一種新型平尺直線度自動測量方法

作　　者：嚴雅君 錢巍 陳剛
機構地區：上海市質量監督檢驗技術研究院,上海201114
摘　　要：闡述了按JJF1097—2003《平尺校準規范》推薦的傳統方法（橋板法）對平尺直線度測量存在的缺點，同時提出了一種采用光電自準直儀自動檢測平尺直線度的方法，并分析比較了橋板法和光電白準直儀法檢測平尺直線度的誤差計算方法，最后總結出光電自準直儀法利用目前先進的儀器及計算機軟件自動采集數據、無線傳輸、自動平差等技術，可大大減少人為誤差，節省人力物力，所測數據準確可靠。

　　拜讀了樓主提供的上海質檢院的平尺直線度檢測研究成果，我認為成果實現了自動檢測、自動處理和檢測結果的自動輸出，特別是“小車”的設計和制作，都是創新點，值得肯定和贊揚，如果把數據處理的原理與節距法數據處理的原理詳細做個比較就更好了。因為，在閱讀成果中發現“光電自準直儀自動檢測平尺直線度的方法”實施時，在被測面上采集數據采用了“小車”，小車的跨距是100mm，這與與使用節距法的橋板跨距100mm完全相同，感覺上數據處理方法與節距法沒有兩樣，只是實現了將數據自動輸入計算機進行處理。如果是把100mm的跨距視為一個點，就屬于直線度誤差的“直接測量法”，這就與用激光自動跟蹤儀檢測直線度的方法完全相同了。　

          在網上查了一下上海市質量監督檢驗技術研究院（SQI），原來，上海質檢院并非是上海市人民政府依法設置的法定計量檢定機構，而是非營利性公益科研類政府實驗室，也是國家級上海產品質量監督檢驗研究院，這樣的質檢院將質檢、纖撿、檢定/校準/檢測、情報、ccc等多個領域的工作融合在一起，履行社會責任，這樣的體制改革，還是首次得知。

     其中，從事檢定/校準/檢測的計量檢測所，是將原上海市電子儀表標準計量測試所、上海市機電工業技術監督所、上海市化學工業技術監督所、上海市輕工技術監督所四個工業系統質檢技術機構的計量校準實驗室合并組建而成。由此可見，其與上海市人民政府依法設置的法定計量檢定機構，上海市計量測試技術研究院（SIMT）還是有其別的。上海計量院（華東計量測試中心）成立于1930年（前身為上海市度量衡檢定所），這才是華東6省1市量值溯源的上級計量機構。

     啰啰嗦嗦談了上述許多，還是要回到樓主上傳的論文上來。大體看了一下，感覺文章中的某些措辭、提法不夠規范，也不夠傳統，看不到是如何“提高了檢測精度和工作效率，確保了數據準確可靠”，由于時間關系，本人將在今后詳細拜讀的基礎上，陸續談出自己的意見和看法。

         所謂“一種新型平尺直線度自動測量方法”，實際上并看不出什么“新”的特點。

     文章中將使用小角度測量儀器，以“節距法”進行的直線度測量，改稱““橋板法”測量平尺直線度”，橋板是測量中的輔助工具，以輔助工具命名測量方法，這應該并不合適。畢竟所謂的“節距法”，就是將被測截面分成若干段，使用小角度測量儀器測出每段首尾連線相對測量基準的傾斜角度變化，再按一定的規則計算評定得出被測截面的直線度誤差曲線（折線近似代替曲線），這里的“節距”實際上就是“竹子或草木莖分枝長葉的部分”，比如“竹節”，或“物體的分段或兩段之間連接的部分”，也就是節距定位。在幾何量專業，“節距法”是大家都已經認可并接受了的術語，且在某些相關法規性技術文件中也有較嚴格定義，所以，文章將“節距法”改稱““橋板法”是不夠合適的。文章中談及“該方法測量橋板兩個支撐點的相對傾斜角度”、“測量被測平面角度的變化”，以及“實現傾斜角度”的測量等描述在測量原理上還是正確的，這使某些持有“節距法”測量的是什么“高度差”的理論無法得到支持。

