JJF 1305-2011 线位移传感器校准规范-（高清正版）.pdf

中华人民共和国国家计量技术规范J J F1 3 0 52 0 1 1线位移传感器校准规范C a l i b r a t i o nS p e c i f i c a t i o nf o rL i n e a rD i s p l a c e m e n t S e n s o r s 2 0 1 1-0 9-1 4发布2 0 1 1-1 2-1 4实施国 家 质 量 监 督 检 验 检 疫 总 局 发 布线位移传感器校准规范C a l i b r a t i o nS p e c i f i c a t i o nf o rL i n e a rD i s pl a c e m e n t S e n s o r sJ J F1 3 0 52 0 1 1 本规范经国家质量监督检验检疫总局于2 0 1 1年9月1 4日批准,并自2 0 1 1年1 2月1 4日起施行。归 口 单 位:全国几何量工程参量计量技术委员会 主要起草单位:广东省计量科学研究院北京长城计量测试技术研究所黑龙江省计量检定测试院 参加起草单位:贵州省计量测试院 本规范委托全国几何量工程参量计量技术委员会负责解释J J F1 3 0 52 0 1 1本规范主要起草人:张 勇(广东省计量科学研究院)梁 平(广东省计量科学研究院)赵新丽(北京长城计量测试技术研究所)梁玉红(黑龙江省计量检定测试院)参加起草人:吕小洁(贵州省计量测试院)J J F1 3 0 52 0 1 1目 录1 范围(1)2 引用文献(1)3 术语(1)4 概述(1)5 计量特性(3)5.1 电感式位移传感器(3)5.2 差动变压器式位移传感器(含直流差动、交流差动变压器型)(3)5.3 振弦(应变)式位移传感器(3)5.4 磁致伸缩式位移传感器(3)5.5 电阻式位移传感器(含电位器型、滑线电阻型、导电塑料型)(4)5.6 拉线(绳)式位移传感器(4)5.7 激光式位移传感器(4)6 校准条件(5)6.1 环境条件(5)6.2 校准用主要设备(5)7 校准项目和校准方法(6)7.1 校准项目(6)7.2 校准方法(6)8 校准结果表达(7)9 复校时间间隔(7)附录A 拉线(绳)式位移传感器基本误差测量结果的不确定度评定(8)附录B 参比直线为最佳直线的线性度计算方法(1 0)附录C 校准证书内容和校准证书内页格式(1 2)J J F1 3 0 52 0 1 1线位移传感器校准规范1 范围本规范适用于线位移传感器的校准。2 引用文献本规范引用下列文献:J J F1 0 0 11 9 9 8 通用计量术语及定义J J F1 0 5 91 9 9 9 测量不确定度评定与表示J J F1 0 9 42 0 0 2 测量仪器特性评定G B/T7 6 6 52 0 0 5 传感器通用术语G B/T1 3 6 0 62 0 0 7 土工试验仪器 岩土工程仪器 振弦式传感器通用技术条件G B/T1 8 4 5 92 0 0 1 传感器主要静态性能指标的计算方法使用本规范时注意使用上述引用文献的现行有效版本。3 术语3.1 线位移传感器 l i n e a rd i s p l a c e m e n t s e n s o r能感受长度尺寸变化并转换成可用输出信号的器件。3.2 灵敏度 s e n s i t i v i t y传感器输出量变化值与相应输入量变化值之比。3.3 线性度 l i n e a r i t y传感器正、反行程实际平均特性曲线相对于参比直线的最大偏差与满量程输出的百分比。注:随参比直线的不同,有多种线性度,本规范参比直线采用最小二乘直线或最佳直线。3.4 满量程输出 f u l l s c a l eo u t p u t在规定条件下,传感器输出的上限值和下限值之间的代数差。注:对于振弦(应变)式位移传感器,由于其输出量的特殊性,满量程输出为传感器输出范围内上限输出频率的平方和下限输出频率的平方的代数差,如果振弦(应变)式位移传感器是以频率模数(输出频率的平方除以10 0 0)为输出量,则满量程输出为上限输出频率模数和下限输出频率模数的代数差。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。线位移传感器输出信号的类型多,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。典型线位移传感器的结构示意简图如图1图4。