磁電式速度傳感器測量結(jié)果不確定度評定

唐標(biāo),王恩

(云南電網(wǎng)公司電力研究院,昆明 650217)

磁電式速度傳感器測量結(jié)果不確定度評定

唐標(biāo),王恩

(云南電網(wǎng)公司電力研究院,昆明 650217)

結(jié)合規(guī)程要求,建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,著重探討了磁電式速度傳感器的校準(zhǔn)和測量能力的評定。

磁電式速度傳感器；確定度的評定；標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量；擴(kuò)展不確定度

1 前言

測量結(jié)果不確定度評定是檢測機(jī)構(gòu)常規(guī)工作的一部分[1],由于測量不確定度在計(jì)量和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室中得到了廣泛應(yīng)用[2],振動傳感器的種類繁多,如果按其所測的振動參數(shù),可分為位移型、速度型和加速度型；如果按其結(jié)構(gòu)原理,可分為磁電式、壓電式、應(yīng)變式、電感式、電容式、渦流式以及激光和微波式等,而目前以磁電式和壓電式傳感器應(yīng)用得最為普遍。磁電式速度傳感器的原理是利用金屬導(dǎo)線在磁場中作切割磁力線的相對運(yùn)動時(shí),產(chǎn)生與所測振動速度成正比例的感應(yīng)電動勢,從而測量出振動的速度[3]。磁電式速度傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)有速度靈敏度、頻率響應(yīng)、幅值線性、橫向靈敏度比、動態(tài)范圍和溫度響應(yīng)等。其中,速度靈敏度的校準(zhǔn)是確保振動速度量值準(zhǔn)確可靠的一項(xiàng)主要指標(biāo)[4-5]。測量過程：將被測傳感器與標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)背靠背安裝在振動表標(biāo)準(zhǔn)裝置上,根據(jù)振動標(biāo)準(zhǔn)套組的值,確定被測表的示值誤差。評定結(jié)果的使用：符合上述條件下的磁電式速度傳感器,一般可直接使用本不確定度的評定結(jié)果。

2 數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型如下式表示：

e=YX-YO

YX—被檢速度傳感器輸出的加速度值

YO—標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)標(biāo)準(zhǔn)套的加速度值由于YX、YO之間獨(dú)立無相關(guān)、得相對不確定度方差：

u2(e)=u2(YX)+u2(Y0)

考慮到數(shù)字多用表的示值誤差不確定度u(駐1)、臺面運(yùn)動失真不確定度u(駐2)、加速度計(jì)套組頻率響應(yīng)與理論曲線的偏差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(駐3)、臺面橫向運(yùn)動不確定度u(駐4)、溫度變化誤差不確定度u(駐5)、標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)套組靈敏度幅值穩(wěn)定性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(駐6)、振動臺頻率變化不確定度u(駐7)、電荷放大器歸一化旋鈕位數(shù)誤差不確定度u(駐8),得到下式：

3 輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量評定[6-7]

輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度的來源主要有幾方面：

被檢傳感器重復(fù)性YX引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(YX)的評定,采用A類方法評定；

標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)套組引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel,2的評定,采用B類方法評定；

數(shù)字多用表示值誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(駐1)的評定,采用B類方法評定；

振動臺面波形失真引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(駐2)的評定,采用B類方法評定；

加速度計(jì)套組頻率響應(yīng)與理論曲線的偏差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度 u(駐3)的評定,采用 B類方法評定；

振動臺臺面橫向運(yùn)動引入的不確定度u(駐4)的評定,采用B類方法評定；

溫度變化引入的不確定度u(駐5)的評定,采用B類方法評定；

標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)套組靈敏度幅值穩(wěn)定性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(駐6)的評定,采用B類方法評定；

振動臺頻率變化誤差引入的不確定度u(駐7)的評定,采用B類方法評定。由于振動臺加速度頻率變化最大允許0.3%,在此頻率變化,對振幅影響很小,所以可忽略不計(jì)；

電荷放大器歸一化旋鈕位數(shù)誤差引入的不確定度u(Δ8)的評定,采用B類方法評定。

輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量如表1所示。

表1 輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

1)被檢傳感器重復(fù)性YX引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(YX)的評定,此項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)不確定度主要是由被檢傳感器的測量重復(fù)性引起的。可以通過連續(xù)測量得到測量列,采用A類方法評定。

A 選擇振動頻率為40 Hz為固定點(diǎn),幅值分別為0.2 cm/s、0.5 cm/s、1 cm/s、1.5 cm/s、2 cm/s、2.5 cm/s、3 cm/s、3.5 cm/s、5 cm/s、7.5 cm/s、10 cm/s。其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：u(YX)= Si/對應(yīng)點(diǎn)電壓平均值。

B 選擇幅值1 cm/s為固定點(diǎn),振動頻率分別為10 Hz、20 Hz、40 Hz、60 Hz、80 Hz、100 Hz、120 Hz、160 Hz、200 Hz。

其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：u(YX)=Si/對應(yīng)點(diǎn)電壓平均值。

由于被檢傳感器 YX引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(YX)對于整個(gè)不確定度評定影響很小,所以取各測量點(diǎn)最大值：u(YX)=0.10%