     文章中稱“橋板法”（節距法）存在以下缺點：1)橋板移動方式為手工移動，無法真正沿直線移動及實現兩次橋板位置的首尾相接，存在較大的測量誤差。不知道文章的作者如何得知“手工移動”橋板，就“無法真正沿直線移動及實現兩次橋板位置的首尾相接”，難道以受校平尺側面定位移動“小車”，就一定是“沿直線移動及實現兩次橋板位置的首尾相接”嗎？平尺側面并沒有形狀誤差要求啊？那一定就是“沿直線移動”嗎？至于得出結論“存在較大的測量誤差”，顯然主觀武斷的想象成分更大些了吧？ 2)測量過程耗時較長，且無法實時計算測量結果。以節距法測量平尺直線度，刨除測量前的準備時間，應該不會出現相對“耗時較長”吧？至于“實時計算測量結果”，實際上也是早已做過的事情，比如將電子水平儀自動（半自動、手工）采集到的測量原始數據導入到計算機，使用軟件進行數據處理，，這不是“實時計算測量結果”嗎？

     文章在極力貶低傳統的“節距法”測量后，推出了新的“光電自準直儀法”，從文章中的文字描述可以看出，所謂“新”的測量方法與傳統的“節距法”幾乎沒什么區別，都是“被測平面角度的變化”，但以測量儀器命名測量方法也依然是不夠合適的，這很容易引起某種程度的混亂，比如這就引起了某些人“與節距法沒有兩樣”的感覺，甚至將“節距”這個“兩段之間連接的部分”“視為一個點”，而與什么“直接測量法”聯系到了一起（節距法屬間接測量）。至于文章中談到“光電自準直儀的測量范圍約3～30m”，讓人實在不敢相信。大家都清楚，光電自準直儀最大的缺陷就是，成像質量受光的折射、散射及空氣流動影響很大，所以一般不適宜在環境較差的現場使用，長距離測量時成像質量往往很差，所以一般僅適合在環境條件較好的實驗室內做短距離測量，當然某些品牌型號的光電自準直儀為了保證所謂的穩定性，而“犧牲”了儀器的靈敏度（去掉靈敏度檔位），包括產品說明書中給出的虛無測量范圍不在現今討論的范圍。

     （后續）
     

　　只要打開國家標準GB/T11336-2004《直線度誤差檢測》就可以看到，直線度誤差檢測的方法“按測量原理、測量器具等分類”可分為直接測量法、間接測量法、組合測量法、量規測量法“四個大類。而直接測量法和間接測量法的細類則按所用的測量設備（含量具、儀器、輔助設備等）進行分類，例如指示器法、鋼絲法、水平儀法、自準直儀法、平晶法、表橋法等等。“節距法”是大家所熟知的直線度誤差檢測方法，但在國家標準GB/T11336中并沒有合法地位，它實際上屬于間接測量法，在間接測量法中的水平儀法和自準直儀法就是這個“節距法”，其共同具有的最大特點是使用了測量設備“橋板”，因此有人稱為“橋板法”也并非不妥。
　　樓主提供的論文“新”方法使用了光電自準直儀，在細類的名稱上叫“自準直儀法”沒有什么不妥，但在大類上卻必須看其測量原理。如果數據采集是相鄰兩個受檢點依次首尾相連，每個受檢點的讀數均以其前一個受檢點的高度為測量基準，測量基準是變化的，測量方法無疑就是GB/T11336規定的間接測量法的自準直儀法。如果數據采集是在被檢表面上任意進行，并非首尾相連，就是以自準直儀的光束為同一個測量基準，測量基準是恒定的，這種測量方法就是GB/T11336規定的直接測量法中的“光軸法”。光軸法可以使用自準直儀，這個“光軸”就是自準直儀產生的。光軸法之所以沒有用測量設備的名稱命名是因為可以使用任何可以產生一條光束的測量儀器，而不能使用測量儀器水平儀。
　　綜上所述，因此我在2樓指出了論文的薄弱環節“如果把數據處理的原理與節距法數據處理的原理詳細做個比較就更好了”，這是因為論文沒有介紹清楚其采點的方法，也就是說論文的“新”方法使用了什么“測量基準”交代不清，新方法在檢測原理上也就沒有創新點。但，也不能對論文給予否定，“移動小車”的構思、設計和使用是最大的創新點。我認為，小車實現間接測量法因為需要受檢點首尾相連，難度較大，還是利用直接測量法比較好，小車的固定跨距也就無所謂，在確保平穩　條件下以越小越好，例如50mm、80mm，最多不要超過100mm為佳。當然自動數據輸入、放大、處理、測量結果輸出也應該是“新方法”的優點之一。