1J J F1 3 0 52 0 1 1图1 电感式位移传感器(直流差动、交流差动变压器式位移传感器)示意简图1测杆;2外壳;3线圈;4移动铁心;5信号处理部件;6电缆图2 振弦(应变)式位移传感器示意简图1固定端;2外壳;3线圈保护罩;4电子部件;5激励与接收线圈;6钢弦;7电缆图3 磁致伸缩式位移传感器示意简图1电缆;2外壳;3信号处理部件;4波导线;5不锈钢保护管;6磁环图4 拉线(绳)式位移传感器示意简图1力平衡机构;2轮毂;3钢丝线(绳);4传感元件;5信号处理部件;6电缆2J J F1 3 0 52 0 1 15 计量特性线位移传感器主要的计量特性有:灵敏度、基本误差、线性度、回程误差、重复性。对于能直接以数字方式或其他方式输出长度尺寸的线位移传感器,可以只校准基本误差、回程误差和重复性三项计量特性。典型线位移传感器的计量特性见表1表7。5.1 电感式位移传感器电感式位移传感器计量特性见表1。表1 电感式位移传感器计量特性项目技术指标基本误差(%)0.1 00.2 00.3 00.5 01.0线性度(%)0.1 00.2 00.3 00.5 01.0回程误差(%)0.0 40.0 80.1 20.2 00.4重复性(%)0.0 40.0 80.1 20.2 00.45.2 差动变压器式位移传感器(含直流差动、交流差动变压器型)差动变压器式位移传感器(含直流差动、交流差动变压器型)计量特性见表2。表2 差动变压器式位移传感器计量特性项目技术指标基本误差(%)0.1 00.2 00.3 00.5 01.0线性度(%)0.1 00.2 00.3 00.5 01.0回程误差(%)0.0 40.0 80.1 20.2 00.4重复性(%)0.0 40.0 80.1 20.2 00.45.3 振弦(应变)式位移传感器振弦(应变)式位移传感器计量特性见表3。表3 振弦(应变)式位移传感器计量特性项目技术指标基本误差(%)2.5线性度(%)2.0回程误差(%)1.0重复性(%)0.55.4 磁致伸缩式位移传感器典型磁致伸缩式位移传感器计量特性见表4。3J J F1 3 0 52 0 1 1表4 磁致伸缩式位移传感器计量特性项目技术指标基本误差(%)0.0 5线性度(%)0.0 5回程误差(%)0.0 2重复性(%)0.0 25.5 电阻式位移传感器(含电位器型、滑线电阻型、导电塑料型)典型电阻式位移传感器计量特性见表5。表5 电阻式位移传感器计量特性项目传感器类型电位器型滑线电阻型导电塑料型基本误差(%)2.02.00.0 50.11.0线性度(%)2.02.00.0 50.11.0回程误差(%)1.01.00.0 20.0 40.4重复性(%)0.50.50.0 20.0 40.45.6 拉线(绳)式位移传感器典型拉线(绳)式位移传感器计量特性见表6。表6 拉线(绳)式位移传感器计量特性项目技术指标基本误差(%)0.0 50.10.20.5线性度(%)0.0 50.10.20.5回程误差(%)0.0 10.0 20.0 30.1 0重复性(%)0.0 10.0 20.0 30.1 05.7 激光式位移传感器典型激光式位移传感器计量特性见表7。表7 激光式位移传感器计量特性项目技术指标基本误差(%)0.0 20.10.2线性度(%)0.0 20.10.2回程误差(%)0.0 10.0 30.0 5重复性(%)0.0 10.0 30.0 5 注: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。4J J F1 3 0 52 0 1 16 校准条件6.1 环境条件6.1.1 实验室温度、相对湿度和平衡温度时间的要求见表8。表8 环境条件校准室内温度()室温变化(/h)相对湿度(%)被校准仪器在室内平衡温度的时间(h)2 0217 546.1.2 电源电压的波动不应超过额定值的1 0%,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 校准用主要设备对不同型式的线位移传感器,校准用的主要设备见表9。