基于儀表檢定參數(shù)的測量值修正和校準(zhǔn)

劉傳龍 李四海

（十堰市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所，湖北十堰 442000）

0 引言

所有測量儀表、傳感器（變送器）和計量器具的測量結(jié)果數(shù)據(jù)都不同程度的存在系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，其中隨機(jī)誤差幾乎是不可改變的，但系統(tǒng)誤差則可通過代數(shù)運算的方法加以修正和校準(zhǔn)。當(dāng)系統(tǒng)誤差的存在影響到科學(xué)測試應(yīng)用的基本技術(shù)要求時，則有必要對測量結(jié)果數(shù)據(jù)的系統(tǒng)誤差進(jìn)行修正和校準(zhǔn)。測量結(jié)果數(shù)據(jù)的修正可以由測量儀表（器具）使用者識別并手工修正；而測量結(jié)果數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)則復(fù)雜一些：早期完全由測量儀表（器具）使用者以高等級儀表檢定數(shù)據(jù)為參考值進(jìn)行手工計算校準(zhǔn)。目前隨著儀表智能化技術(shù)的發(fā)展提高，也有測量儀表制造者以提供檢定數(shù)據(jù)輸入端口，僅讓使用者參與數(shù)據(jù)輸入，然后后由儀表內(nèi)部程序自動完成的方式進(jìn)行校準(zhǔn)。

1 儀表檢定數(shù)據(jù)的修正參數(shù)

1.1 修正值、修正因子的定義

按照J(rèn)JF1001-2011《通用計量術(shù)語及定義》中5.7節(jié)-注2、3條定義：（1）修正值是用代數(shù)方法與未修正測量結(jié)果相加，以補(bǔ)償其系統(tǒng)誤差的值，修正值等于負(fù)的系統(tǒng)誤差的估計值；（2）修正因子是為補(bǔ)償系統(tǒng)誤差，與未修正測量結(jié)果相乘的數(shù)字因子。

1.2 修正值、修正因子的作用

（1）消除儀器設(shè)備的固有系統(tǒng)誤差采用修正值修正測量值；（2）消除與測量值（量程）比例相關(guān)的系統(tǒng)誤差采用修正因子修正測量值。

1.3 修正值、修正因子的簡單識別方法

（1）識別修正值、修正因子的數(shù)據(jù)來源：由儀器或設(shè)備的檢定（校準(zhǔn)）證書提供的一組“示值誤差”或者“示值相對誤差”數(shù)據(jù)。

（3）實際的修正值δ識別中，δ與檢定證書中“示值誤差”相關(guān)?？捎谩笆局嫡`差均值”作為“系統(tǒng)誤差的估計值”，即：

它是一個有符號（可正可負(fù)）數(shù)字因數(shù)。按公式（1）識別δ具有最佳修正效果；但為避免繁瑣計算，δ可簡化選取示值誤差（X-X）的“中間、中位值和零點誤差值”，也有不錯的修正效果。

（4）實際的修正因子φ識別中，φ與檢定證書中“示值相對誤差”相關(guān)。φ一般取“1與合適的示值相對誤差q之差”，所謂“合適”，可考慮幾個選項：（a）一致性較好的示值相對誤差；（b）最小的示值相對誤差；（c）最大測量點的示值相對誤差。

如果已識別確定某個q值來關(guān)聯(lián)修正因子φ，根據(jù)相對示值誤差的定義，自然考慮修正運算式為：

表1 檢定結(jié)果數(shù)據(jù)

表2 型號WSM-100拉壓力試驗機(jī)檢定證書數(shù)據(jù)進(jìn)行修正值δ識別/修正

表3 型號WSM-100拉壓力試驗機(jī)檢定證書數(shù)據(jù)進(jìn)行修正因子φ識別/修正

由于q值可正可負(fù)，且q的絕對值遠(yuǎn)小于1，所以1-q是一個接近于1（大于1或者小于1）的數(shù)字因子。修正因子使用（修正）方法：修正后測量值X*等于未修正測量值X乘以修正因子φ，即：

