线位移传感器动态参数校准规范Word文件下载.docx
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3.1.6响应时间responsetime
由被测量的阶跃变化引起的传感器输出上升到其最终规定百分率时所需要的时间。
为注明这种百分率,可将其置于主词前面,例如:
98%响应时间。
3.1.7频率响应frequencyresponse
在规定的被测量频率范围内,对加在传感器上的正弦变化的被测量来说,输出量与被测量振幅之比及输出量和被测量之间相差随频率的变化。
频率响应应当以在规定的被测量频率范围内的频率和某一规定的被测量为基准。
3.1.8动态测量范围dynamicfullscaleoutput
在保证性能指标的前提下,用最大被测量和最小被测量表示的区间。
4概述
线位移传感器可用来测量位移、距离、位置和应变量等长度尺寸,在工程测试中应用广泛。
典型的线位移传感器可以分为接触式传感和非接触式传感。
线位移传感器输出信号种类多,绝大部分线位移传感器输出电信号,如不同频率的脉冲信号、电压或电流等模拟量;
也有些线位移传感器已集成了信号转化功能,能直接以数字方式或其他方式输出长度尺寸。
典型的线位移传感器的结构示意图如下。
图1一种线位移传感器示意图
1—测杆;
2—外壳;
3—信号输出线缆
5计量特性
5.1外观及附件
线位移传感器外观结构应完好,附件应齐全,不得有影响计量性能的缺陷。
有制造厂商名称、产品型号、出厂编号等标示信息及使用操作说明书。
5.2工作正常性
线位移传感器及校准装置各固定连接部件应连接可靠,可活动部件应运动灵活,各部件在工作范围内应正常工作,状态稳定。
5.3技术指标
项目
技术指标
频率响应(Hz)
300<
f
50<
f≤300
f≤50
动态示值误差(%)
±
0.50
0.20
0.10
动态重复性(%)
0.08
0.04
分辨力(%)
响应时间(rad)
0.03
0.02
0.01
由于校准工作只给出测量结果,不判断合格与否,上述计量特性仅供参考。
6校准条件
6.1环境条件
1环境温度:
22℃±
1℃(每小时温度变化量不超过0.5℃)。
2相对湿度:
≤65%RH。
3室内周围应无影响测量的灰尘、振动、噪音、气流、腐蚀性气体和较强磁场。
4被校准仪器在室内连续平衡温度的时间应不少于24h,标准器具在室内平衡温度的时间应不少于4h。
5电源电压的波动不应超过额定值的±
1%,实验室内应避开强交变电磁场或近距离的交变磁场(如电机、电焊机等)的干扰。
6.2校准用设备(或测量标准及其他设备)
校准过程中所需计量器具(计量基准或计量标准)及配套设备的技术指标要求等。
序号
名称
1
一维直线位移台
(1)位移分辨力Rp,Rp≤0.01μm。
(2)运动范围Lp,0.1μm≤Lp≤2000μm。
(3)运动频率fm,fm≥500Hz。
2
激光干涉仪
(1)位移分辨力RL,RL≤0.01μm。
(2)输出频率fo,fo≥20MHz。
(3)激光稳频特性:
<
50ppb(1小时)。
3
同步信号发生器
(1)同步信号差,Tp≤20μs。
Tp指的是各路信号时间同步误差。
7校准项目和校准方法
7.1校准项目
校准项目见表1。
表1校准项目一览表
校准项目
校准方法条款
外观及附件
7.2.1
动态示值误差
7.2.2
动态重复性
7.2.3
4
动态分辨力
7.2.4
5
响应时间
7.2.5
6
动态测量范围
7.2.6
7.2校准方法
7.2.1外观及附件
被校准线位移传感器外观结构应完好,附件应齐全,不得有影响计量性能的缺陷。
有制造厂商名称、产品型号、出厂编号等标示信息及使用操作说明书;
7.2.2频率响应
安装被校准传感器至一维直线位移台上,尽量满足阿贝原则。
被校准线位移传感器标称量程为±
VR,标称频率响应为fres。
设置一维直线位移台按照预设振幅VR和频率fres做正弦往复运动。
调整被校准线位移传感器的输出范围,在其输出范围内大致均匀分布取11个校准点(包括上、下限)。