表9 校准线位移传感器的主要设备线位移传感器型式采 用 设 备电感式位移传感器(1)数字频率计:测量范围0.1H z 1.5GH z,准确度不低于41 0-5(2)量块:3等、4等、5等,测量范围0.5mm6 0 0mm(3)激光干涉仪:MP E:(0.0 3m+1.51 0-6L)直流差动变压器式位移传感器(1)稳定直流电源:纹波电压不大于0.5%(2)量块:3等、4等、5等,测量范围0.5mm6 0 0mm(3)激光干涉仪:MP E:(0.0 3m+1.51 0-6L)(4)数字多用表:MP E:D C V0.0 0 4%0.1%交流差动变压器式位移传感器(1)励磁电源:频率1k H z 6k H z正弦波,波形失真度不大于2%(2)量块:3等、4等、5等,测量范围0.5mm6 0 0mm(3)激光干涉仪:MP E:(0.0 3m+1.51 0-6L)(4)数字多用表:MP E:A C V0.0 3%0.1%振弦(应变)式位移传感器(1)弦式读数仪:MP E:0.1%(2)数显指示表:MP E:0.0 0 2mm磁致伸缩式位移传感器(1)激光干涉仪:MP E:(0.0 3m+1.51 0-6L)(2)数字多用表:MP E:D C V 0.0 0 4%0.1%电阻式位移传感器(1)激光干涉仪:MP E:(0.0 3m+1.51 0-6L)(2)量块:3等、4等、5等,测量范围0.5mm10 0 0mm(3)数字多用表:MP E:D C V 0.0 0 4%0.1%拉线(绳)式位移传感器(1)激光干涉仪:MP E:(0.0 3m+1.51 0-6L)(2)测长机:MP E:(0.5m+1 01 0-6L)(3)数字多用表:MP E:D C V 0.0 0 4%0.1%激光式位移传感器(1)激光干涉仪:MP E:(0.0 3m+1.51 0-6L)(2)数字多用表:MP E:D C V0.0 0 4%0.1%5J J F1 3 0 52 0 1 17 校准项目和校准方法检查被校准的线位移传感器,并对被校准的传感器按说明书进行标定,确定没有影响计量特性的因素后再进行校准。7.1 校准项目根据线位移传感器实际应用时的输出方式,选择需要校准的计量特性项目。7.2 校准方法根据表9选择不同的长度标准器为线位移传感器提供位移输入,采用相应的二次仪表读取线位移传感器的输出量(电压、电流、电阻、频率或频率模数)。传感器的安装尽量满足阿贝原则。调整传感器的输出范围,在其输出范围内大致均匀分布取1 1个校准点(包括上、下限),按顺序分别读出长度标准器给出的位移值Li和各校准点上的输出值yi 对于振弦(应变)式位移传感器,Li为显示装置显示的位移值与传感器基本长度的比值。以正、反两个行程为一个测量循环,共测量三个循环,根据三个循环的测量结果,采用最小二乘法计算参比直线方程,见式(1)。Yi=Y0+K Li(1)斜率K及截距Y0的计算公式如下:K=1 1i=16j=1Li jyi j-L1 1i=16j=1yi j1 1i=16j=1L2i j-L1 1i=16j=1Li j(2)Y0=y1 1i=16j=1L2i j-L1 1i=16j=1Li jyi j1 1i=16j=1L2i j-L1 1i=16j=1Li j(3)式中:Yi 被校准线位移传感器在第i个校准点处输出量的拟合输出值;Y0 参比直线的截距;K 参比直线的斜率;yi j 被校准线位移传感器在第j次行程中第i个校准点的输出值;y 被校准线位移传感器各校准点输出值的平均;Li j 被校准线位移传感器在第j次行程中第i个校准点的输入值;L 被校准线位移传感器各校准点输入位移值的平均;i 第i个校准点,i=1,2,1 0,1 1,下同(另有说明除外);j 第j次测量行程次序数,j=1,2,5,6,下同。7.2.1 灵敏度取式(2)中最小二乘法参比直线的斜率作为灵敏度测量结果。7.2.2 基本误差根据参比直线方程式(1)求出被校准线传感器在第i个校准点处的拟合输出值Yi后,按式(4)计算传感器在第j次行程中第i个校准点的误差i j,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基本6J J F1 3 0 52 0 1 1误差测量结果。i j=yi j-YiYF S1 0 0%(4)式中:YF S 满量程输出,由式(5)确定,下同。YF S=YM-YN(5)式中: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。7.2.3 线性度按参比直线方程式(1)求出传感器在第i个校准点处的拟合输出值Yi后,由式(6)计算各校准点的偏差li,取各i点中绝对值最大的作为线性度测量结果。li=yi-YiYF S1 0 0%(6)式中:yi 传感器在第i个校准点三个循环正、反行程输出量的平均值,下同。线性度的最佳计算方法,应采用最佳直线作为参比直线,按式(7)计算各校准点的偏差li,取各i点中绝对值最大的作为测量结果。