肖娜麗

(福建省計(jì)量科學(xué)研究院，福建福州　350003)

0　引言

秒表檢定儀是一種用來(lái)檢定電子秒表、機(jī)械秒表的專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備[1]。它采用單片機(jī)作為控制核心，采用恒溫石英晶體振蕩器作為時(shí)基信號(hào)源，主要由時(shí)基分頻電路、顯示電路、輸出電路、電源、鍵盤(pán)及帶機(jī)械觸頭的夾具組成，整機(jī)具有較高的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度。按照J(rèn)JG601—2003《時(shí)間檢定儀》檢定規(guī)程要求，秒表檢定儀需要檢定其內(nèi)部晶振和夾具2次動(dòng)作的時(shí)間間隔[2]。

由于缺乏專(zhuān)門(mén)儀器檢定秒表檢定儀含夾具情況下的時(shí)間間隔，許多計(jì)量單位采用不接夾具直接測(cè)量的方法來(lái)完成該項(xiàng)目的檢定。這種檢定方法不嚴(yán)謹(jǐn)，對(duì)于秒表檢定儀而言，夾具所附帶的誤差不可忽略。本文提出一種光電轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)方法，解決了秒表檢定儀機(jī)械觸頭二次動(dòng)作的時(shí)間間隔的高準(zhǔn)確度測(cè)量問(wèn)題。

1　秒表檢定儀的工作原理

秒表檢定儀使用時(shí)先將電子秒表在夾具上夾好，調(diào)整好夾具上機(jī)械觸頭與電子秒表按鈕之間的距離。由鍵盤(pán)輸入所需檢定的時(shí)間間隔，然后按下啟動(dòng)鍵盤(pán)，夾具的機(jī)械觸頭打擊一次電子秒表的按鈕，電子秒表開(kāi)始走時(shí)，同時(shí)秒表檢定儀顯示屏上輸入的檢定時(shí)間間隔開(kāi)始倒計(jì)時(shí)。倒計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，機(jī)械觸頭會(huì)再次打擊電子秒表的按鈕，電子秒表停止，一次檢定結(jié)束。

秒表檢定儀本機(jī)的誤差來(lái)自2個(gè)方面：一是恒溫石英晶體振蕩器的頻率準(zhǔn)確度；二是帶動(dòng)夾具上機(jī)械觸動(dòng)動(dòng)作時(shí)電磁鐵的延遲動(dòng)作。恒溫石英晶體振蕩器的頻率準(zhǔn)確度要求在±5×10-7以上，夾具機(jī)械觸頭動(dòng)作延遲要求不能超過(guò)±3 ms．因此秒表檢定儀的最大允許誤差為：

±(T0×恒溫石英晶體振蕩器頻率準(zhǔn)確度+3 ms)

式中T0為檢定時(shí)所設(shè)置的時(shí)間間隔[4]。

其中，秒表檢定儀頻率準(zhǔn)確度的檢定可參照J(rèn)JG180—2002《電子測(cè)量?jī)x器內(nèi)石英晶體振蕩器》檢定規(guī)程中的檢定方法[2]。而時(shí)間間隔的檢定則需要先將機(jī)械觸頭二次動(dòng)作的行為轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏俊?/p>

2　傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換電路存在的問(wèn)題

2．1機(jī)電轉(zhuǎn)換電路

機(jī)電轉(zhuǎn)換電路[5]測(cè)量時(shí)間間隔的原理是在機(jī)械觸頭的前方安置一個(gè)觸動(dòng)開(kāi)關(guān)，通過(guò)秒表檢定儀機(jī)械觸頭打擊開(kāi)關(guān)以達(dá)到機(jī)電轉(zhuǎn)換的目的。此方法存在以下3個(gè)問(wèn)題：

(1)觸動(dòng)開(kāi)關(guān)若采用有鎖開(kāi)關(guān)，則會(huì)導(dǎo)致機(jī)械觸頭兩次打擊的行程不一致，所測(cè)誤差超出規(guī)程要求；

(2)觸動(dòng)開(kāi)關(guān)若采用無(wú)鎖開(kāi)關(guān)，機(jī)械觸頭打擊時(shí)通常伴隨著抖動(dòng)，容易導(dǎo)致觸動(dòng)開(kāi)關(guān)誤操作，致使秒表檢定儀無(wú)法正常檢定；

