中華人民共和國(guó)國(guó)家計(jì)量技術(shù)規(guī)范線位移傳感器校準(zhǔn)規(guī)范2011-12-14實(shí)施線位移傳感器校準(zhǔn)規(guī)范本規(guī)范經(jīng)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局于2011年9月14日批準(zhǔn)，并自2011年12月14日起施行。張勇(廣東省計(jì)量科學(xué)研究院)梁平(廣東省計(jì)量科學(xué)研究院)趙新麗(北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所)梁玉紅(黑龍江省計(jì)量檢定測(cè)試院)呂小潔(貴州省計(jì)量測(cè)試院) 2引用文獻(xiàn) 4概述 5計(jì)量特性 5.1電感式位移傳感器 5.2差動(dòng)變壓器式位移傳感器(含直流差動(dòng)、交流差動(dòng)變壓器型) 5.3振弦(應(yīng)變)式位移傳感器 5.4磁致伸縮式位移傳感器 5.5電阻式位移傳感器(含電位器型、滑線電阻型、導(dǎo)電塑料型) 5.6拉線(繩)式位移傳感器 5.7激光式位移傳感器 6校準(zhǔn)條件 6.1環(huán)境條件 6.2校準(zhǔn)用主要設(shè)備 7校準(zhǔn)項(xiàng)目和校準(zhǔn)方法 7.1校準(zhǔn)項(xiàng)目 7.2校準(zhǔn)方法 8校準(zhǔn)結(jié)果表達(dá) 9復(fù)校時(shí)間間隔 1本規(guī)范適用于線位移傳感器的校準(zhǔn)。2引用文獻(xiàn)本規(guī)范引用下列文獻(xiàn)：JJF1001—1998通用計(jì)量術(shù)語(yǔ)及定義JJF1059—1999測(cè)量不確定度評(píng)定與表示JJF1094—2002測(cè)量?jī)x器特性評(píng)定GB/T7665—2005傳感器通用術(shù)語(yǔ)GB/T13606—2007土工試驗(yàn)儀器巖土工程儀器振弦式傳感器通用技術(shù)條件GB/T18459—2001傳感器主要靜態(tài)性能指標(biāo)的計(jì)算方法使用本規(guī)范時(shí)注意使用上述引用文獻(xiàn)的現(xiàn)行有效版本。能感受長(zhǎng)度尺寸變化并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件。傳感器輸出量變化值與相應(yīng)輸入量變化值之比。傳感器正、反行程實(shí)際平均特性曲線相對(duì)于參比直線的最大偏差與滿量程輸出的百在規(guī)定條件下，傳感器輸出的上限值和下限值之間的代數(shù)差。注：對(duì)于振弦(應(yīng)變)式位移傳感器，由于其輸出量的特殊性，滿量程輸出為傳感器輸出范圍內(nèi)上限輸出頻率的平方和下限輸出頻率的平方的代數(shù)差，如果振弦(應(yīng)變)式位移傳感器是以頻率模數(shù)(輸出頻率的平方除以1000)為輸出量，則滿量程輸出為上限輸出頻率模數(shù)和下限輸出頻率模數(shù)的代數(shù)差。線位移傳感器可用來(lái)測(cè)量位移、距離、位置和應(yīng)變量等長(zhǎng)度尺寸，在工程測(cè)試中應(yīng)用廣泛。線位移傳感器輸出信號(hào)的類(lèi)型多，絕大部分線位移傳感器輸出電信號(hào)，如不同頻率的脈沖信號(hào)、電壓或電流等模擬量；也有些線位移傳感器已集成了信號(hào)轉(zhuǎn)化功能，能直接以數(shù)字方式或其他方式輸出長(zhǎng)度尺寸。典型線位移傳感器的結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖如圖1～圖4。圖1電感式位移傳感器(直流差動(dòng)、交流差動(dòng)變壓器式位移傳感器)示意簡(jiǎn)圖圖3磁致伸縮式位移傳感器示意簡(jiǎn)圖圖4拉線(繩)式位移傳感器示意簡(jiǎn)圖23線位移傳感器主要的計(jì)量特性有：靈敏度、基本誤差、線性度、回程誤差、重復(fù)性。