2)標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)套組引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel,2的評定,由上級證書可知,標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)套組靈敏度幅值不確定度為1%。

urel,2=1%/2=0.5%

3)數(shù)字多用表示值誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(Δ1)的評定,此項(xiàng)誤差引入的原因,主要是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)和被檢傳感器需要接入數(shù)字多用表讀取數(shù)值,數(shù)字多用表本身允許誤差引起。由于數(shù)字多用表的允許誤差可由計(jì)量檢定部門或技術(shù)要求來評定。檢定數(shù)字多用表最大允許誤差為0.2%,在此區(qū)間內(nèi)服從均勻分布,取包含因子則

4)振動臺面波形失真引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(駐2)的評定,此項(xiàng)誤差引入的原因,主要是振動臺產(chǎn)生的波形失真,引起標(biāo)準(zhǔn)表、被檢表波形變化,以至于輸出的峰值有差別。振動臺最大允許波形失真5%,波形失真對峰值影響主要是三次諧波。在此取檢內(nèi)服從均勻分布,取包含因子則

5)加速度計(jì)套組頻率響應(yīng)與理論曲線的偏差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(駐3)的評定,在 (10～315) Hz范圍內(nèi),加速度計(jì)套組靈敏度變化優(yōu)于±1%,可認(rèn)為是均勻分布,得：

6)振動臺臺面橫向運(yùn)動引入的不確定度u(駐4)的評定,振動臺橫向振動可引起振動標(biāo)準(zhǔn)套組、被檢表示值變化,由于被檢表測量不重復(fù)性中,也包含了此項(xiàng),因此只考慮對振動標(biāo)準(zhǔn)套組的影響。振動臺最大允許橫向誤差為10%,標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)允許最大橫向誤差為2%,所以 Δ4= 10%×2%=0.2%。在此區(qū)間服從均勻分布,取包含因子則

7)溫度變化引入的不確定度u(駐5)的評定,根據(jù) 《8305壓電式加速度說明書》,與原標(biāo)準(zhǔn)溫度變化3℃時(shí),振動標(biāo)準(zhǔn)套組靈敏度變化為0.1%,在此區(qū)間服從均勻分布,取包含因子

則

8)標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)套組靈敏度幅值穩(wěn)定性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(駐6)的評定,加速度計(jì)套組靈敏度年穩(wěn)定度優(yōu)于±0.5%,可認(rèn)為是均勻分布,得：

9)電荷放大器歸一化旋鈕位數(shù)誤差引入的不確定度u(駐8)的評定,上級檢定時(shí),給出的靈敏度時(shí)4位,實(shí)際使用時(shí)只能給3位,這樣就帶來誤差,根據(jù)少數(shù)四舍五入,則最大帶入誤差為0.000 5%。

由于電荷放大器歸一化旋鈕位數(shù)誤差引入的不確定度u(駐8)對于整個(gè)不確定度評定影響很小,所以可忽略不計(jì)。

4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

4.1 靈敏系數(shù)：由數(shù)學(xué)模型可知靈敏系數(shù)均取1

4.2 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc的計(jì)算：則其中標(biāo)準(zhǔn)不確定度為uc其分量和計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc

取置信概率P=95%,包含因子k=2。則擴(kuò)展不確定度評定如表3所示。

表3 擴(kuò)展不確定度評定

磁電式速度傳感器,在 (2～100)mm/s、(10～200)Hz的范圍內(nèi)時(shí),擴(kuò)展不確定度與測量范圍對應(yīng)為同一值,所以各點(diǎn)的擴(kuò)展不確定度如表4所示。

表4 擴(kuò)展不確定度報(bào)告

5 結(jié)束語

通過對磁電式速度傳感器測量結(jié)果不確定度評定和測量結(jié)果的分析,明確了各影響因素對測量結(jié)果的影響,對該領(lǐng)域的檢測人員具有一定的參考價(jià)值,為今后計(jì)量檢定工作及理論分析奠定了良好的基礎(chǔ)。

[1]陳銘慧.測量不確定度評定中常見的問題 [J].中國計(jì)量, 2011(8).

[2]林瑞波.檢測實(shí)驗(yàn)室參數(shù)測量不確定度評定淺析 [J].中國計(jì)量,2011(8).

[3]徐錫林.磁電式低頻振動傳感器 [J].機(jī)械制造,1980 (11).

[4]何偉.磁電式振動速度傳感器靈敏度校準(zhǔn)的測量不確定度評定 [J].中國計(jì)量,2009(2)

[5]劉宇.一種利用中頻振動臺標(biāo)定速度傳感器的方法 [J].計(jì)量與測試技術(shù),2011(8).

[6]JJG134—2003.磁電式速度傳感器檢定規(guī)程 [S].

[7]JJF1059-1999.測量不確定度評定與表示 [S].

Analysis on Measurement Uncertainty of Magnetic-electric Speed Sensor

TANG Biao,WANG En
(Yunnan Electric Power Research Institute,Kunming 650217)

This article combined with the relevant,as well as the practical work to establish a corresponding mathematical model, focuses on the assessment of the magneto-electric speed sensor calibration and measurement capabilities.

Magnetic-electric speed sensor；uncertainty evaluation；standard uncertainty；expanded uncertainty

TM93

B

1006-7345(2014)02-0084-03

2013-12-10

唐標(biāo) (1985),男,工程師,云南電網(wǎng)公司電力研究院,從事熱工計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)維護(hù)和檢定、校準(zhǔn)工作 (e-mail)416889015@qq.com。

王恩 (1976),男,高級工程師,三級助理專家,云南電網(wǎng)公司電力研究院,從事電廠側(cè)技術(shù)監(jiān)督和電力系統(tǒng)熱工專業(yè)工作(e-mail)wangen1@sina.com。