（續4樓）
      文章中對直線度誤差的評定方法“兩端點連線法”是這樣評價的，“兩端點連線法雖然計算簡單但精度較低，使用價值不大”，事情是這樣嗎？首先應該說明，“兩端點連線法”是直線度誤差的評定方法，而非是直線度誤差的測量方法。這個評定方法是國家標準規定允許使用的，其評定基準（評定基線）的位置是測量之前就已經確定的，就是連接被測實際線始、末點的一條直線，由于該評定方法不是什么測量方法，所以談不上什么“精度較低”，其由于僅是一條直線，與被測實際線不存在相接觸并包容的位置關系，也不符合直線度誤差的定義，不符合“最小準則”，所以其是允許使用的，但非“最小”的直線度評定方法（近似方法），當然在被測實際線處于單凸或單凹的誤差折線時，此方法評定所得直線度誤差與最小包容線評定所得結果是完全一樣的。所以兩端點連線由于“計算簡單”，一直被廣泛使用，而不是文章中所講“使用價值不大”。另外，“兩端點連線法”評定所得直線度誤差值正是由于非最小（接近最小），所以不管從生產制造還是對用戶使用的角度來講，實際上是要求更嚴了，也就是講只會產生“誤廢”，而不會產生“誤收”。從這個角度看問題，“兩端點連線法”“精度較低”以及“使用價值不大”的說辭，都是講不通的，正是由于上述原因，“兩端點連線法”評定直線度誤差一直被廣泛的使用著。所以不能為了突出所謂“新型測量方法”，而去貶低傳統的，也是標準允許使用的“兩端點連線”評定方法。另外需要指出，在直線度測量的數據處理過程中，唯一被推導出的計算公式就是“兩端點連線”計算公式，其余什么“旋轉”、“平移”，都是在此公式基礎上的一種“變形”，這樣的“變形”就是為了使評定所得直線度為“最小”，為符合“最小條件準則”。總之，“兩端點連線法”是節距法測量中最基礎的評定方法，肆意貶低是不可取的。

      文章談及的所謂“新型測量方法”，從自動數據采集、輸入、處理及結果輸出來看，應該講是上個世紀80～90年代就已經有過的東西，而且在使用電子水平儀、自準直儀及其它測量儀器時都有過，所以不是什么“新型測量方法”。那么文章中提及的“小車自動運行和定位”是新技術嗎？早在上個世紀80年代末，北京XX研究所就做過該項科研工作，科研項目是以“平直度光電組合測量法”的題目立項的，其數據采集方式有動態位置、動態時間、定點采樣三種，僅是人工遙控自動移動的“橋板”沒有被稱為“小車”罷了，其數據處理采用人機對話，并有多種評定方法，測量結果以三維圖形和數據兩種方式輸出，并標識出極值點位置。通過上述歷史的回顧，我們可以看到，人為放大了的“實現了自動檢測、自動處理和檢測結果的自動輸出，特別是“小車”的設計和制作，都是創新點”的評價，完全是言過其實或對該項測量技術歷史發展過程不了解導致的。由此，我們還可以看出，所謂“新型測量方法”實質上是對近30年前的歷史重復，如果僅作為某個單位或部門的一種拿來主義的“嘗試”倒未曾不可，但如果以此所謂“新型”的科研項目立項，顯然科研項目立項的起點太低了吧。

     文章談及的“橋板法”（節距法）測量lO00mm鑄鐵平尺直線度，“用最小區域法計算平尺直線度誤差”所得結果為11.5μm；而使用所謂“光電自準直儀法”（節距法）“測量前文中提及的lO00mm鑄鐵平尺”，“自動測量系統自動采集10個測量點的數據，計算得出平尺直線度誤差為10.6μm”，兩次測量的跨距相同，但第二次使用光電自準直儀測量，對儀器的分辨力及原始測量數據均沒有講明，僅憑兩次測量得到的兩個結果11.5μm與10.6μm，又有什么可比性呢？又怎么能講出“可見測量精度比最小區域法作圖計算得出的誤差值小”這樣含糊不清的言辭，來證實后者比前者測量準確度高這樣結論來呢？難道還有比“最小”更小的另一個“最小”？畢竟測量準確度高或低不是以直線度誤差值的大或小來判斷的吧？所以，文章的好多用語給人有些外行的感覺。