(3)機(jī)械觸頭打擊力較大，如何固定觸動(dòng)開(kāi)關(guān)使其不移動(dòng)或微移動(dòng)(需滿(mǎn)足時(shí)間間隔測(cè)量的最大允許誤差范圍)將是一個(gè)難題。

2．2磁電轉(zhuǎn)換電路

磁電轉(zhuǎn)換電路[3]測(cè)量時(shí)間間隔的原理是將永磁體膠塊膠合在機(jī)械觸頭上，使觸頭運(yùn)動(dòng)時(shí)磁極面面向磁電轉(zhuǎn)換電路，通過(guò)磁場(chǎng)的變化將機(jī)械觸頭二次動(dòng)作的行為轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?。該方法存在以?個(gè)問(wèn)題：工作環(huán)境中存在的磁場(chǎng)干擾不易排除；每次試驗(yàn)都需要尋找永磁體和磁電轉(zhuǎn)換電路之間的最佳感應(yīng)距離，且需要將永磁體膠合在機(jī)械觸頭上，實(shí)際操作復(fù)雜。

3　光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

光電轉(zhuǎn)換電路由2CU系列光敏二極管、74LS123單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和74LS74 D觸發(fā)器組成，如圖1所示。

圖1　光電轉(zhuǎn)換電路

光敏二極管具有單向?qū)щ娔芰?，因此工作時(shí)需要加上反向電壓。光敏二極管具有“光電導(dǎo)”的特性。無(wú)光照時(shí)，電路中有很小的飽和反向漏電流，即暗電流，此時(shí)光敏二極管截止；當(dāng)受到光照時(shí)，飽和反向漏電流大大增加，形成光電流，它隨入射光強(qiáng)度的變化而變化，光越強(qiáng)反向漏電流越大。

將由3 V聚光燈組成的電源和2CU系列光敏二極管裝在秒表檢定儀機(jī)械觸頭下方的兩側(cè)，光敏二極管接收窗口平行對(duì)準(zhǔn)聚光燈的光源，當(dāng)秒表檢定儀的機(jī)械觸頭向下打擊時(shí)應(yīng)能將聚光燈的光源全部遮住，使得光敏二極管的接收窗口無(wú)光線(xiàn)照射，即令光敏二極管進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。

正常狀態(tài)下聚光燈光線(xiàn)應(yīng)直射光敏二極管的接收窗口，此時(shí)光電流最大，電路中A點(diǎn)(74LS123觸發(fā)器的第1管腳)為高電平(約1．5 V)，74LS123單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的第13管腳為低電平(約0 V)，此時(shí)，74LS74 D觸發(fā)器的第5管腳輸出低電平(約為0 V)。

當(dāng)秒表檢定儀機(jī)械觸頭第一次向下打擊時(shí)，觸頭遮住聚光燈的光源，使得光敏二極管接收窗口無(wú)光線(xiàn)射入，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)，74LS123觸發(fā)器的1腳為低電平(約0 V)，74LS123單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器13管腳輸出一觸發(fā)脈沖到74LS74 D觸發(fā)器第3管腳，使第5管腳輸出高電平(約5 V)。

經(jīng)過(guò)預(yù)先設(shè)置的時(shí)間間隔T后，秒表檢定儀的機(jī)械觸頭第二次向下打擊，74LS123觸發(fā)器的1腳又為低電平(約0 V)，74LS123單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器13管腳又輸出一觸發(fā)脈沖到74LS74 D觸發(fā)器第3管腳，使第5管腳輸出低電平(約0 V)。此時(shí)對(duì)應(yīng)秒表檢定儀機(jī)械觸頭的二次打擊，光電轉(zhuǎn)換電路輸出一矩形脈沖波，其時(shí)間間隔與秒表檢定儀機(jī)械觸頭二次打擊的時(shí)間間隔(即預(yù)置時(shí)間間隔T)一致。如圖2所示。

