角位移传感器校准规范

1角位移传感器校准规范本规范适用于电感式角位移传感器、差动变压器式角位移传感器(直流输入型、交流输人型)、电阻式角位移传感器、电容式角位移传感器静态性能指标的校准。本规范引用了下列文件：GB/T18459—2001传感器主要静态性能指标计算方法JB/T9256—1999电感位移传感器JB/T9257—1999交流差动变压器式位移传感器JB/T9258—1999直流差动变压器式位移传感器凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本规范；凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本规范。3术语及定义3.1相位移phaseshift在线性工作范围内的最大行程处，角位移传感器的输出电压基波与输入电压基波在时间上的相位差。3.2基准电气零位electricalnull角位移传感器输出电压满足相应的电压方程式，方程式中电气角θ为零时的转子位置即为基准电气零位。角位移传感器在该位置的输出电压为最小值。3.3零位电压nullvolltage角位移传感器的转子在基准电气零位时的输出电压，是输出电压的最小值。角位移传感器是一种能感受角位移量并转换成可用输出信号的测量仪器。按其工作原理可分为电阻式角位移传感器、电容式角移传感器、电感式角位移传感器、差动变压器式角位移传感器(直流输入型、交流输入型)等。各种角位移传感器的原理见图1。5.1灵敏度5.2线性度5.3回程误差2(1)电阻式角位移传感器(2)电容式角位移传图1角位移传感器工作原理图5.4重复性5.5纹波电压5.6零位电压5.7相位移6校准条件6.1环境条件温度：(20±5)℃,温度变化不大于2℃/h;湿度：相对湿度45%～75%;校准时应避免外界磁场及机械振动。6.2校准用的主要设备校准用的主要设备及技术要求见表1。表1主要校准设备及技术要求序号设备名称技术要求1分度装置示值误差≤4”2数字电压表MPE:DCV±0.004%~±0.1%,ACV±0.03%~±0.1%3稳定直流电源纹波电压≤0.5%4励磁电源频率1kHz～6kHz正弦波，波形失真度≤2%5相位计最小分度值0.1°37校准项目和校准方法将被校准的角位移传感器的转轴通过专用的连接轴固定在分度装置的回转轴上，并使角位移传感器的转轴与分度装置的回转轴同轴，安装偏心不大于0.02mm,同时在角位移传感器外壳上夹上固定夹具，使其不得与角位移传感器的转轴一起转动。角位移传感器与校准用计量标准器的接线示例见图2。数字电压表数字电压表数字电压表数字电压表励磁电源7.2基准电气零位角位移传感器接通电源预热后，旋转分度装置找出角位移传感器的基准电气零位。对于单向角位移传感器，在传感器测量范围内旋转分度装置，读取数字电压表上角位移传感器的输出电压值，找出最小输出电压值从不变到突变的点，即为基准电气对于双向角位移传感器，在传感器测量范围内旋转分度装置，读取数字电压表上角位移传感器的输出电压值，最小输出电压值点即为基准电气零位。7.3校准点的确定在传感器全量程范围内，根据期望线性度的值不同，设定不同的测量点数n。线性度>0.1%的角位移传感器，应在全量程范围(按量程均分)不少于11个受检点，线性度≤0.1%的角位移传感器，应在测量范围(按量程均分)不少于21个受检点。测量正行程和反行程往返一次为一个循环，根据期望线性度的值不同，设定不同的循环数m。线性度≥0.1%的角位移传感器应连续进行3个循环的测量，线性度<0.1%的角位移传感器至少连续进行4个循环的测量。以基准电气零位为校准起始点，依次读取各校准点的输出电压值y和角度装置给出的角位移值R。角位移传感器在整个测量范围内有n个校准点，并进行m次循环校准。为循环序号。7.5灵敏度及截距各校准点的正、反行程示值的算术平均值分别按式(1)和式(2)计算。4yw——正行程第i个校准点第j次输出值，i=1,2,…,n,j=1,2…,m,ypg——反行程第i个校准点第j次输出值，i=1,2,…,n,j=1,2,…,m,分别由y₁、yo;(i=1,2,…,n)所确定的曲线，称为正行程曲线和反行程曲线。各校准点的正行程和反行程输出值的算术平均值为：由y:为纵坐标、R;为横坐标所确定的曲线称为角位移传感器的校准曲线。角位移传感器的参比直线采用最小二乘线性回归直线，线性方程式为：式中：Y;——角位移传感器在第i个校准点的线性回归值，Vrms;Y₀——角位移传感器的截距，Vrms;K——角位移传感器的线性回归灵敏度，Vrms/(°);R₁——角位移传感器第i个校准点的角位移量，(°)。灵敏度K及截距Y。公式如下：7.6线性度由式(3)计算各校准点输出值的平均值y,,并由式(7)计算与最小二乘线性回归直线Y;的差值△y.。传感器第i个受检点的线性度为：传感器的线性度为：5式中：Ym——角位移传感器为上限值时m组正、反行程所测得的实际输出量的平均值，Yw——角位移传感器为下限值时m组正、反行程所测得的实际输出量的平均值，Yys——输出信号量程，Vrms。在本规范中，角位移传感器的线性度采用的是最小二乘线性度，若被校准的角位移传感器标明是其他线性度时，应采用GB/T18459—2001《传感器主要静态性能指标计算方法》附录A中计算线性度的测量结果作为最终评定结果。