     至于“節距法”有沒有“合法地位”的疑惑，由于檢定/校準依據的是規程/規范，而不是什么推薦性標準，大家可以去JJG117規程中的6.3.4.4條款中看一下，那里清楚的講明了“節距法”的“合法地位”。所以檢定/校準依據的是規程/規范，而非要本末倒置的去推薦性標準中去查依據，這確實讓人無話可說。

　　“兩端點連線法雖然計算簡單但精度較低，使用價值不大”的說法，“計算簡單”是確實的，也是其重要優點之一。“精度較低”是相對于直線度誤差的“真值”而言的，直線度誤差的定義必須滿足“最小條件”，因此被測表面直線度誤差的真值是符合“最小包容區”的，兩端點連線只是最小包容直線的近似，評定得到的直線度誤差也就是真實直線度誤差的近似值，“精度較低”是站得住腳的。“使用價值不大”則有失偏頗，因為可以得到直線度誤差的近似值，且計算簡單，就具有了較大的使用價值。至于兩端點連線評定直線度誤差“要求更嚴了”是個事實，但把只會產生“誤廢”，而不會產生“誤收”作為優點并不妥當，測量要準確可靠意思是防止誤判風險，誤判既包括誤收也包括誤廢，誤收和誤廢都是壞事，都必須預防。
　　由于論文并沒有介紹測量過程實施中的測量基準是什么，因此也未見其“新方法”的數據處理過程或原理，這是論文的一大殘缺，因為這個殘缺，談論“兩次測量得到的兩個結果11.5μm與10.6μm”的優劣是沒有價值的，建議作者補充數據采集和數據處理的方法。
　　“節距法”的名稱的確在國家標準中是沒有法律地位的，術語“節距法”僅存在于平板檢定規程。“形位公差”系列標準與“極限與配合”系列標準一樣是國家六項基礎標準之一，雖然它們都使用了符號 T ，但不能認為無關緊要，可執行可不執行，特別是從事幾何量計量的人員更是必須學習和掌握的基本標準，檢定規程/校準規范則是國家基礎標準在特定檢測項目或指定被檢對象中的具體應用。
　　我并不認為論文“好多用語給人有些外行的感覺”，將其一棍子打死。應該肯定論文的創新點，也應該指出其不足，提出修改的建議，這才是正確對待他人成果應持有的做法。

          真能扯，““精度較低”是相對于直線度誤差的“真值”而言的”，那使用最小區域包容法評定所得直線度誤差就是“真值”了？至于“誤廢”或“誤收”的問題，只是從一個特殊角度來看問題，沒必要非要往“誤判風險”上扯，貌似公允，實則只是矯情。

          “測量過程實施中的測量基準是什么”應該并不需要“介紹”，所謂的測量基準是儀器讀數的參考基線，自準直儀是按照射出的主光軸反射成像后，依據成像的位置改變來瞄準獲得讀數的，所以不管是間接或直接測量，自準直儀的測量基準只能是儀器的主光軸，如此明確的道理還需要介紹嗎？“未見其“新方法”的數據處理過程”也很簡單，自動采集測量數據后輸入計算機進行數據處理，按一定的評定準則進行評定后給以測量結果的輸出，至于自動采集的測量數據是否合理？自動采集數據針對不斷跳動變化的數據判定是否正確？評定結果的輸出是否正確？這些均屬未經驗證也很難說清楚的事情，一切取決于軟件的自動判斷和自動處理后給以輸出，正是由于這一系列的說不清，所謂的自動測量在實際測量工作中使用的很少，大家反而更習慣于半自動或手動測量。

        標準只是規程/規范起草時的參考文獻，而不是標準的照搬，正是由于規程/規范與標準的種種不同，所以二者之間出現的不同反映在多方面的，硬要規程/規范按標準來“具體應用”，那倒不如修改計量法，將計量檢定依據規程改為計量檢定依據標準更為直接，但那可能嗎？