圖2　光電轉(zhuǎn)換電路工作原理圖

由時(shí)間間隔測(cè)試儀測(cè)量74LS74輸出的矩形脈沖，得到預(yù)置的時(shí)間間隔T的實(shí)測(cè)值。通過(guò)此方法可以完成秒表檢定儀某一點(diǎn)時(shí)間間隔的檢定。需說(shuō)明的是選用的時(shí)間間隔測(cè)量?jī)x的頻率準(zhǔn)確度應(yīng)優(yōu)于5×10-8。

4　該系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定

由于光電轉(zhuǎn)換電路采用高速器件，其恢復(fù)時(shí)間帶來(lái)的誤差均在ns數(shù)量級(jí)，相對(duì)于秒表檢定儀電磁鐵延遲動(dòng)作帶來(lái)的誤差而言，可忽略不計(jì)，因此，檢定結(jié)果的測(cè)量不確定度主要來(lái)源于時(shí)間間隔測(cè)量?jī)x的測(cè)量準(zhǔn)確度及秒表檢定儀的不重復(fù)性。因此測(cè)量結(jié)果的不確定度可評(píng)定如下：

(1)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)：TCX-A通用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間測(cè)試校驗(yàn)儀，外接銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)，其測(cè)量準(zhǔn)確度為5×10-11。

(2)測(cè)量方法：將光電轉(zhuǎn)換電路輸出的矩形脈沖輸入至TCX-A通用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間測(cè)試校驗(yàn)儀測(cè)量時(shí)間間隔T．

(3)數(shù)學(xué)模型：

T=Ts+δ

式中：T為被測(cè)時(shí)間間隔;Ts為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)TCX-A的示值；δ為被校秒表檢定儀的誤差。

(4)輸入量Ts的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(Ts)的評(píng)定

(5)輸入量δ引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(δ)的評(píng)定

標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(δ)主要來(lái)自秒表檢定儀帶動(dòng)機(jī)械觸頭的電磁鐵動(dòng)作不重復(fù)性，采用A類(lèi)方法評(píng)定。一臺(tái)秒表檢定儀設(shè)定的時(shí)間為30 s．由光電轉(zhuǎn)換電路和TCX-A通用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間測(cè)試校驗(yàn)儀連續(xù)測(cè)量10次，得到測(cè)量列如表1。

單次測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差：

(6)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定

(7)擴(kuò)展不確定度的評(píng)定

輸入量Ts與δ彼此獨(dú)立不相關(guān)，因此合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度可按下式計(jì)算：

=4．23×10-2ms

取置信因子k=2，擴(kuò)展不確定度為：

表1　測(cè)量數(shù)據(jù)

U=k×uc(T)=2×4．23×10-2ms=0．1 ms

秒表檢定儀機(jī)械觸頭二次動(dòng)作的時(shí)間間隔檢定的擴(kuò)展不確定度為0．1 ms(k=2)(30 s點(diǎn))。

綜上所述，秒表檢定儀的最大允許誤差為±(T0×恒溫石英浸提振蕩器頻率準(zhǔn)確度+3 ms)，其中恒溫石英晶體振蕩器頻率準(zhǔn)確度要求優(yōu)于5×10-7，技術(shù)指標(biāo)規(guī)定要求夾具機(jī)械觸頭動(dòng)作延遲不能超過(guò)±3 ms，對(duì)于30 s的時(shí)間間隔最大允許誤差則為±3．15 ms，故檢定結(jié)果的擴(kuò)展不確定度U=0．1 ms(k=2)完全滿(mǎn)足檢定的要求。

5　結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了由光電轉(zhuǎn)換電路和時(shí)間間隔測(cè)量?jī)x組成的檢定系統(tǒng)，此系統(tǒng)可將秒表檢定儀機(jī)械觸頭的二次動(dòng)作問(wèn)題轉(zhuǎn)化為時(shí)間脈沖的問(wèn)題，從而使得秒表檢定儀的機(jī)械觸頭二次動(dòng)作時(shí)間間隔的測(cè)量達(dá)到較高的精度。此光電轉(zhuǎn)換電路也可以應(yīng)用于其他類(lèi)似儀器的時(shí)間間隔測(cè)量。此光電轉(zhuǎn)換電路經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用和驗(yàn)證，具有易操作、高靈敏度、高準(zhǔn)確度、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。使用該電路時(shí)要求光源的光強(qiáng)要足夠，光束要集中，且要對(duì)準(zhǔn)光敏二極管的接收窗口。

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