魏居鋒，張旭敏，劉克先

（深圳中航技術(shù)檢測(cè)所，廣東深圳518040）

線(xiàn)位移傳感器計(jì)量建標(biāo)方案探討

魏居鋒，張旭敏，劉克先

（深圳中航技術(shù)檢測(cè)所，廣東深圳518040）

依據(jù)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核的要求，通過(guò)對(duì)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的工作原理，不確定度的評(píng)定及進(jìn)行重復(fù)性、穩(wěn)定性指標(biāo)和不確定度的驗(yàn)證考核，建立線(xiàn)位移傳感器符合量值傳遞的標(biāo)準(zhǔn)器組

線(xiàn)位移傳感器；計(jì)量建標(biāo)；長(zhǎng)度計(jì)量

1 建立計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的目的

計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)在計(jì)量檢定系統(tǒng)中起著傳遞量值承上啟下的作用，是將各項(xiàng)計(jì)量基準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)的單位量值傳遞到生產(chǎn)貿(mào)易和科學(xué)技術(shù)等使用第一線(xiàn)的紐帶，是實(shí)現(xiàn)量值統(tǒng)一的基礎(chǔ)。因此為了保證量值準(zhǔn)確可靠必須建立計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)[1，2]。

2 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的工作原理及組成

2.1 工作原理

線(xiàn)位移傳感器可用來(lái)測(cè)量位移、激勵(lì)、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(xiàn)位移傳感器輸出信號(hào)的類(lèi)型多，絕大部分線(xiàn)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(xiàn)位移傳感器已集成了信號(hào)轉(zhuǎn)化功能，能直接以數(shù)字方式或其它方式輸出長(zhǎng)度尺寸[3]。

2.2 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)組成

量塊，線(xiàn)位移傳感器

3 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器及主要配套設(shè)備

計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器及配套設(shè)備的配置應(yīng)當(dāng)科學(xué)合理，完整齊全，并能滿(mǎn)足開(kāi)展檢定或校準(zhǔn)工作的需要。計(jì)量特性必須符合相應(yīng)計(jì)量檢定規(guī)程或技術(shù)規(guī)范的規(guī)定[4]。標(biāo)準(zhǔn)配置如表1.

表1 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器及主要配套設(shè)備

4 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)指標(biāo)

（1）量塊：

1）測(cè)量范圍：（0.5~100）mm

2）準(zhǔn)確度等級(jí)：3等

（2）量塊：

（1）測(cè)量范圍：（600~1000）mm

（2）準(zhǔn)確度等級(jí)：4等

5 環(huán)境條件

環(huán)境條件及設(shè)施應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足開(kāi)展檢定或校準(zhǔn)工作的要求，并按要求對(duì)環(huán)境條件進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)和控制；JF1305-2011《線(xiàn)位移傳感器校準(zhǔn)規(guī)范》6.1.1要求[3]：室內(nèi)校準(zhǔn)溫度在（20±5）℃，相對(duì)濕度≤65%；因此按實(shí)際情況本項(xiàng)目環(huán)境條件要求與實(shí)際情況如表2.

表2 環(huán)境條件

6 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的量值溯源和傳遞框圖

JJF1033-2008《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》4.1.2計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的溯源性要求：為了保證計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的溯源性，計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的量值應(yīng)當(dāng)定期溯源至國(guó)家計(jì)量基準(zhǔn)或社會(huì)公用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)不能采用檢定或校準(zhǔn)方式溯源時(shí)，應(yīng)當(dāng)通過(guò)比對(duì)的方式，確保計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)量值的一致性[1]。量值溯源和傳遞框圖如圖1.

圖1 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的量值溯源和傳遞框圖

7 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的重復(fù)性試驗(yàn)

選用量塊100 mm（編號(hào)：970252）測(cè)量10次，重復(fù)上述過(guò)程10次得到測(cè)量結(jié)果如下[1]，如表3.

表3 測(cè)量重復(fù)性數(shù)據(jù)/mm

實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差：

標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量重復(fù)性的標(biāo)準(zhǔn)偏差為s（y）=0.07 μm，小于重復(fù)性0.12 μm.所以本次計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量重復(fù)性考核合格。

8 校準(zhǔn)結(jié)果的測(cè)量不確定度評(píng)定

8.1 測(cè)量方法

采用量塊配合傳感器檢測(cè)臺(tái)校準(zhǔn)線(xiàn)位移傳感器，線(xiàn)位移傳感器安裝在傳感器檢測(cè)臺(tái)的固定位置上，然后使用量塊來(lái)檢查各個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的數(shù)值