        對于文章“該方法測量橋板兩個支撐點的相對傾斜角度”、“測量被測平面角度的變化”，以及“實現傾斜角度”的測量等描述在測量原理上還是正確的評價，本人在起初就講過，所以不存在什么“將其一棍子打死”的事情。反倒是什么“實現了自動檢測、自動處理和檢測結果的自動輸出，特別是“小車”的設計和制作，都是創新點”的阿諛奉承，實則是無原則的“捧殺”，難道近30年前做過的事情，現今還會稱為“創新點”？那豈不是不斷重復即為不斷“創新”？

　　至于誰“扯”不是技術討論的內容，扯不扯和誰在扯的問題我拒絕做任何評判。但，眾所周知測得值偏離真值的程度是衡量測量結果“精度”（準確性）高低的量化評判指標，最小包容區直線評定的直線度誤差是直線度誤差的定義，符合定義的值是“真值”，兩端點連線評定的直線度誤差將偏離最小包容區直線評定的直線度誤差，偏離直線度誤差的真值，因此相對于最小包容區直線評定的直線度誤差而言，其“精度”是低的。
　　測量的目的是準確判定被測對象的符合性，既不能誤收也不能誤廢，這是測量人員需遵循的原則。誤收和誤廢合稱“誤判”，研究誤差理論和不確定度評定就是為了杜絕誤判或降低誤判的風險，現代計量管理模式之所以要把計量確認和測量過程控制作為兩大主過程，目的仍然是防止誤判，防止誤廢風險變成不可挽回的事實。
　　連測量過程實施時的測量基準是什么都可以不顧，可見有的人處理檢測數據的隨意性，這種檢測結果如何談準確可靠？“測量基準是儀器讀數的參考基線”是測量基準的定義，“不管是間接或直接測量，自準直儀的測量基準只能是儀器的主光軸”則是口中念測量基準的定義，行動上背離測量基準的定義，把自準直儀的主光軸與測量基準畫等號。只要認真讀一下GB/T11336就一定會看到間接測量和直接測量的本質區別在哪里。同樣使用自準直儀，間接測量法還必須與橋板組合成完整的測量系統，每個受檢點的高度讀數都是以其前面一個受檢點的高度讀得，根據測量基準的定義，前一受檢點就是該受檢點的測量基準，測量基準在實施測量中不停地變更，而直接測量法時各受檢點的讀數均以自準直儀發出的光束為“基線”讀得，在這種情況下自準直儀發出的光束才是測量基準。直接測量與間接測量的測量基準“不管是間接或直接測量，自準直儀的測量基準只能是儀器的主光軸”明顯是典型的不懂“測量基準”是何物的語言。
　　國家標準適用于各行各業，各個領域，檢定規程適用于計量檢定這個特定的領域。多年來，之所以部分國家標準和檢定規程各行其是，相互矛盾，現在看來似乎找到了根源，原來少數檢定規程的起草人認為國家標準對計量檢定這個國內技術領域沒有約束力，檢定規程的制定可以違背國家標準的規定，國家標準充其量只是“參考文獻”，其基本規定可以遵守也可能反其道而行之，甚至幾何量計量的檢定規程連六項基礎標準都可以形同虛設，都可以違背。
　　本人與論文的作者素不相識，與論文作者的單位也毫無瓜葛，即便本人是阿諛奉承之人，也犯不著對論文的作者和單位阿諛奉承。把同行之間的相互鼓勵，相互尊重，相互學習，相互幫助視為“阿諛奉承”的人，自身是什么心態，本人不想加以評論。但對論文是“正確的評價”的態度，還是想“一棍子打死”，看看自己發表的帖子就明白了，畢竟帖子就在眼前，也勿需本人評論，人人皆知。

         最小包容區評定準則是符合直線度定義的，但由此準則評定所得直線度誤差未必就一定是什么“真值”，否則，國家標準就不要允許使用兩端點連線法評定直線度誤差，僅使用最小包容區評定準則以獲得直線度誤差“真值”該有多好。

