CN102607636B - 一种动态测量系统的比对式校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态测量系统的比对式校准方法，利用标准传感器与被校传感器进行比对校准测试，将标准传感器与被校传感器安装在一起，使其能够同时测量同一物理量，之后通过统计分析的方法对动态测量系统的重复性引起的不确定度进行评定。本发明方案应用广泛，易于操作，能够保证不同次校准试验动态源的统一。

Description

一种动态测量系统的比对式校准方法

技术领域

本发明属于动态测量及校准领域，特别是动态测量系统比对式校准时，使标准动态源保持稳定的一种数据修正方法。

背景技术

动态测试系统在进行动态测试之前，一般都需要进行动态校准，但由于缺乏稳定的标准的动态源，使得每次校准时标准值不一致，无法通过等精度重复测量来对其重复性引起的不确定度进行评定。

例如，各种活塞式机械装置的研制、定型、生产、交验等试验中都必须测量活塞缸的压力，目前，一般采用基于压电式传感器的压力测量系统来测量活塞缸的压力。为准确测量活塞缸的压力，在测量之前需对该动态压力测量系统进行校准。压电式动态压力测量系统的校准可采用快速开关阀或落锤装置，但不管采用何种校准方法，每次校准时产生的压力源都存在一定的偏差，致使多次校准的压力源不一致，无法对其重复性引起的不确定度进行评定，不符合计量要求。

又如，汽车在研制、定型、生产、交验等试验中都必须测试汽车的性能，其中汽车的最高时速就是一项重要指标。目前，车速的测量大多采用电子雷达测速法，虽然其测速精度可达到0.1％，但在投入使用之前也必须对电子雷达测速系统进行校准。电子雷达测速系统的校准可利用标准测速区截装置(光幕靶)或更高精度的电子雷达测速系统，但不论如何采取现有何种校准方法，每次校准时的速度源都存在一定的偏差，无法进行量值上的传递及溯源，导致多次校准时速度源的不一致，无法对其重复性引起的不确定度进行评定。

因此，急需要一种方法，能够提供一种稳定的标准动态源，用于对动态压测量系统进行校准，通过统计分析的方法对动态测量系统的重复性引起的不确定度进行评定。

发明内容

本发明的目的在于针对比对式动态校准时标准动态源的不稳定性，提供一种动态测量装置的比对式校准的数据处理方法，对每次校准时的动态源的量值进行修正到统一值，保证动态源的稳定性。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种动态测量系统的比对式校准方法，包括以下步骤：

(1)利用标准传感器与被校传感器进行比对校准测试：将标准传感器与被校传感器安装在一起，使其能够同时测量同一物理量；

(2)进行多次校准试验，分别得到标准传感器的测量值x_ij，被校传感器测量值y_i，其中i为校准的次数，j为标准传感器的编号；

(3)计算单次校准时标准传感器测量的均值及多次校准的标准传感器测量的均值

$\stackrel{\‾}{x_i}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{ij}}---\left(1\right)$

$\stackrel{\‾}{x}=\frac{1}{m}\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{x}}_j---\left(2\right)$

其中，m为标准传感器的数量，n为校准试验的次数；

(4)利用单次校准时标准传感器测量的均值减去多次校准的标准传感器测量的均值

${\mathrm{\Δx}}_i={\stackrel{\‾}{x}}_i-\stackrel{\‾}{x}---\left(3\right)$

(5)对标准传感器以及被校传感器的测量值进行修正

${\hat{x}}_{\mathrm{ij}}=x_{\mathrm{ij}}-{\mathrm{\Δx}}_i---\left(4\right)$

${\hat{y}}_i=y_i-\mathrm{\Δ}{x}_i---\left(5\right)$

即将所有的校准实验数据修正到同一个标准动态源激励下的数据，可近似看成同一激励下的多次重复性测量；

(6)按照等精度重复测量时数据处理方法对被校传感器的重复性引起的标准不确定度进行评估

标准传感器的均值的标准偏差用下式进行评定：

$s=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{({\hat{x}}_{\mathrm{ij}}-\stackrel{\‾}{x})}^2}{m\×n\×(m\×n-1)}}---\left(6\right)$

标准传感器即标准动态源的相对标准不确定度用下式评定：

$u_{\mathrm{rell}}=\frac{s}{\stackrel{\‾}{x}}\×100\%---\left(7\right)$

被校传感器的单次校准相对偏差采用下式计算：

$r_i=\frac{|{\hat{y}}_i-\stackrel{\‾}{x}|}{\stackrel{\‾}{x}}\×100\%---\left(8\right)$

被校传感器校准的均值相对偏差采用下式计算：

$r=\frac{|\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{y}}_i-\stackrel{\‾}{x}|}{\stackrel{\‾}{x}}\×100\%---\left(9\right)$