2 單測量點檢定數(shù)據(jù)的修正值δ識別

指標(biāo)準(zhǔn)砝碼類（或某些刻度類量器），檢定（校準(zhǔn)）證書中已明確標(biāo)明一個有符號的參數(shù)為“示值誤差”：此種情形可直接將這個示值誤差直接識別為修正值δ。具體修正公式：修正后測量值X*=未修正測量值X-δ。

實例：以我單位編號SM036：LT101電子天平用500g標(biāo)準(zhǔn)砝碼2018年檢定結(jié)果數(shù)據(jù)見表1：

實際分度值/d0.1g；檢定分度值/e1g；最大稱量/g500g。

修正值識別為：δ=+0.1g

3 多測量點（一個量程范圍）權(quán)威資質(zhì)機(jī)構(gòu)檢定數(shù)據(jù)的修正值δ識別原理

儀器或設(shè)備檢定（校準(zhǔn)）證書提供了一組（多個測量點）數(shù)據(jù)，而且附有一組示值誤差（或相對示值誤差）參數(shù)值。修正參數(shù)識別時，儀表設(shè)備多點檢定數(shù)據(jù)通常在“標(biāo)準(zhǔn)值（橫坐標(biāo)）——測量值（縱坐標(biāo)）坐標(biāo)系”中描述，如圖1所示。

圖1 多測量點條件下修正值δ識別示圖意

圖2 多測量點條件下一般測量數(shù)據(jù)分布狀況

4 多點測量數(shù)據(jù)的修正值/修正因子識別實例

（1）以我單位檢定證書編號：20170808247，型號WSM-100拉壓力試驗機(jī)檢定證書數(shù)據(jù)進(jìn)行修正值δ識別/修正見表2。

（2）同樣以我單位檢定證書編號：20170808247，型號WSM-100拉壓力試驗機(jī)檢定證書數(shù)據(jù)進(jìn)行修正因子φ識別/修正實例見表3。

5 修正值δ和修正因子φ識別的通用最優(yōu)方法

（1）考慮檢定數(shù)據(jù)在“標(biāo)準(zhǔn)值（橫坐標(biāo)）——測量值（縱坐標(biāo)）”坐標(biāo)系中的直線模型表達(dá)。如圖2所示。

圖2中假定檢定數(shù)據(jù)的修正前最佳擬合直線方程為：X=ΨX＋δ，圖中數(shù)據(jù)為一般情形：即示值誤差均值為正，最佳擬合直線斜率大于1。有先驗的算法（最小二乘法）可知：擬合直線的兩個參數(shù)分別按下述公式計算：

圖3 多測量點條件下修正值修正過程示意圖

修正值δ與為擬合直線的截距相等。

修正因子φ為擬合直線斜率Ψ的倒數(shù)：

6 參考第四節(jié)中描述的過程，分兩步對測量值進(jìn)行修正

第一步，先將擬合直線在縱軸的截距識別為修正值δ是合理的，將每個測量值減去修正值δ，即：

如圖3所示：測量數(shù)據(jù)點全體向下移動距離δ，最大示值誤差△大幅度降低。

如圖4所示：修正后擬合直線與理想測量直線重合，最大示值誤差△進(jìn)一步降低。

（1）很明顯，如果使用修正值δ、修正因子φ同時修正的通用方法，需要比較繁瑣的計算過程，而且按最小二乘法擬合直線求得的修正參數(shù)δ和φ（φ=1/Ψ）是最佳修正參數(shù)，它一般適用于帶有計算機(jī)數(shù)據(jù)采樣的傳感器校準(zhǔn)，測量設(shè)備制造商把這種修正過程編制為專門的傳感器標(biāo)定程序，設(shè)備使用者定期依據(jù)檢定部門現(xiàn)場檢定數(shù)據(jù)，直接啟動標(biāo)定程序界面，錄入檢定數(shù)據(jù)后，計算機(jī)自動進(jìn)行計算和修正，完成修正校準(zhǔn)后可以極大地改善傳感器測量精度。作為檢定部門一般不推薦使用，而使用近似的和單一的（修正值δ、修正因子φ選其一）識別方法已可滿足要求。