一维直线位移台经过相位零点时通过同步信号发生器控制激光干涉仪和被校准线位移传感器同时开始对安装在一维直线位移台上的靶标进行位移测量。
以正、反两个行程为一个测量循环,共测量三个循环。
按顺序分别读出激光干涉仪给出的位移值Lij和相位αij以及各校准点上传感器的输出值yij和相位βij。
当Lij-yij≤±
0.01×
VR,且αij-βij≤0.01×
π时,被校准线位移传感器的响应频率为fres。
相位零点指的是电气信号的相位零点。
7.2.3动态示值误差
设置一维直线位移台按照振幅VR和频率fres做正弦往复运动。
按顺序分别读出激光干涉仪给出的位移值Lij和各校准点上传感器的输出值yij。
按照公式
(1)计算传感器在第j次行程中第i个校准点的误差δij,取三个循环正、反行程中绝对值最大的作为第i个校准点上的误差值,取各i点中绝对值最大的作为示值误差测量结果。
(1)
式中:
YFS——满量程输出,由式
(2)确定,下同。
(2)
YM——位移至上限值时三个循环正、反行程输出量的平均值;
YN——位移至下限值时三个循环正、反行程输出量的平均值。
7.2.4动态重复性
调整被校准线位移传感器的输出范围,在其输出范围内大致均匀分布取m个校准点(包括上、下限)。
以正、反两个行程为一个测量循环,共测量n个循环。
根据n个循环的测量数据,分别计算出m个校准点在正、反行程获得的2m个输出值的标准偏差,其中最大标准偏差记为Smax,按照公式(3)计算重复性。
(3)
c——包含因子,c=t0.95。
7.2.5分辨力
被校准线位移传感器标称分辨力为R,标称频率响应为fres。
一维直线位移台经过相位零点时通过同步信号发生器控制被校准线位移传感器对安装在一维直线位移台上的靶标进行位移测量。
以正、反两个行程为一个测量循环,共测量一个循环。
按顺序分别读出各校准点上传感器的输出值y0i,i=1,2,3,……,11。
保持一维直线位移台正弦运动频率fres不变,振幅调整为(VR-n*R/5),n=1,2,3,……,10。
重复上述过程,按顺序分别读出各校准点上传感器的输出值yni。
当yni不等于y(n-1)i时,记△xni,min为n*R/5。
则被校准线位移传感器的分辨力为Rx。
(4)
△xni,min为第i个校准点上在第n次循环时观测到的最小变化量;
max|△xni,min|为在整个测量范围内,线位移传感器都可以观测到的最小变化量。
7.2.6响应时间
在其正行程幅值最大处设置有校准点。
分别记录激光干涉仪给出的相位值αj以及被校准线位移传感器给出的相位值βj。
按照公式(5)计算传感器在第j次行程中的相位差φj,取三个循环中绝对值最大的作为被校准线位移传感器的响应时间。
(5)
(6)
7.2.7动态测量范围
在其正、反运动幅值最大处分别设置有校准点1和校准点2。
取校准点1处所获得yij绝对值的最小值VR1为测量范围的上限,取校准点2处所获得yij绝对值的最小值VR2为测量范围的下限,则被校准线位移传感器在频率fres的动态测量范围为VR2到VR1。
8校准结果表达(见JJF1071)
8.1校准记录
校准记录应详尽记录测量数据和计算结果。
推荐的校准记录格式见附录A。
8.2校准证书
经校准的主轴测量仪应出具校准证书,校准结果应在校准证书上反映。
校准证书包括的信息应符合JJF1071—2010中5.12的要求,推荐的校准证书内页格式见附录B。
8.3不确定度
校准证书应给出各校准项目的扩展不确定度,评定示例见附录C。
9复校时间间隔(见JJF1071)
在定期进行期间核查的条件下,建议复校时间间隔一般不超过1年。
由于复校时间间隔的长短是由仪器的使用情况、使用者、仪器本身质量等诸因素所决定的,因此,送校单位可根据实际使用情况自主决定复校时间间隔。
10附录
附录A校准记录参考格式
附录B不确定度评定示例
校准记录参考格式
型号
编号
制造厂商
温度
相对湿度
试验日期
试验人员
试验地点
试验装置信息
装置名称
测量范围
