山西汾西重工有限责任公司 山西省太原市 030027
摘要：本文介绍了一种用直接比较法组建多参数校准装置；讨论了研制多参数综合校准装置的重要性和迫切性；论述了其校准原理、测量不确定度的分析及该校准装置在我公司科研、生产、试验中的应用。
关键词：多参数；测量不确定度；应用
0 引言
近年来，随着我公司型号产品的升级换代，科研生产技术水平不断提高，各单位的试验设备、仪器仪表也不断更新和增加，而且测量设备日趋参数多、功能强、指标高，这些仪器仪表的准确性将直接影响我公司产品高质量发展。
1 多参数综合校准装置的设想
近年来，我公司陆续购置了部分试验设备、仪器仪表，种类繁多、数量大、使用频次高、涉及面广。这些仪器仪表的准确与否将直接影响着产品的质量和人身的安全。在这之前，这些计量仪器都是送检。周期长（10-30天）、费用高，而且对我公司的军民品交付速度有较大的影响。为了提高我公司的检测水平、为了使我公司的量值传递工作能迅速、准确、统一。因此迫切需要一种准确度高、能进行现场校准、覆盖面广、校准参数多的综合性校准装置。
顾名思义，多参数综合校准装置就是把若干个测量参数根据不同的场合，不同的需要组合在一起，成为一种新的校准装置。运用这一设计思想，即用综合效能代替单一性能。并以高可靠性、高质量、高精度、多功能合一为中心设计来保证多参数综合校准装置具有良好的性能。
由于大量的力学设备具有固定安装和连续性，如按传统的设计方法要覆盖我公司现有的力学设备、仪器仪表需要建立四套标准器：(1)测力计标准；(2)压力传感器、压力表标准；(3)万能试验机标准；(4)扭矩标准。并且存在功能单一、科技含量低、精度等级低、覆盖面窄、配套设备多、建标费用高、不能现场检测等缺点，限制了我公司计量检测工作向在线测量和自动化方向的发展。
抛开传统设计思想，依照多参数综合校准装置设计目标，对全公司的计量器具进行了研究和论证。综合设想了力值、压力、扭矩三参数之间的内在关系。即设想到不同之处又综合了相似之处，可以设计集高质量、多功能为一体的多参数综合校准装置。该校准装置能随时随地现场在线校准，能及时发现问题，采取措施，确保计量检测数据准确可靠。且有携带使用方便、准确度高、实时性好等优点。
2 多参数综合校准装置的校准原理及组成
随着传感器技术和微机技术的发展很多经典的力学量如力值、压力、扭矩、振动、冲击、质量等都采用传感器+（A/D）+计算机采集处理来实现量值的传递，多参数综合校准装置采用同样的原理（传感器+智能仪表），即将一种能感受力并按一定的规律将力转换成可用的输出信号（一般为电信号）。校准时采用直接比较法进行校准，这样不仅可以获得较高的校准准确度并且系统组建简单、成本较低、使用方便。通过分析和实验证明该系统是可靠、实用的，它的投入使用将能迅速、准确、统一的开展我公司力学量值的传递工作，提高经济效益。
多参数综合校准装置采用了高精度数字测力仪的功能，其核心的技术是高精度的运算放大电路，A/D转换电路和配套的高稳定度传感器激励稳压电源。针对力值计量中测力计量要求精度高的特点，对以上几点核心技术，规定了必须达到的技术要求。
a 运算放大电路采用高增益超低漂的精密运算放大电路，运放电阻采用了低温度系数的精密金属薄膜电阻。其性能和纹波都必须满足分辨20位A/D转换器的要求。
b A/D电路采用最新的20位AD7703，其分辨率达到1/100万，可满足20万以上显示码的要求。
c 高稳定度的传感器直流激励电源。稳定度≤±0.002%/年；温度漂移≤±0.001%/10℃。
3 测量不确定度的分析