圖4 多測量點條件下修正因子修正過程示意圖

圖5 將測量值校準(zhǔn)到校準(zhǔn)直線上

（2）有的測量儀器帶有“零點校正”功能，實際上就是把空載測量值（零點示值誤差）識別為修正值δ，相當(dāng)于一種由使用者操作的儀器自帶修正值識別功能。

（3）對于多測量點檢定數(shù)據(jù)，如果僅進(jìn)行修正值δ識別，也就是擬合直線模型為：X=X+δ，此時根據(jù)公式（5）、（6），由于Ψ=1，得：

圖6 折線校準(zhǔn)法示意圖

（4）如果僅進(jìn)行修正因子φ識別，也就是擬合直線模型為：X=φX，則相當(dāng)于本節(jié)所述通用最優(yōu)方法中另一種將修正值δ預(yù)設(shè)為“0”的特例。

7 儀器、傳感器（變送器）和計量器具的校準(zhǔn)方法

儀器、傳感器（變送器）和計量器具檢定數(shù)據(jù)校準(zhǔn)與修正的區(qū)別：校準(zhǔn)參數(shù)在“測量值（橫坐標(biāo)）——標(biāo)準(zhǔn)值（縱坐標(biāo)）”坐標(biāo)系下表達(dá)，與修正參數(shù)表達(dá)坐標(biāo)系的自變量、因變量定義則相反。

7.1 直線校準(zhǔn)法的校準(zhǔn)參數(shù)

（3）按上條目標(biāo)函數(shù)要求，可以得到的推導(dǎo)結(jié)果是：

7.2 折線校準(zhǔn)（或稱分段校準(zhǔn)）法的校準(zhǔn)參數(shù)

（1）當(dāng)儀表儀器測量值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的示值誤差在某些量程或測量點比較大，但重復(fù)性較好時有必要選擇折線校準(zhǔn)法。把每兩個相鄰標(biāo)準(zhǔn)值測量點之間連接為（n-1）段折線，將每段折線都當(dāng)成校準(zhǔn)直線使用。如圖6所示。

校正值：

8 結(jié)語

（1）采用近似識別方法時，一般以“示值誤差”（X-X）為依據(jù)識別修正值δ；以“示值相對誤差”{q=（X-X）/X}為依據(jù)識別修正因子φ。（2）在從檢定（校準(zhǔn)）證書中識別選取“示值誤差”和“示值相對誤差”時，注意不要丟失正負(fù)號。（3）儀器設(shè)備檢定后等級已滿足使用要求的前提下，修正值δ和修正因子φ都可以不用識別。（4）采用修正值/修正因子均可以有效地縮小最大示值誤差△，或者說可以改善測量不確定度。（5）修正因子φ的選擇需要慎重，一般應(yīng)選擇除零外最小或者次小的示值相對誤差q來計算φ，最大測量點的示值相對誤差q通常滿足該條件；識別最大測量點示值相對誤差為修正因子的方法有時又稱“滿量程校正”法。（6）采用最優(yōu)識別方法時，用最小二乘法擬合直線方程：X=ΨX＋δ，截距δ與修正值等價相關(guān)，斜率Ψ的倒數(shù)與修正因子φ等價相關(guān)。（7）實際應(yīng)用中，修正值δ和修正因子φ兩者選其一即可，而且一般采用近似識別方法。如果修正值δ和修正因子φ同時采用，一般分兩步進(jìn)行，先按公式：X*=X-δ完成修正值δ修正，再按公式：X*=X*×φ完成修正因子φ修正。（8）校準(zhǔn)參數(shù)校準(zhǔn)值δ'和校準(zhǔn)因子φ'對測量點數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)可以采用公式：X*=φ'X+δ一步完成校準(zhǔn)。（9）最優(yōu)修正參數(shù)與最優(yōu)校準(zhǔn)參數(shù)有類似的表達(dá)形式，它們之間差異的原因來自選擇不同的擬合直線模型以及不同的表達(dá)坐標(biāo)系，可以說它們是一個問題的兩種表達(dá)形式。