對(duì)于能直接以數(shù)字方式或其他方式輸出長(zhǎng)度尺寸的線位移傳感器，可以只校準(zhǔn)基本誤差、回程誤差和重復(fù)性三項(xiàng)計(jì)量特性。典型線位移傳感器的計(jì)量特性見(jiàn)表1～表7。5.1電感式位移傳感器電感式位移傳感器計(jì)量特性見(jiàn)表1。基本誤差(%)線性度(%)回程誤差(%)重復(fù)性(%)5.2差動(dòng)變壓器式位移傳感器(含直流差動(dòng)、交流差動(dòng)變壓器型)差動(dòng)變壓器式位移傳感器(含直流差動(dòng)、交流差動(dòng)變壓器型)計(jì)量特性見(jiàn)表2?；菊`差(%)士0.20線性度(%)士0.10回程誤差(%)重復(fù)性(%)5.3振弦(應(yīng)變)式位移傳感器振弦(應(yīng)變)式位移傳感器計(jì)量特性見(jiàn)表3。基本誤差(%)線性度(%)回程誤差(%)重復(fù)性(%)5.4磁致伸縮式位移傳感器典型磁致伸縮式位移傳感器計(jì)量特性見(jiàn)表4?；菊`差(%)線性度(%)回程誤差(%)重復(fù)性(%)5.5電阻式位移傳感器(含電位器型、滑線電阻型、導(dǎo)電塑料型)典型電阻式位移傳感器計(jì)量特性見(jiàn)表5。傳感器類(lèi)型電位器型滑線電阻型導(dǎo)電塑料型基本誤差(%)線性度(%)士2.0回程誤差(%)重復(fù)性(%)5.6拉線(繩)式位移傳感器典型拉線(繩)式位移傳感器計(jì)量特性見(jiàn)表6。基本誤差(%)線性度(%)士0.1回程誤差(%)重復(fù)性(%)5.7激光式位移傳感器典型激光式位移傳感器計(jì)量特性見(jiàn)表7?；菊`差(%)線性度(%)士0.1回程誤差(%)重復(fù)性(%)注：由于校準(zhǔn)工作只給出測(cè)量結(jié)果，不判斷合格與否，上述計(jì)量特性僅供參考。56.1環(huán)境條件6.1.1實(shí)驗(yàn)室溫度、相對(duì)濕度和平衡溫度時(shí)間的要求見(jiàn)表8。校準(zhǔn)室內(nèi)溫度室溫變化相對(duì)濕度(%)被校準(zhǔn)儀器在室內(nèi)平衡溫度的時(shí)間(h)16.1.2電源電壓的波動(dòng)不應(yīng)超過(guò)額定值的±10%,實(shí)驗(yàn)室內(nèi)應(yīng)避開(kāi)強(qiáng)交變電磁場(chǎng)或近距離的交變磁場(chǎng)(如電機(jī)、電焊機(jī)等)的干擾。6.2校準(zhǔn)用主要設(shè)備對(duì)不同型式的線位移傳感器，校準(zhǔn)用的主要設(shè)備見(jiàn)表9。線位移傳感器型式采用設(shè)備電感式位移傳感器(1)數(shù)字頻率計(jì)：測(cè)量范圍0.1Hz～1.5GHz,準(zhǔn)確度不低于4×10-5(2)量塊：3等、4等、5等，測(cè)量范圍0.5mm～600mm(3)激光干涉儀：MPE:±(0.03μm+1.5×10-?L)(1)穩(wěn)定直流電源：紋波電壓不大于0.5%(2)量塊：3等、4等、5等，測(cè)量范圍0.5mm～600mm(3)激光干涉儀：MPE:±(0.03μm+1.5×10-'L)(4)數(shù)字多用表：MPE:DCV±0.004%~±0.1%交流差動(dòng)變壓器式(1)勵(lì)磁電源：頻率1kHz～6kHz正弦波，波形失真度不大于2%(2)量塊：3等、4等、5等，測(cè)量范圍0.5mm～600mm(3)激光干涉儀：MPE;±(0.03μm+1.5×10-?L)(4)數(shù)字多用表：MPE:ACV±0.03%~±0.1%(1)弦式讀數(shù)儀：MPE:士0.1%(2)數(shù)顯指示表：MPE:±0.002mm(1)激光干涉儀：MPE:±(0.03μm+1.5×10-'L)(2)數(shù)字多用表：MPE:DCV±0.004%~±0.1%電阻式位移傳感器(1)激光干涉儀：MPE:士(0.03μm+1.5×10-°L)(2)量塊：3等、4等、5等，測(cè)量范圍0.5mm～1000mm(3)數(shù)字多用表：MPE:DCV±0.004%~±0.1%(1)激光干涉儀：MPE:±(0.03μm+1.5×10-?L)(2)測(cè)長(zhǎng)機(jī)：MPE:±(0.5μm+10×10-?L)(3)數(shù)字多用表：MPE:DCV±0.004%~±0.1%(1)激光干涉儀：MPE:±(0.03μm+1.5×10-°L)(2)數(shù)字多用表：MPE:DCV±0.004%~±0.1%67校準(zhǔn)項(xiàng)目和校準(zhǔn)方法檢查被校準(zhǔn)的線位移傳感器，并對(duì)被校準(zhǔn)的傳感器按說(shuō)明書(shū)進(jìn)行標(biāo)定，確定沒(méi)有影響計(jì)量特性的因素后再進(jìn)行校準(zhǔn)。