li=yi-YB E S TiYF S1 0 0%(7)式中:YB E S Ti 按参比直线为最佳直线求出传感器在第i个校准点的输出值,最佳直线为既相互最靠近而又能包容传感器正、反行程实际平均特性曲线的两条平行直线的中位线,最佳直线的计算方法见本规范附录B。7.2.4 回程误差按式(8)计算传感器各校准点的回程差hi,取各i点中最大的作为回程误差测量结果。hi=|gi-bi|YF S1 0 0%(8)式中:gi 传感器在第i个校准点三个循环正行程输出量的平均值;bi 传感器在第i个校准点三个循环反行程输出量的平均值。7.2.5 重复性根据三个循环的测量数据,由正、反同向行程在第i个校准点三次测量输出值,求出同向行程中相互间的最大差值,取各点同向行程中差值最大的为i,按式(9)计算重复性。ri=0.6 1iYF S1 0 0%(9)8 校准结果表达经校准的线位移传感器出具校准证书。校准证书内容,见附录C。9 复校时间间隔线位移传感器的复校时间间隔,根据使用情况由用户自行确定,建议一般不超过1年。7J J F1 3 0 52 0 1 1附录A拉线(绳)式位移传感器基本误差测量结果的不确定度评定A.1 测量方法采用激光干涉仪配传感器检测台校准拉线(绳)式位移传感器。拉线(绳)式位移传感器安装在传感器检测台的固定位置上,拉绳缚在移动的工作台上,安装时尽量满足阿贝原则,并使拉绳直线运动对准传感器工作台移动轴线,以减少余弦误差。工作台移动时,拉绳伸展或收缩,带动轮毂正向或反向转动使精密旋转感应器输出一个与拉绳移动距离成比例的电信号。激光干涉仪测量拉线(绳)式位移传感器的位移、采用分辨力为0.0 0 01V、相对示值误差限为D C V0.0 3%的数字多用表读取传感器输出的电信号 电压值,按本规范规定的方法校准传感器的基本误差,进行测量结果的不确定度评定。被校准的拉线(绳)位移传感器技术指标如下:测量范围上限:5 0 0mm满量程输出:+1 0V基本误差要求:0.2%A.2 不确定度分析与讨论根据本规范的校准方法,传感器各校准点的基本误差i j计算式见式(A.1)。i j=yi j-YiYF S1 0 0%(A.1)当位移传感器安装位置与环境条件已确定后,式(A.1)中的校准点处输出量的拟合输出值Yi和YF S满量程输出可当作常量来处理,该式中只有校准点实测的输出量yi j一个变量,只考虑影响该实际测量值的相对不确定度。A.3 不确定度来源影响传感器基本误差测量结果的主要因素有标准器(激光干涉仪的测距误差、数字多用表的测量误差)、测量重复性、回程误差、环境条件、安装误差等,在评定不确定度时考虑这些因素。A.4 标准不确定度评定A.4.1 激光干涉仪测距误差引入的不确定度分量u1激光干涉仪测距的最大允许误差为(0.0 3m+1.51 0-6L),忽略固有误差,只考虑与测量距离有关的相对误差1.51 0-6。由于被校准传感器5 0 0mm的测量上限对应于满量程1 0V的输出,因此相对于满量程输出而言,激光干涉仪测距误差引入的不确定度分量由下式估算,按均匀分布处理,k=3。u1=1.51 0-63=0.0 0 01%A.4.2 数字多用表读数引起的不确定度分量u28J J F1 3 0 52 0 1 1数字多用表实际读数时,采用的分辨力为0.0 0 01V,则分辨力引起的不确定度可以忽略不计。数字多用表直流测量的相对示值误差限为D C V0.0 3%,该表由选择量程引入的相对误差为D C V0.0 0 4%,测量量程选择为1 0V,按均匀分布处理,k=3,因此数字多用表读数引入的不确定度分量u2,估算为:(0.0 3%)2+(0.0 0 4%)2/3=0.0 1 75%A.4.3 传感器安装误差引入的不确定度分量传感器的安装误差主要有阿贝误差和余弦误差。实际安装时,合理布局激光干涉仪和传感器,调整拉绳的运动方向,以便消除阿贝误差和余弦误差的影响,这样传感器安装误差引入的不确定度分量可以忽略不计。A.4.4 传感器重复性引入的不确定度分量u3对于基本误差要求为0.2%的拉线(绳)位移传感器,其重复性的要求应不超过0.0 3%,传感器重复性引入的不确定度为:u3=0.0 3%A.4.5 传感器回程误差引入的不确定度分量u4对于基本误差要求为0.2%的拉线(绳)位移传感器,其回程误差的要求应不超过0.0 3%,按均匀分布处理,k=3,传感器回程误差引入的不确定度为:u4=0.0 3%3=0.0 1 73%A.4.6 环境条件的影响环境条件的影响主要表现为室温的变化,即被测传感器与仪器的温度差异等方面。经实验,只要在校准规范规定的环境条件下进行校准,以上因素的影响可以忽略不计。A.5 合成标准不确定度不考虑相关因素,以上4个不确定度分量按下式合成。