1 .引 言
引伸计常作为试验机上一种试样线变形的测量装置，能够监测试样在轴向载荷作用下的形变量，通过计算，能够同步实时输出试样在载荷作用下的应变和应力值。而形变量是材料试验机的重要计量性能指标之一，因此，引伸计在试验机的首次检定、后续检定及使用中检定都有要求。随着材料科学的发展，新材料不断出现，材料的性能也不断优化。一些柔性材料，如塑料、橡胶、超塑性材料等，其延伸率非常高，需要大量程的引伸计与之匹配，而用于检定引伸计的标准器———引伸计检定装置或系统( 引伸计标定器) ，其计量性能指标一般应高于被检引伸计。因此，从量程到精度，对检定装置都有较高的要求。JJG 762 － 2007《引伸计检定规程》规定，对于准确度 等 级 为 0. 2 级 的 引 伸 计，其 相 对 分 辨 力 为0. 1% ，绝对分辨力为 0. 2μm。而 JJF 1096 － 2002《引伸计标定器校准规范》要求，对于可检定 0. 2 级引伸计的检定装置，其相对分辨力为 0. 05% ，绝对分辨力为 0. 1μm，示值相对误差不超过 ± 0. 06% 。目前，国内的引伸计检定装置一般只具备引伸范围在50mm 内、分辨力 0. 2μm 以上的能力。对于量程较大、精度要求较高的引伸计，难以满足其检定和校准的要求。本文研发了一套高精度、大量程引伸计智能化检定系统，其分辨力为 0. 1μm，量程可达 500mm，各项计量性能指标处于行业领先地位，不仅能够解决高精度、大量程引伸计的检定需求，还能实现智能化检定，满足新时期“互联网 + 计量”的要求，可广泛应用于材料试验机的引伸计及其它引伸装置的检定和校准。
2. 系统的设计与结构
系统主体组件的设计结构图如图 1 所示，主要由精密光栅尺、高精度螺杆、伺服电机、HMI( 人机界面) 及非标加工件等组成，再通过串行端口和计算机相连。
上端测头通过固定块与精密丝杆螺纹配合，系统工作时，HMI 或计算机把工作指令传送到 PLC，以控制伺服电机，带动精密丝杆，实现上端测头的上下移动，通过精密光栅尺监测位移量，并实时将数据传输并存储到计算机上。
当开展检定或校准工作时，计算机输入或读取引伸计信息后，将引伸计安装到系统的测试部位( 下端固定轴的轴线) 上，然后选择工作程序，按给定的速度和位移步长开始检定或校准工作。通过图像识别，读取引伸计的示值。根据检定规程要求，设置好工作程序中的检测点，这样系统可以记录各检测点的标准值和引伸计示值，自动完成电子原始记录，还可以进一步地根据设计好的模板和程序，生成电子证书并打印。其中，通过 HMI 和计算机对工作程序( 包括位移量、速度等参量) 进行调试和修改。
本系统因为采用高精度光栅尺，其分辨力可达0. 1μm，周期误差不超过 ± 0. 25μm，线性误差不超过 ± 1μm/m，保证了装置的测量精度。采用 DELTA可编程控制器，用稳定性好的伺服电机和精密丝杆配合，以保证系统的稳定性。系统在整个工作过程中，可实现智能化，避免人工读数和记录引起的错误和误差，也消除了由于工作人员的不同而引起的差异，大大提高了工作效率。
3 .系统性能研究
3.1试验条件
按照《引伸计标定器校准规范》( JJF 1096 －2002) 的要求，对研制的高精度、大量程引伸计智能化检定系统进行试验。试验室采用恒温控制系统，温度 23． 4℃，室温变化 ＜ 0． 5℃ /h，湿度 65% ＲH。试验前，将本系统放置时间 ＞ 24h。3． 2 系统的稳定性采用测量范围( 1 ～ 1． 009) mm、( 0． 5 ～ 100) mm和 ( 125 ～ 500 ) mm 的 2 等 量 块 组 以 及