7.1校準(zhǔn)項(xiàng)目根據(jù)線位移傳感器實(shí)際應(yīng)用時(shí)的輸出方式，選擇需要校準(zhǔn)的計(jì)量特性項(xiàng)目。7.2校準(zhǔn)方法根據(jù)表9選擇不同的長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)器為線位移傳感器提供位移輸入，采用相應(yīng)的二次儀表讀取線位移傳感器的輸出量(電壓、電流、電阻、頻率或頻率模數(shù))。傳感器的安裝盡量滿足阿貝原則。調(diào)整傳感器的輸出范圍，在其輸出范圍內(nèi)大致均勻分布取11個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)(包括上、下限),按順序分別讀出長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)器給出的位移值L;和各校準(zhǔn)點(diǎn)上的輸出值y;[對(duì)于振弦(應(yīng)變)式位移傳感器，L,為顯示裝置顯示的位移值與傳感器基本長(zhǎng)度的比值]。以正、反兩個(gè)行程為一個(gè)測(cè)量循環(huán)，共測(cè)量三個(gè)循環(huán)，根據(jù)三個(gè)循環(huán)的測(cè)量結(jié)果，采用最小二乘法計(jì)算參比直線方程，見(jiàn)式(1)。斜率K及截距Y。的計(jì)算公式如下：式中：Y,——被校準(zhǔn)線位移傳感器在第i個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)處輸出量的擬合輸出值；Yo——參比直線的截距；K—-參比直線的斜率；y,——被校準(zhǔn)線位移傳感器在第j次行程中第i個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的輸出值；y——被校準(zhǔn)線位移傳感器各校準(zhǔn)點(diǎn)輸出值的平均；L,—被校準(zhǔn)線位移傳感器在第j次行程中第i個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的輸入值；L——被校準(zhǔn)線位移傳感器各校準(zhǔn)點(diǎn)輸入位移值的平均；i-—第i個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)，i=1,2,…,10,11,下同(另有說(shuō)明除外);j——第j次測(cè)量行程次序數(shù)，j=1,2,…,5,6,下同。7.2.1靈敏度取式(2)中最小二乘法參比直線的斜率作為靈敏度測(cè)量結(jié)果。7.2.2基本誤差根據(jù)參比直線方程式(1)求出被校準(zhǔn)線傳感器在第i個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)處的擬合輸出值Y,后，按式(4)計(jì)算傳感器在第j次行程中第i個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的誤差δ,,取三個(gè)循環(huán)正、反行程中絕對(duì)值最大的作為第i個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)上的誤差值，取各i點(diǎn)中絕對(duì)值最大的作為基本7誤差測(cè)量結(jié)果。式中：Yrs——滿量程輸出，由式(5)確定，下同。式中：Ym-—位移至上限值時(shí)三個(gè)循環(huán)正、反行程輸出量的平均值；Yx——位移至下限值時(shí)三個(gè)循環(huán)正、反行程輸出量的平均值。