電感測微儀計量建標方案分析

于江，陳勇

（1.中廣核核電運營有限公司，廣東深圳518000；2.中廣核研究院有限公司，廣東深圳518000）

電感測微儀計量建標方案分析

于江1，陳勇2

（1.中廣核核電運營有限公司，廣東深圳518000；2.中廣核研究院有限公司，廣東深圳518000）

依據(jù)計量標準考核的要求，通過對計量標準的工作原理，不確定度的評定及進行重復性、穩(wěn)定性指標和不確定度的驗證考核，建立電感測微儀校準裝置符合量值傳遞的標準器組

電感傳感器；電感測微儀；計量建標

1 建立計量標準的目的

測量技術是工業(yè)發(fā)展的基礎，工業(yè)的發(fā)展與測量息息相關；測量已經成為不可缺少的重要部分。為了合法開展微小幾何量的檢定或校準工作。保證計量的準確可靠性需建立工程測量標準裝置[1，2]。

2 計量標準的工作原理及組成

電感測微儀是一種測量微小位移量的高準確度測量儀器，它由電感傳感器（軸向和旁向）將被測尺寸轉換成電信號，并由數(shù)字、指針或光柱將被測尺寸顯示出來。電感測微儀按顯示器的不同分為數(shù)顯式、指針式和電子柱式三種型式。

電感測微儀工作原理：電感測微儀的硬件電路主要包括電感式傳感器、正弦波振蕩器、放大器、相敏檢波器及單片機系統(tǒng)。正弦波振蕩器為電感式傳感器和相敏檢波器提供了頻率和幅值穩(wěn)定的激勵電壓，正弦波振蕩器輸出的信號加到測量頭中由線圈和電位器組成的電感橋路上。工件的微小位移經電感式傳感器的測頭帶動兩線圈內銜鐵移動，使兩線圈內的電感量發(fā)生相對的變化。當銜鐵處于兩線圈的中間位置時，兩線圈的電感量相等，電橋平衡。當測頭帶動銜鐵上下移動時，若上線圈的電感量增加，下線圈的電感量則減少；若上線圈的電感量減少，下線圈的電感量則增加。交流阻抗相應地變化，電橋失去平衡從而輸出了一個幅值與位移成正比，頻率與振蕩器頻率相同，相位與位移方向相對應的調制信號。此信號經放大，由相敏檢波器鑒出極性，得到一個與銜鐵位移相對應的直流電壓信號，經A/D轉換器輸入到單片機，經過數(shù)據(jù)處理進行顯示、傳輸、超差報警、統(tǒng)計分析等[4]。

3 計量標準器及主要配套設備

計量標準器及配套設備的配置應當科學合理，完整齊全，并能滿足開展檢定或校準工作的需要。計量特性必須符合相應計量檢定規(guī)程或技術規(guī)范的規(guī)定[4]。標準配置如表1.

表1 計量標準器及主要配套設備

4 計量標準的主要技術指標

（1）量塊：

1）測量范圍：（0.994～2）mm

2）準確等級：二等

（2）量塊：

1）測量范圍：（0.5～100）mm

2）準確等級：三等

（3）數(shù)顯量儀測力儀

1）測量范圍：（0-15）N

2）最大允差：±0.15N

5 環(huán)境條件

環(huán)境條件及設施應當滿足開展檢定或校準工作的要求，并按要求對環(huán)境條件進行有效監(jiān)測和控制；按JJF1331-2011《電感測微儀校準規(guī)范》6.1要求[4]：校準室溫度應在（20±1）℃，溫度變化不大于0.5℃/h，相對濕度不大于80%.

因此本項目環(huán)境條件要求與實際情況如表2.

表2 環(huán)境條件

6 計量標準的量值溯源和傳遞框圖

JJF1033-2008《計量標準考核規(guī)范》4.1.2計量標準的溯源性要求：為了保證計量標準的溯源性，計量標準的量值應當定期溯源至國家計量基準或社會公用計量標準；當不能采用檢定或校準方式溯源時，應當通過比對的方式，確保計量標準量值的一致性[1]。量值溯源和傳遞框圖如圖1.

圖1 計量標準的量值溯源和傳遞框圖

7 計量標準的重復性試驗

選一個電感測微儀型號規(guī)格為DTM-EA編號為1405004，在室溫20.5℃，濕度60%RH的條件下對分度值0.2 μm檔位+2μm的校準點進行10次重復測量，結果如表3.

表3 測量重復性數(shù)據(jù)/μm

標準的測量重復性的標準偏差為s（y）=0.0 μm，小于測量不確定度評定中重復性測量不確定度數(shù)據(jù)。所以本次計量標準的測量重復性考核合格

8 計量標準的穩(wěn)定性試驗

穩(wěn)定性考核結果如表4.

