡管理所采纳8.附录C关于横向或纵向的表述在7.2和7.6中的表述不够明晰。武汉市度量衡管理所采纳9.3.1规范名词术语“测量光平行性误差”宜昌市计量检定测试所不采纳，意见不明确10.5.1建议增加“零位误差”术语解释宜昌市计量检定测试所采纳11.6.2规范“测量标准及其他设备”中的指标内容和名词术语，MPE的指标名称是什么？二维平台测量范围需规范宜昌市计量检定测试所采纳12.22引用文件本规蔺引用下列文件：JJF1071-2010国家计量校准规范煽写规则凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本规？i正文中引用的文件应都表示出来。重庆市计量质量检测研究院采纳13.6.26.

25、2窝标准及其他设各泅归准及设SfrIl衣2,允许使用满足苜*不修定度要求的其他M采纳L2K点;及M姓港重庆市计量质量检测研究院技本要求:撤位移平台D50mm:2)MPE,lmm.应为表1。14.4概述中提到垂线仪主要有光学和广电式两种。图1（a）标注为“机械式”，是否改成“光学式”？重庆市计量质量检测研究院采纳15.7学和光电式垂线仪的校准项目不尽相同，具体见表3。应为表2。重庆市计量质量检测研究院采纳16.8校准证书内页推荐格式见附录Do应改成“校准证书内页推荐格式见附录C”重庆市计量质量检测研究院采纳17.2引用文件不完整，建议与引言中内容对应中国地质大学（武汉）不采纳，正文中的引用文件为

26、实际引用的。18.3术语中仅一条解释，建议增加规范中对应不常见的术语相应解释中国地质大学（武汉）采纳，增加了零位误差19.4第二段行距未统一中国地质大学（武汉）采纳20.4图名标号字体未统一中国地质大学（武汉）采纳21.5建议用一张图标描述各类误差中国地质大学（武汉）不采纳，目前是依据JJF1071国家规范编写规则编写的22.6.2表二建议去掉，建议用文字描述中国地质大学（武汉）不采纳，表格的形式更直观23.7.4“垂线仪在零点的横、纵向示值后缺分号中国地质大学（武汉）采纳24.8“见附录D与规范后附录不对应中国地质大学（武汉）采纳25.5.3“大坝安全监测仪器检验J则试规程（SL53O-2O

27、12）”4.3.1中对光电式（CCD）垂线坐标仪检测要求包括垂线坐标仪的分辨率、非线性度（符合度）、不重复度。示值误差的术语是否规范准确？长江空间信息技术工程有限公司（武汉）示值误差己经包含了非线性度（符合度）引入的误差，校准规范与行业标准的适应范围不一样。26.5.3光电式垂线仪示值误差不超过土O.5%FS“大坝安全监测仪器检验J则试规程（SL530-2012）”431光电式（CCD）垂线坐标仪的非线性度（符合度）不低于O.2%FS建议修改要求与行业标准一致长江空间信息技术工程有限公司（武汉）不采纳，最新光电式（CCD）垂线坐标仪中要求基本误差0.5%FS27.5.4垂线仪分辨力不大于0.1

28、0mm。该条款未区分光学或CCD垂线仪要求，且“大坝安全监测仪器检验_测试规程（SL530-2012）”4.3.1光电式（CCD）垂线坐标仪的分辨率不低于0.02mm。建议修改，区别要求，且要求与行业标准一致长江空间信息技术工程有限公司（武汉）采纳，垂线仪分辨力改为光学式分辨力不大于0.05mm,光电式垂线仪分辨力不大于0.02mm28.7.3分别正反向移动照准部，对准垂线，记录垂线仪正反向示值a、b。建议：因垂线具有一定直径，在瞄准系统内的线性影像较粗，“对准垂线”应明确照准具体部位和方式（对准线体左侧或右侧或中部）长江空间信息技术工程有限公司（武汉）不采纳，实际校准过程中对准线体左侧或右侧

29、或中部均可，前后保持一致即可。29.9复校时间间隔建议：强制约定每年检定长江空间信息技术工程有限公司（武汉）不采纳，校准规范中只对复检时间间隔进行建议。30.6.21）测量范围：250mm；作为二维平面，建议更改为：X：50mm,y:50mm长江空间信息技术工程有限公司（武汉）采纳31.7.5每次移动间隔为0.1Imm,0.1Imm是否有依据？长江空间信息技术工程有限公司（武汉）参照JJF1784-2019全站仪型式评价大纲中分辨力的测量方法32.规范名称该仪器行业规范中均称为垂线坐标仪，例如：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DL/T327-

30、2020步进式垂线坐标仪DL/T1061-2020光电式（CCD）垂线坐标仪建议所有涉及“垂线观测仪”表述的地方，修改为：“垂线坐标仪”，另外，“垂线仪”是口头语表达，该仪器标准术语表达，没有这个简称，“垂线观测仪校准规范”应遵循相关行业规范表述武汉地震科学仪器研究院有限公司不采纳，规范名称已经通过省市场监督管理局的审批，不能更改33.附录C建议提供2种格式：CCD光电式垂线坐标仪、光学人工垂线坐标仪针对每种类型提供1种格式。武汉地震科学仪器研究院有限公司采纳34.5.3DL/T1061-2007光电式（CCD）垂线坐标仪中要求5.2性能参数垂线坐标仪的性能参数应满足以下要求：5.2.1 通信

31、接口；满足DLTT5211中5.3的有关5.2.2 分辨力：AW0.02mm.5.2.3 基本误差：必W0.2%FS5.2.4 不重发度：（5j01%FS.建议5.3中部分指标修改为：光电式垂线仪示值误差不超过02%FS垂线仪分辨力不大于0.02mmo武汉地震科学仪器研究院有限公司部分采纳，DL/T1061-2007已经被DL/T1061-2020替代，新标准中要求基本误差W0.5%FS;垂线仪分辨力改为光学式分辨力不大于0.05mm,光电式垂线仪分辨力不大于0.02mm35.9依据水库大坝运行监测实际需求看，光学人工垂线坐标仪，建议一般不超过1年。光电式垂线坐标仪，建议一般不超过2年。原因如下：光学人工垂线坐标仪属于携带观测，不是定点观测，属于经常携带搬运监测工具，容易发生机械结构变化，武汉地震科学仪器研究院有限公司不采纳，给出的为建议时间不超过1年，实际复校时间送检单位可根据实际使用情况自主决定。因此建议1年1检。CCD式垂线坐标仪，属于定点观测，设备固定在一个点观测，从大坝运行和安全监测角度，1年1检，会影响监测原始数据的变化，不能保证监测数据的连续性。