不确定度的分析与评定是自动检测系统研制前、研制中尤其是研制后一个很突出的问题。一般可程控仪器的不确定度可以很方便在技术说明书中查到，但是可程控仪器的不确定度不能作为校准系统的不确定度。不确定度的最终目的是为了给出量值在给定置信概率下的可能变化范围，一个校准装置的不确定度实际上是其可作为校准装置的资格证明。
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3.1测量不确定度的评定
3.1.1数学模型
d = F - F0
式中：F0－标准测力机示值
F －数字测力计示值
d －示值的偏移
3.1.2 标准不确定度的来源
a 重复性测量引入的标准不确定分量uR
b 力标准机不确定度带来的标准不确定分量usm
c 数字显示器的分辨力引入的标准不确定度分量ur
d 回零误差引入的标准不确定度分量uZ
3.1.3 标准不确定度分量的评定
a 根据三次重复测量值，用极差法计算求得实验标准偏差S
S=1×10-3/1.69=5.9×10-4
实际结果取三次读数的平均值，因此相对标准不确定度分量uR为：
b 力标准机的不确定度由检定系统表中得到：±3×10-4，即a=3×10-4，且服从正态分布k=3。相对标准不确定度分量usm为：
c 数字显示器的分辨力为±5.2×10-5，即a= 2.6×10-5，且服从均匀分布k=。相对标准不确定度分量ur为：
d 回零误差是取额定负荷的50%负荷点计算的，回零误差的允差限为±1×10-3，a= 1×10-3，服从三角分布k=。相对标准不确定度分量uZ为：
3.14 合成标准不确定度的评定
因为各不确定度分量都是相互独立的，相对合成不确定度uc为：
3.15 相对扩展不确定度的评定
U=kuc=1.08×10-3，k=2
综合以上理论分析和评定，证明力学量多参数综合校准装置作为力学量的校准是可靠、实用。
在对校准装置的不确定度评定中，一次测量的数据不足以反映误差模式的全部。一套校准装置性能指标的评定需要较长时间的数据积累。只有这样才能包容引起误差的各种因素和各种模态，求得的不确定度才能反应系统的真正性能。
4 应用
多参数综合校准装置的配置可完善我公司力学计量手段，为我公司开展对大型测量设备全方位的质量管理提供有力的技术支持。以往我公司的大型力学测量设备（万能材料试验机、数显弹簧试验机、数显测力计、综合测试仪等）都是上级计量技术机构每年现场校准一次，在这一年中这些测量设备的计量特性是否在使用要求范围内，我们无法监控。就会对产品的质量产生影响。该多参数综合校准装置建标后我们根据测量设备使用频次、稳定性、环境条件、计量特性等客观因素，重新确认了计量间隔。除了认真执行测量设备的定期周检外，狠抓关键设备的重点检查、定期抽检发现问题随叫到，确保测量数据准确无误及追溯的可施性。并根据测量设备的历史曲线跟综分析发现问题及时处理，测量数据基本作到了数出一门、量出一家确保测量数据的准确可靠。
5 结束语
通过实践、理论分析和评定，证明了多参数综合校准装置设计思想正确、具有良好的可靠性。多参数综合校准装置在满足设计要求的同时，可对多种力学设备、仪器仪表进行校准。其操作简便、轻巧、实用。可在现场对设备进行校准，校准精度高、稳定性好、可靠性强、、具有广泛的实用性。该装置的应用可以更好地为我公司军民品质量保驾护航。
参考文献
[1] 曾令儒，计量培训教材，原子能出版社，2002
[2] 潘必卿，刘玉俊，精密电工仪器修理，机械工业出版社
论文作者:李长征 李雅馨
论文发表刊物:《中国电气工程学报》2019年第4期
论文发表时间:2019/6/28
标签：不确定论文; 装置论文; 参数论文; 测量论文; 标准论文; 分量论文; 力学论文; 《中国电气工程学报》2019年第4期论文;