7.2.3線性度按參比直線方程式(1)求出傳感器在第i個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)處的擬合輸出值Y;后，由式(6)計(jì)算各校準(zhǔn)點(diǎn)的偏差L,取各i點(diǎn)中絕對(duì)值最大的作為線性度測(cè)量結(jié)果。線性度的最佳計(jì)算方法，應(yīng)采用最佳直線作為參比直線，按式(7)計(jì)算各校準(zhǔn)點(diǎn)的偏差L,取各i點(diǎn)中絕對(duì)值最大的作為測(cè)量結(jié)果。兩條平行直線的中位線，最佳直線的計(jì)算方法見(jiàn)本規(guī)范附錄B。7.2.4回程誤差按式(8)計(jì)算傳感器各校準(zhǔn)點(diǎn)的回程差h,取各i點(diǎn)中最大的作為回程誤差測(cè)量結(jié)果。式中：g:——傳感器在第i個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)三個(gè)循環(huán)正行程輸出量的平均值；6.—傳感器在第i個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)三個(gè)循環(huán)反行程輸出量的平均值。7.2.5重復(fù)性出同向行程中相互間的最大差值，取各點(diǎn)同向行程中差值最大的為△,按式(9)計(jì)算重復(fù)性。8校準(zhǔn)結(jié)果表達(dá)經(jīng)校準(zhǔn)的線位移傳感器出具校準(zhǔn)證書(shū)。校準(zhǔn)證書(shū)內(nèi)容，見(jiàn)附錄C。9復(fù)校時(shí)間間隔線位移傳感器的復(fù)校時(shí)間間隔，根據(jù)使用情況由用戶自行確定，建議一般不超過(guò)8附錄AA.1測(cè)量方法采用激光干涉儀配傳感器檢測(cè)臺(tái)校準(zhǔn)拉線(繩)式位移傳感器。拉線(繩)式位移傳感器安裝在傳感器檢測(cè)臺(tái)的固定位置上，拉繩縛在移動(dòng)的工作臺(tái)上，安裝時(shí)盡量滿足阿貝原則，并使拉繩直線運(yùn)動(dòng)對(duì)準(zhǔn)傳感器工作臺(tái)移動(dòng)軸線，以減少余弦誤差。工作臺(tái)移動(dòng)時(shí)，拉繩伸展或收縮，帶動(dòng)輪轂正向或反向轉(zhuǎn)動(dòng)使精密旋轉(zhuǎn)感應(yīng)器輸出一個(gè)與拉繩移動(dòng)距離成比例的電信號(hào)。激光干涉儀測(cè)量拉線(繩)式位移傳感器的位移、采用分辨力為0.0001V、相對(duì)示值誤差限為DCV±0.03%的數(shù)字多用表讀取傳感器輸出的電信號(hào)——電壓值，按本規(guī)范規(guī)定的方法校準(zhǔn)傳感器的基本誤差，進(jìn)行測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定。被校準(zhǔn)的拉線(繩)位移傳感器技術(shù)指標(biāo)如下：測(cè)量范圍上限：500mm滿量程輸出：+10V基本誤差要求：±0.2%A.2不確定度分析與討論根據(jù)本規(guī)范的校準(zhǔn)方法，傳感器各校準(zhǔn)點(diǎn)的基本誤差δ,計(jì)算式見(jiàn)式(A.1)。當(dāng)位移傳感器安裝位置與環(huán)境條件已確定后，式(A.1)中的校準(zhǔn)點(diǎn)處輸出量的擬合輸出值Y,和Yrs滿量程輸出可當(dāng)作常量來(lái)處理，該式中只有校準(zhǔn)點(diǎn)實(shí)測(cè)的輸出量y,一個(gè)變量，只考慮影響該實(shí)際測(cè)量值的相對(duì)不確定度。A.3不確定度來(lái)源影響傳感器基本誤差測(cè)量結(jié)果的主要因素有標(biāo)準(zhǔn)器(激光干涉儀的測(cè)距誤差、數(shù)字多用表的測(cè)量誤差)、測(cè)量重復(fù)性、回程誤差、環(huán)境條件、安裝誤差等，在評(píng)定不確定度時(shí)考慮這些因素。