计算同一校准点中正行程输出值的算术平均值与反行程输出值的算术平均值之差：传感器的回程误差为：7.8重复性计算同一校准点中正行程或反行程输出值中最大值与最小值之差：传感器的重复性为：C——极差系数。7.9纹波电压在角位移传感器测量范围上、下限值上测量其输出电压的纹波电压有效值。7.10零位电压把角位移传感器旋转至传感器所标识的基准电气零位附近，顺时针、逆时针旋转光学分度头，在数字电压表上读取所输出的最小电压值，即为零位电压。7.11相位移把数字相位计的输人输出端同时并接到角位移传感器的激磁端，使数字相位计置零，然后把数字相位计的输出端接到角位移传感器的输出端，旋转角位移传感器到工作范围的上限处，读取相位差值，再旋转角位移传感器到工作范围的下限处，读取相位差值，取两个读取值中最大值为相位移。8校准结果表达经校准的角位移传感器出具校准证书。校准证书内容见附录C。69复校时间间隔角位移传感器的复校时间间隔，建议不超过1年。由于复校时间间隔的长短是由仪器的使用情况、使用者、仪器本身质量等诸因素所决定的，因此送校单位可根据实际使用情况自主决定复校时间间隔。7附录A被校对象：交流差动变压器式角位移传感器；灵敏度为0.1565Vrms/(°);线性度为±0.35%FS;零位电压为12mV;相位移≤5°;误差带为0°±0.1°,38.5°±0.27°,中间点误差线性过渡。交流差动变压器式角位移传感器校准数据序号角位移值输出电压值/Vrms第一测回第二测回第三测回正行程反行程正行程反行程正行程反行程12一5.6333一4.6824567一0.931一0.9318096校准结果：灵敏度为0.1564Vrms/(°),线性度为0.11%FS,回程误差为0.01%FS,重复性为0.006%FS,零位电压为0.0093Vrms,相位移为2.3°。8交流差动变压器式角位移传感器线性度测量结果的不确定度评定B.1测量方法被校准的交流差动变压器式角位移传感器的测量范围为±38.5°,即线性度为0.35%。根据本规范使用分度值为2”的角度标准，采用数字多用表读取输出电压值，励磁电源是信号发生器，频率准确度为1×10~'。每隔6°取一个测量点，在角位移传感器全量程内取15个测量点，共测量3个测回。B.2数学模型根据位移传感器校准特性的输出值y;和标准器读数R,,取一个测量循环中的输出值y,和标准器读数R,为一组，共三组，角位移传感器的参比直线采用最小二乘线性回归的直线，线性方程式为：Y——角位移传感器在第i个校准点处输出量的线性回归值，Vrms;Y₀——角位移传感器的截距，Vrms;灵敏度K及截距Y。公式如下：y;—各校准点的正行程和反行程输出值的算术平均值，Vrms。由式(3)计算各校准点输出值的平均值y,,并由式(7)计算与最小二乘线性回归直线Y,的差值△y;。传感器第i个受检点的线性度为：9式中：Yw——角位移传感器为上限值时3组正、反行程所测得的实际输出量的平均值，Yw——角位移传感器为下限值时3组正、反行程所测得的实际输出量的平均值，Yps——输出信号量程，Vrms。B.3方差和灵敏系数cR=-K/Yps=-0.1564/12.06cx=-R,/Yrg=-38.5/12.066=-取Yrs=12.066Vrms;R,=38.5°。B.4标准不确定度分量一览表标准不确定度分量见表B.1。标准不确定度分量不确定度来源标准不确定度值灵敏系数K。引入的标准不确定度分量一3.1907(°)Vrms不确定度分量标准角位移引入的标准不确定度分量光学分度头示值误差角位移传感器安装偏心电压输出值引入的标准不确定度分量数字电压表示值误差重复性B.5标准不确定度分量B.5.1角位移传感器的灵敏系数K和截距Y。引入的标准不确定度分量u(K)和采用最小二乘法计算出的理论直线方程式Y;=Y₀+KR;。因各Y,独立，则其中：具体的数据计算见表A.1。B.5.2标准角位移引入的标准不确定度分量u(R;)B.5.2.1光学分度头示值误差引入的标准不确定度分量u;(R)光学分度头示值误差为4",服从均匀分布，则：B.5.2.2角位移传感器安装偏心引人的标准不确定度分量u₂(R)角位移传感器安装偏心为0.02mm,引起的安装偏心误差为：u(R,)=√u;(R₁)+u₂(R,)=√0.0006²+0.0229²=0B.5.3电压输出值引入的标准不确定度分量u(y;)B.5.3.1数字电压表示值误差引入的标准不确定度分量u₁(y,)数字电压表的交流测量示值误差限为±0.06%,满量程输出电压值是6.025Vrms,服从均匀分布，则：u₄(y₁)=6.025×0.06%/√3=0.0021Vrms因输入电压也用数字电压表监测，输入电压为7.0Vrms,所以u₈(y₁)=7.0×0.06%/√3=0.0024Vrms因测量值取正、反行程3个测回的平均值，所以u₁(y₁)=√u(y,)+u;(y.)1√6=√0.0021²+0.0024²/√6=0.0013VrmsB.5.3.2重复性引入的不确定度分量uz(y,)在同一校准点中正行程、反行程各测量3次，采用极差法计算重复性，数据见测量次数123正行程反行程u₂(y,)=|1.406-1.402|/2.53=0.0u(y₁)=√u(y