不确定度/最大允许误差
证书编号
有效期
试验项目及结果
技术要求
结果
测量数据
7
8
9
10
示值
误差
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
附录B测量结果不确定度评定示例
测量结果不确定度评定示例
B.1测量方法
线位移传感器的动态示值误差是通过激光干涉仪进行校准的。
根据实际测量应用范围和条件的不同,设定好相关的测量程序和条件,并按要求对必要的仪器进行校准后,在仪器有效测量范围内,安装被校准传感器至一维直线位移台上,尽量满足阿贝原则。
使用激光干涉仪对一维直线位移台的运动特性进行测量,利用被校准仪器的测量示值y与激光干涉仪的测量值L进行比较,计算被校准仪器的示值误差δ。
本例中,以幅值为2mm,频率为5Hz的正弦往复运动的测量结果为例进行分析。
B.2数学模型
按照公式(B.1)计算传感器在第j次行程中第i个校准点的误差δij,取三个循环正、反行程中绝对值最大的作为第i个校准点上的误差值,取各i点中绝对值最大的作为示值误差测量结果。
(B.1)
YFS——满量程输出,由式(B.2)确定,下同。
(B.2)
B.3标准不确定度分量一览表
表B.1不确定度评定一览表
标准不确定度分量
不确定度来源
说明
u1
仪器示值
用A类方法进行评定
u2
线位移传感器校准装置
用B类方法评定
B.5标准不确定度分量的计算
B.5.1仪器示值引起的不确定度分量u1
线位移传感器的测量重复性引入的不确定度分量可以通过10次连续重复测量得到,对幅值为2000μm,频率为5Hz的正弦往复运动进行10次重复测量:
2000.07,2000.08,2000.01,1999.98,2000.04,2000.09,2000.09,2000.12,2000.05,2000.09(mm),按贝塞尔公式计算10次实验标准偏差为:
0.03μm。
采用A类方法进行评定,按近似正态分布考虑,则
(B.3)
B.5.2线位移传感器校准装置引入的不确定度分量u2
线位移传感器校准装置引入的不确定度,其来源主要包括激光干涉仪分辨力引入的不确定度分量u21;
电感位移传感器回程误差引入的不确定度分量u22;
电感位移传感器测量板卡分辨力引入的不确定度分量u23;
电感传感器安装误差引入的不确定度分量u24。
B.5.2.1激光干涉仪分辨力引入的不确定度分量u21:
激光干涉仪分辨力引入的不确定度分量采用B类方法评定,激光干涉仪分辨力为0.01μm,按均匀分布,按100%置信概率,k取
,则由此引入的标准不确定度为:
(B.4)
B.5.2.2电感位移传感器回程误差引入的不确定度分量u22:
电感位移传感器的回程误差经校准装置测得为0.019%,传感器全量程内回程误差最大为26.6nm,采用B类方法评定,按均匀分布,按100%置信概率,k取
,由此引入的标准不确定度为:
(B.5)
B.5.2.3电感位移传感器测量板卡分辨力引入的不确定度分量u23:
电感位移传感器测量板卡采用16位AD芯片,则对于电感位移传感器140μm的量程,板卡的理论分辨力为2.136nm,板卡分辨力引入的不确定度分量采用B类方法评定,按均匀分布,按100%置信概率,k取
(B.6)
B.5.2.4电感传感器安装误差引入的不确定度分量u24:
电感位移传感器的安装误差主要是指探针运动轴线与校准装置的运动轴线不共线所引起的阿贝误差,该误差引入的不确定度分量采用B类方法评定,阿贝误差为7.08nm,按均匀分布,按100%置信概率,k取
(B.7)
由此可知,由于线位移传感器校准装置引入的不确定度定u2为:
(B.8)
B.6合成标准不确定度uc
u1和u2均按近似正态分布,合成标准不确定度uc为近似正态分布,当测量动态径向回转误差为4.56μm的标准精密高速主轴时:
(B.9)
B.7拓展不确定度U
取k=2,则拓展不确定度为:
(B.10)
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