uc=u21+u22+u23+u24=(0.0 0 01%)2+(0.0 1 75%)2+(0.0 3%)2+(0.0 1 73%)2=0.0 3 9%A.6 扩展不确定度取包含因子k=2,扩展不确定度为:U=k uc=20.0 3 9%0.0 8%9J J F1 3 0 52 0 1 1附录B参比直线为最佳直线的线性度计算方法B.1 校准某一种传感器,测量数据列表如表B.1所示。表B.1 测量数据列表测量点序输入位移Li(mm)三个循环正、反行程输出电压值的平均值(V)旋转直线,将首末点对零后,得到各点的偏差数据(V)1-5 0.0 0 05-2.0 1 730.0 0 002-4 0.0 0 03-1.6 1 75-0.0 0 423-3 0.0 0 04-1.2 1 33-0.0 0 404-2 0.0 0 02-0.8 0 84-0.0 0 305-1 0.0 0 03-0.4 0 40-0.0 0 2560.0 0 020.0 0 260.0 0 0071 0.0 0 030.4 0 19-0.0 0 4682 0.0 0 000.8 0 79-0.0 0 2693 0.0 0 021.2 1 470.0 0 021 04 0.0 0 011.6 1 73-0.0 0 121 15 0.0 0 012.0 2 240.0 0 00B.2 将各点的偏差数据绘图如图B.1,外围偏差点1、偏差点2、偏差点7、偏差点1 0、偏差点1 1和偏差点9组成凸多边形包容各偏差点(图中纵轴偏差值已放大)。图B.1 各点的偏差数据图01J J F1 3 0 52 0 1 1B.3 由该凸多边形的各顶点向其对边引铅垂线(平行于纵坐标轴的直线),其中肯定存在一条最长的铅垂线,此铅垂线必与其对边相交,将这条对边所在的直线平移,使最大正、负偏差绝对值相等后,该直线即成为最佳直线。显然,该最佳直线通过对边两端点与顶点所组成三角形两边的中点。也就是说,找到了这两个中点,其连线就是最佳直线。根据图形分析,偏差点7到偏差点1、点9连线的铅垂线最长,则最佳直线一定通过点7、点1连线的中点和点7、点9连线的中点,下面由各点的坐标值(假设输入为X轴、输出为Y轴)求出连线中点的坐标值。x1,7=x1+x72=-5 0.0 0 05+1 0.0 0 032=-2 0.0 0 01(V)y1,7=y1+y72=-2.0 1 73+0.4 0 192=-0.8 0 76 8(V)x9,7=x9+x72=3 0.0 0 02+1 0.0 0 032=2 0.0 0 02 5(V)y9,7=y9+y72=1.2 1 47+0.4 0 192=0.8 0 83 1 7(V)这样经过坐标点(x1,7,y1,7)与(x9,7,y9,7)的连线就是最佳直线,该直线方程为:y=0.0 0 03 1 5+0.0 4 04x。对第7号点而言,YB E S T=0.0 0 03 1 5+0.0 4 041 0.0 0 03=0.4 0 44 3 2(V)满量程输出:YF S=YM-YN=2.0 2 24-(-2.0 1 73)=4.0 3 97(V)线性度lB E S T=yi-YB E S TYF S1 0 0%=0.4 0 19-0.4 0 44 3 24.0 3 971 0 0%-0.0 6%11J J F1 3 0 52 0 1 1附录C校准证书内容和校准证书内页格式C.1 校准证书至少包括以下信息:1.标题:校准证书;2.实验室名称和地址;3.证书或报告的唯一标识(如编号)、每页及总页数的标识;4.送校单位的名称和地址;5.被校对象的描述和明确标识;6.进行校准的日期;7.对校准所依据的技术规范的标识,包括名称及代码;8.本次校准所用测量标准的溯源性及有效性说明;9.校准环境的描述;1 0.灵敏度、基本误差、线性度、回程误差、重复性校准结果及其测量不确定度的说明;1 1.校准证书或校准报告签发人的签名或等效标识,以及签发日期;1 2.校准结果仅对被校对象有效的声明;1 3.未经校准实验室书面批准,不得部分复制证书的声明。C.2 校准证书内页格式见表C.1。21J J F1 3 0 52 0 1 1表C.1 校准证书内页格式证书编号:校准环境条件温 度:相对湿度:%地 点:其 他:各校准点输入位移值与正、反向输出平均值的对应表校准点序号校准点输入位移值正行程输出平均值反行程输出平均值1234567891 01 1序号校准项目校准结果1灵敏度2基本误差3线性度4回程误差5重复性测量不确定度:Ur e l=,包含因子k=校准员:核验员:J J F1 3 0 52 0 1 1