表4 計量標準穩(wěn)定性考核測量結果/μm

（續(xù)下圖）

（續(xù)上圖）

表4 計量標準穩(wěn)定性考核測量結果/μm

9 校準結果的測量不確定度評定

9.1 電感測微儀示值誤差測量結果的不確定度評定

9.1.1 測量方法

以2等量塊校準電感測微儀為例，測量方法采用直接測量法和量塊配對法。

直接法校準：

校準時，先用所選的最小尺寸量塊對準零位，用其它各尺寸的量塊按正向依次校準示值誤差。再以最大尺寸量塊對準零位，用其它各尺寸的量塊按負向依次校準示值誤差，各受校點的示值誤差/μm按（1）式求得。

配對法校準：

校準時，每一受校點應選用尺寸相互有聯(lián)系的量塊進行配對校準。用第一塊量塊對準零位，第二塊量塊檢定受校點的示值誤差；再以第二塊量塊對準零位，第三塊量塊校準該受校點的示值誤差，依次類推，直至所需配對量塊的最后一塊量塊。校準正向示值時，量塊尺寸按遞增方式進行，校準負向示值時，量塊尺寸按遞減方式進行。

9.1.2 測量模型

式中：δi為各受校點的示值誤差μm；ri為電感測微儀上讀得的示值μm；Li為受校點上所用量塊的實際尺寸μm；L0為對零用量塊的實際尺寸μm.

9.1.3 不確定度的評定

（1）測量標準不確定度的評定

1）輸入量ri的標準不確定度u（ri）的評定

輸入量ri的標準不確定度來源主要是測量重復性引起的標準不確定度u（ri），可以通過連續(xù)測量得到測量列，采用A類方法進行評定。

對一臺分度值為0.1 μm的電感測微儀，用配對法檢+1 μm點。先用1mm量塊對零，用1.001 mm量塊檢＋1 μm點，記錄數(shù)據(jù)。用1.001 mm量塊對零，用1.002 mm量塊檢+1 μm點，記錄數(shù)據(jù)。用1.002 mm量塊對零，用1.003 mm量塊檢+1 μm點，記錄數(shù)據(jù)。然后，將3次所記錄數(shù)據(jù)求和，得出。重復上述方法，連續(xù)測量10次，測量數(shù)據(jù)分別為2.92，2.90，2.93，2.92，2.93，2.89，2.91，2.92，2.92，2.89（μm），rˉ=2.911 μm，通過貝塞爾公式計算得：

由于實際測量是以單次測量結果作為校準結果，則標準不確定度u1為：

u1=u（ri）=S=0.015 μm

2）輸入量Li的標準不確定度u（Li）的評定

因為2等量塊（小于10 mm）的擴展不確定度U =0.06 μm，包含因子k=3，所以2等量塊Li的標準不確定度為：

3）輸入量L0的標準不確定度u（L0）的評定評定方法與（2）相同，其標準不確定度為：

4）靈敏系數(shù)

（2）合成標準不確定度的評定

各分量之間彼此獨立，合成標準不確定度為：

（3）擴展不確定度的評定

取k=2，則擴展不確定度為：

10 檢定或校準結果的驗證

計量標準不確定度經評定后，對得到的擴展不確定度U要經過驗證。選擇比較法進行驗證。用被考核的計量標準測量一穩(wěn)定的被測對象（電感測微儀，編號為1405004），然后將該被測對象用另一更高級的計量標準進行測量。若用被考核計量標準和高一級計量標準進行測量時的擴展不確定度（k=2時的U），它們的測量結果分別為Y1和Y2，在兩者的包含因子近似相等的前提下應滿足

在受檢點為分度值0.2μm檔位下+2μm的示值誤差中比較結果見表5

表5 檢定或校準結果的驗證表/μm

11 結束語

依據(jù)《JJF1033-2008計量標準考核規(guī)范》的要求，通過對本計量標準的工作原理，不確定度的評定及進行重復性、穩(wěn)定性指標和不確定度的驗證考核，從技術的角度考慮，該計量標準器具可以依據(jù)JJF1331-2011《電感測微儀校準規(guī)范》的要求，能夠開展相應儀器的檢定工作[1，4]。

[1]JJF1033-2008計量標準考核規(guī)范[S]，北京：中國計量出版社，2008.

[2]JJF1001-1998通用計量術語及定義[S]，北京：中國計量出版社，1998.

[3]JJF1059.1-2012測量不確定度評定與表示[S]，北京：中國計量出版社，2012.

[4]JJF1331-2011電感測微儀校準規(guī)范[S]，北京：中國計量出版社，2011.

Analysis of Inductance Micrometer Calibration Standard Solution

YU Jiang1，CHEN Yong2
（1.China Nuclear Power Operations Co.，Ltd.，Shenzhen Guangdong 518000，China；2.China Nuclear Power Technology Research Institute Co.，Ltd.，Shenzhen Guangdong 518000，China）

According to the requirements of the measurement standard，to set up the measurement standard device for inductive micrometer through analyzing the working principle of the measurement standard，the repeatability，the stability index and the verification of the uncertainty.

inductance sensor；inductance micrometer；metrology standard

TH871.5

B < class="emphasis_bold">文章編號：1

1672-545X（2017）05-0291-04

2017-02-28

于江（1969-），男，河北棗強人，學士，工程師，從事儀器儀表驗證、維修、管理工作；陳勇（1969-），男，四川廣安人，學士，工程師，從事儀器儀表驗證、管理工作。