8.2 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δij計(jì)算式見(jiàn)式（1）

當(dāng)位移傳感器安裝位置與環(huán)境條件已確定后，式（1）中的校準(zhǔn)點(diǎn)處輸出量的擬合輸出量Yi與YFS滿(mǎn)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。

8.3 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)件、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。

8.4 標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

8.4.1.量塊引入的不確定度分量

4等量塊不確定度為（0.5+5L）μm，活動(dòng)測(cè)桿運(yùn)動(dòng)范圍不得少于3 mm，L=0.003 m；k=2.7則

則 8.4.2.數(shù)字多用表讀數(shù)引起的不確定度分量

數(shù)字多用表實(shí)際讀數(shù)時(shí)，采用的分辨力為0.0001 V，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%，按均勻分布處理，k=，因此數(shù)字多用表讀數(shù)引入的不確定度分量u2，估算為：

8.4.3 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)際安裝式，合理布局傳感器和檢測(cè)臺(tái)的位置，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可以忽略不計(jì)。

8.4.4 傳感器重復(fù)性引入的不確定度分量u3

對(duì)于基本誤差要求為±0.2%的位移傳感器，其重復(fù)性的要求應(yīng)不超過(guò)0.08%，傳感器重復(fù)性引入的不確定度為：

u3=0.08%

8.4.5.傳感器回程誤差引入的不確定度分量u4

對(duì)于基本誤差要求為±0.2%的位移傳感器，其回程誤差的要求應(yīng)不超過(guò)0.08%，按均勻分布處理，k =，傳感器回程誤差引入的不確定度為：

8.4.6 環(huán)境條件的影響

換進(jìn)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)。

8.5 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。

8.6 擴(kuò)展不確定度

取包含因式k=2，擴(kuò)展不確定度為

U＝kuc=2×0.094%≈0.20%

9 檢定或校準(zhǔn)結(jié)果的驗(yàn)證

按照J(rèn)JF1033-2008《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》測(cè)量不確定度驗(yàn)證，使用比對(duì)法進(jìn)行驗(yàn)證，選用四等量塊（編號(hào)：1683）與3等量塊：測(cè)量范圍：（0.5~100）mm；編號(hào)：970252;取線(xiàn)位移傳感器中的100 mm作為核查標(biāo)準(zhǔn)[1]；安排檢定員1和檢定員2進(jìn)行比對(duì)。比對(duì)數(shù)值如表4.

表4 比對(duì)數(shù)值表/HR

由于：檢定員1的測(cè)量不確定度為U1=0.1 μm

檢定員2的測(cè)量不確定度為U2=0.1 μm

10 結(jié)束語(yǔ)

依據(jù)《JJF1033-2008計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》的要求，通過(guò)對(duì)本計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的工作原理，不確定度的評(píng)定及進(jìn)行重復(fù)性、穩(wěn)定性指標(biāo)和不確定度的驗(yàn)證考核，從技術(shù)的角度考慮，該計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具可以依據(jù)《JF1305-2011線(xiàn)位移傳感器校準(zhǔn)規(guī)范》的要求，能夠開(kāi)展相應(yīng)儀器的檢定工作[1，4]。

[1]JJF1033-2008計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范[S]，北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2008.

[2]JJF1059.1-2012測(cè)量不確定度評(píng)定與表示[S]，北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2012.

[3]JJF1001-1998通用計(jì)量術(shù)語(yǔ)及定義[S]，北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1998.

[4]JF1305-2011線(xiàn)位移傳感器校準(zhǔn)規(guī)范[S]，北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2011.

Discussion on the Measurement and Calibration of Linear Displacement Sensor

WEI Ju－feng，ZHANG Xu－min，LIU Ke－xian
（Shenzhen Metrology&Measurement Institute of AVIC.，Guangdong Shenzhen 518040，China）

According to the requirements of the measurement standard，to set up the measurement and calibration of linear displacement sensor through analyzing the working principle of the measurement standard，the repeatability，the stability index and the verification of the uncertainty.

linear displacement sensor；measurement and calibration；length measurement

TH822

B

1672-545X（2017）06-0274-03

2017-03-25

魏居鋒（1967-），男，山東人，碩士，高級(jí)工程師，從事計(jì)量檢定、校準(zhǔn)測(cè)試工作；張旭敏（1964-），男，廣西人，碩士，高級(jí)工程師，從事機(jī)電工程、檢測(cè)測(cè)試工作；劉克先（1967-），男，湖南人，學(xué)士，高級(jí)工程師，從事計(jì)量檢定、校準(zhǔn)測(cè)試工作；