A.4標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定A.4.1激光干涉儀測(cè)距誤差引入的不確定度分量u?激光干涉儀測(cè)距的最大允許誤差為±(0.03μm+1.5×10-?L),忽略固有誤差，只考慮與測(cè)量距離有關(guān)的相對(duì)誤差1.5×10-?。由于被校準(zhǔn)傳感器500mm的測(cè)量上限對(duì)應(yīng)于滿量程10V的輸出，因此相對(duì)于滿量程輸出而言，激光干涉儀測(cè)距誤差引入的不確定度分量由下式估算，按均勻分布處理，k=√3。A.4.2數(shù)字多用表讀數(shù)引起的不確定度分量u?29數(shù)字多用表實(shí)際讀數(shù)時(shí)，采用的分辨力為0.0001V,則分辨力引起的不確定度可以忽略不計(jì)。數(shù)字多用表直流測(cè)量的相對(duì)示值誤差限為DCV±0.03%,該表由選擇量程引入的相對(duì)誤差為DCV±0.004%,測(cè)量量程選擇為10V,按均勻分布處理，k=√3,因此數(shù)字多用表讀數(shù)引入的不確定度分量u?,估算為：A.4.3傳感器安裝誤差引入的不確定度分量傳感器的安裝誤差主要有阿貝誤差和余弦誤差。實(shí)際安裝時(shí)，合理布局激光干涉儀和傳感器，調(diào)整拉繩的運(yùn)動(dòng)方向，以便消除阿貝誤差和余弦誤差的影響，這樣傳感器安裝誤差引入的不確定度分量可以忽略不計(jì)。A.4.4傳感器重復(fù)性引人的不確定度分量u?對(duì)于基本誤差要求為±0.2%的拉線(繩)位移傳感器，其重復(fù)性的要求應(yīng)不超過(guò)0.03%,傳感器重復(fù)性引入的不確定度為：u?=0.03%A.4.5傳感器回程誤差引人的不確定度分量u對(duì)于基本誤差要求為士0.2%的拉線(繩)位移傳感器，其回程誤差的要求應(yīng)不超過(guò)0.03%,按均勻分布處理，k=√3,傳感器回程誤差引入的不確定度為：A.4.6環(huán)境條件的影響環(huán)境條件的影響主要表現(xiàn)為室溫的變化，即被測(cè)傳感器與儀器的溫度差異等方面。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，只要在校準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定的環(huán)境條件下進(jìn)行校準(zhǔn)，以上因素的影響可以忽略不計(jì)。A.5合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度不考慮相關(guān)因素，以上4個(gè)不確定度分量按下式合成。2(0.0001%)+(0.0175%)+(0.03%)在(0.0173%)A.6擴(kuò)展不確定度取包含因子k=2,擴(kuò)展不確定度為：U=kuc≥2×0.039%≈0.08%B.1校準(zhǔn)某一種傳感器，測(cè)量數(shù)據(jù)列表如表B.1所示。測(cè)量點(diǎn)序輸入位移L;三個(gè)循環(huán)正、反行程輸出電壓值的平均值(V)后，得到各點(diǎn)的偏差數(shù)據(jù)(V)123456789B.2將各點(diǎn)的偏差數(shù)據(jù)繪圖如圖B.1,外圍偏差點(diǎn)1、偏差點(diǎn)2、偏差點(diǎn)7、偏差點(diǎn)10、偏差點(diǎn)11和偏差點(diǎn)9組成凸多邊形包容各偏差點(diǎn)(圖中縱軸偏差值已放大)。B.3由該凸多邊形的各頂點(diǎn)向其對(duì)邊引鉛垂線(平行于縱坐標(biāo)軸的直線),其中肯定存在一條最長(zhǎng)的鉛垂線，此鉛垂線必與其對(duì)邊相交，將這條對(duì)邊所在的直線平移，使最大正、負(fù)偏差絕對(duì)值相等后，該直線即成為最佳直線。顯然，該最佳直線通過(guò)對(duì)邊兩端點(diǎn)與頂點(diǎn)所組成三角形兩邊的中點(diǎn)。也就是說(shuō)，找到了這兩個(gè)中點(diǎn)，其連線就是最佳直線。根據(jù)圖形分析，偏差點(diǎn)7到偏差點(diǎn)1