        節距法使用小角度測量儀器自準直儀的測量基準到底是什么？既然承認直接測量法“讀數均以自準直儀發出的光束為“基線”讀得”，那么間接測量法中儀器讀數難道不以“自準直儀發出的光束為“基線”讀得”？自準直儀視場中的成像不是同所謂的直接法一樣，都是“自準直儀發出的光束”經反射回來后在視場內所成的像？儀器讀數時不是針對反射回來后所成的像瞄準后進行的讀數？不瞄準反射像，而只一味瞎談什么“不停地變更”的受檢點如何來瞄準讀數？能夠瞄準“受檢點”讀數嗎？“不管是間接或直接測量，自準直儀的測量基準只能是儀器的主光軸”，這樣的話有毛病嗎？如此簡單的問題都搞不懂，難道不是“典型的不懂“測量基準”是何物的語言”？事情非常簡單，儀器視場內的像是“自準直儀發出的光束”經反射回來后在視場內所成的像，儀器的指標線是瞄準這個成像而經讀數裝置讀出的數，所以，自準直儀讀數的參考基線（測量基準）只能是儀器的主光軸！這應該是毫無爭議的公理。

       既然“國家標準適用于各行各業，各個領域”，那么為何計量檢定的依據是規程而不是標準？規程對相關標準的引用肯定是參考，而不是照搬，正確的東西會引用，錯誤的東西或不適用于規程的東西肯定不會引用。如果產品沒有標準，規程連什么“引用”都無需考慮（像激光跟蹤儀等就沒有引用什么國家標準），畢竟這兩個技術文件的用途不同，側重點不同......，這樣的例子多了，還需要一一列舉嗎？。至于什么“各行其是”、“違背”、“反其道而行之”以及“形同虛設”等無聊指責，沒人屑于評論。

       既然不是“阿諛奉承”之人，那就將“實現了自動檢測、自動處理和檢測結果的自動輸出，特別是“小車”的設計和制作，都是創新點”的胡言亂語，給大家“解讀”清楚，近30年前就有過的東西，現今僅是重復再現，怎么就成了這自動那自動的“創新點”？

　　承認“ 最小包容區評定準則是符合直線度定義的”就好，再學習一下JJF1001的3.21條“量的真值”是怎么定義的即可得到答案，“與量的定義一致的量值”簡稱“真值”，符合直線度誤差定義的值不叫真值，還有什么可以稱為直線度誤差的真值？難道說兩端點連線評定的直線度誤差可以叫“真值”嗎？
　　直接測量法“讀數均以自準直儀發出的光束為“基線”讀得”，說明直接測量法的測量基準是唯一的，因此勿需使用累積的方法統一測量基準，讀得的數據可以直接進入直線度誤差的評定。間接測量法時，每個受檢點的讀數都是相對于其前面的那個受檢點，測量基準并非自準直儀發出的光束，測量基準是不斷變化的，因此必須采用逐點累積獲得統一測量基準后的數據才能進入直線度誤差評定步驟。因為直接測量法和間接測量法的測量基準不同，數據處理的方法也就不同，這是國家標準GB/T11336所告訴我們的，離開了國家標準直線度誤差的檢測還談什么正確性、可信性？“不管是間接或直接測量，自準直儀的測量基準只能是儀器的主光軸”，試圖用自準直儀的測量基準偷換直線度誤差“不管是間接或直接測量”的測量基準的概念是徒勞的，大家都很清楚，這里講的測量基準是被檢表面各受檢點直線度檢測讀數時的參考對象，不是所用測量設備工作原理的什么基準。
　　 既然“國家標準適用于各行各業，各個領域”，那么為何計量檢定的依據是規程而不是標準？這個問題是幼稚的。 “國家標準適用于各行各業，各個領域”人人都知道，但國家標準終歸不是專業標準，不是行業標準各專業領域都有自己的特殊要求，允許各專業領域制定自己的標準和規范。計量檢定領域有其特殊的要求，制定檢定規程/校準規范是應該的，但檢定規程/校準規范是決不能違背國家標準，與國家標準唱對臺戲的。
　　樓主提供的論文“實現了自動檢測、自動處理和檢測結果的自動輸出，特別是“小車”的設計和制作，都是創新點”，這是客觀事實，當然“專家”可以否定人家的長處，甚至否定這個論文，作為與作者同行的量友，我們是要對朋友的優點和成果給予肯定的，給予支持和抱以學習態度的，“專家”認為這就是“阿諛奉承”、“胡言亂語”那就請便，本人不想在這里為自己辯護。火藥和沖天炮焰火的發明史何止千年，說槍炮和火箭是創新是不是也算“胡言亂語”呢？