MPE:± 0. 08μm的 TT80 型电感测微仪，按照 JJF 1096 －2002《引伸计标定器校准规范》
的要求对本系统进行试验。上端测头在受到 1N 的垂向力时，其位置的示值变化为 0. 1μm，刚性满足 JJF 1096 － 2002《引伸计标定器校准规范》的要求。
3.2.1仪器漂移
仪器漂移指其计量特性的变化引起的示值在一段时间内的连续或增量变化，是仪器计量特性的重要指标。将系统置于零位后( x00= 0. 0000μm) ，在 4h 内，前 1h 每隔 15min，以后每隔 30min，记录零位值 x0i，零位漂移值△x0可表示为:
3.2.2示值稳定性
按 JJF1096 － 2002《引伸计标定器校准规范》的要求，分别校准系统 20mm、100mm、500mm
的点。在示值稳定后，每隔 15min 记录系统示值，连续观测1h，其示值误差随时间变化的曲线如图 3 所示。
示值稳定性 △xi可用各点示值 xi的最大值ximax与最小值 ximin之差表示，即:
根据图 3 中的数据，结合式( 2) 可得，20mm、100mm、500mm 各点对应的示值稳定性指标分别为0． 3μm、0． 9μm、9． 1μm，均小于对应校准范围技术要求的绝对误差或相对误差。
3． 2． 3 稳定性考核
根据 JJF 1033 － 2016《计量标准考核规范》的要求，在 半 年 内，每 隔 一 个 月 对 测 量 系 统 20mm、100mm、500mm 处进行测量，测量 10 次取平均值 x珋i，系统稳定性用相邻两次的间隔变化量△x珋表示:
其中，i ＞ 1，20mm、100mm、500mm 对应的间隔变化量如图 4 所示，最大值分别为 0．2μm、0． 8μm、4． 7μm，均满足校准范围内的技术要求。
3.3示值误差
依据 JJF 1096 － 2002《引伸计标定器校准规范》，对本系统各点进行校准，对应的系统误差如图5 所示。图 5( a) 为( 0 － 5) mm 各点的示值误差，其值在( － 0． 15μm ～ 0． 15μm) 之间，图 5( b) 为( 5 －500) mm 各点的相对误差，其值在区间( － 0． 008%～ 0% ) 之间。
3． 4 系统的测量不确定度评定
依据 JJG 762 － 2007《引伸计检定规程》，采用本系统对系列引伸计进行检定，其测量模型可表述为:
δ 为引伸计的示值误差，Li为引伸计的示值，而Lt为本系统的示值。根据测量过程，分析测量不确定度的来源时，主要考虑测量重复性引起的标准不确定度分量 u1、本系统的误差所引起的不确定度分量 u2、引伸计最大误差的标准不确定度分量 u3及由本系统的读数分辨力所引起的不确定度分量 u4，则扩展不确定度可表示为:
k 为包含因子，取 k = 2，本系统的校准和测量能力( CMC) 可分段表示:
Urel为相对不确定度，是 U 和示值的比值的百分数形式。
4. 结 论
本文研制的高精度、大量程引伸计智能化检定系统可以实现大量程、高精度、自动化检测的功能，拓展了引伸计检定量程范围，朝着“互联网 + 计量”对仪器设备智能化和“智慧测量”的方向发展。根据 JJF 1096 － 2002《引伸计标定器校准规范》对引伸计标定器的主要计量指标要求，本系统可以用于( 0 － 500) mm 范围内，0． 2 级及以下引伸计的校准和检定工作。
依据 JJG 762 － 2007《引伸计检定规程》对引伸计进行检定和校准时，其校准和测量能力为: ≤5mm 时，U = 0． 4μm，k = 2; ＞ 5mm 时，Urel= 0． 1% ，k = 2。
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