被校传感器的重复性测量引起的均值的不确定度采用下式计算：

$u_{\mathrm{rel}2}=(\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{({\hat{y}}_i-\stackrel{\‾}{x})}^2}{n(n-1)}}/\stackrel{\‾}{x})\×100\%---\left(10\right)$

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)本发明应用广泛，可用于多种动态测量中传感器(传感器的非线性特征明显除外)的系统比对式校准；

(2)降低了校准时对不同次校准之间动态源稳定性的要求，对标准传感器数量的要求，无需更多的测试与设备，保证了不同次校准试验动态源的统一；

(3)在多次校准试验标准动态源不一致情况下，实现了动态测量系统的由重复性引起的不确定度评定；

(4)本发明简单易懂，易于操作。

附图说明

图1是落锤的动态压力测量系统示意图。

图2是区截装置校准电子雷达实验2.1示意图。

图3是区截装置校准电子雷达实验2.2示意图。

图4是本发明动态测量系统的比对式校准方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1.1

结合图1，本实例针对基于落锤的动态压力测量系统的比对式校准的数据进行修正，具体实施步骤如下：

1)如图1所示，落锤液压动标装置由活塞、精密活塞缸、溢流阀、油缸本体等组成，精密活塞缸四周安装了四只标准传感器(I、II、III、IV)和两只待标传感器(X、Y)。自由下落的重锤将重力势能转化为动能，随后与油缸顶端的精密活塞相撞，通过活塞压缩油缸内的液体在油缸内产生压力，从而将重锤的动能又转化为液压油体积变形的弹性势能。当动能全部转化时，重锤与活塞达到最大压缩行程，其后由于液压油的弹性恢复作用，把活塞与重锤上推，直到重锤跳离活塞，弹性势能又转化为重锤动能。这样在油缸内形成一个近似于半正弦的压力脉冲，被压力传感器感知。实验数据见表1。

2)采用本发明提供的方法对表1的实验数据进行处理。单次校准时多只标准传感器测量的均值由式(1)求得，多次校准的标准传感器均值由式(2)求得，对标准传感器以及被校传感器的测量值进行修正由式(4)、(5)求得，标准传感器的均值的标准偏差s_p由式(6)求得，相对标准不确定度由(7)求得，被传感器重复性引起的测量不确定度由式(10)求得。

表1动态校准试验数据

表2压力数据修正(Mpa)

表3压力数据测量结果评估

表1数据表明，校准时标准传感器多次监测的压力源之间存在明显的偏差，偏差最大达0.001，表明在实际校准时压力源不稳定，故无法进行重复性测量引起的不确定度的评定，通过修正后，标准压力源的相对标准不确定度为0.04×10-2，数据处理结果表明，本发明显著改善了标准压力源的标准不确定度，使重复性测量引起的不确定度的评定成为可能。

实施例1.2

基于落锤的动态压力测量系统的比对式校准的数据进行修正，实验装置依然是落锤液压动标装置，在精密活塞缸四周安装两个标准传感器和一个被较传感器Z，按照上述实验的操作规程进行实验，得出实验数据及处理结果如表4、5所示。

表4动态校准试验数据

表5压力数据测量结果评估

由4数据计算表明，校准时标准传感器多次监测的压力源之间存在明显的偏差，偏差最大达0.005，表明在实际校准时压力源不稳定，故无法进行重复性测量引起的不确定度的评定，通过修正后，标准压力源的相对标准不确定度为0.0788×10-2，显著改善了标准压力源的标准不确定度，使重复性测量引起的不确定度的评定成为可能。

实例1.1和1.2对比表明，本发明在针对基于落锤的动态压力测量系统的比对式校准的数据进行修正时，在对标准传感器的数量无特殊的要求的前提下，能显著改善标准压力源的标准不确定度，完成重复性测量引起的不确定度的评定，符合计量学的要求。

实施例2.1

将4对标准测速区截装置(简称标准光幕靶)和一个被校电子雷达动态测速系统装置按照图2所示进行对称布置，假定区截装置I的两靶距离为L1，区截装置II的两靶距离为L2，区截装置III的两靶距离为L3，区截装置IV的两靶距离为L4，被校电子雷达测速系统装置放置在区截装置，汽车离第一靶的距离为Lq，根据平均速度测量原理，则有各区截装置测得汽车运动速度的测量值为v_i：其中，l1＝50m，l2＝65m，l3＝75m，l4＝85m，Lq＝100m。试验场地选用水平直线车道，汽车从起点出发，到IV-1时达到最大速度，并保持匀速穿过所有靶，按照此操作流程进行6次重复实验。实验数据及数据处理结果如表6所示。单次校准时四对标准靶测量的均值由式(1)求得，多次校准的标准靶均值由式(2)求得，标准光幕靶以及被校电子雷达测速系统的测量值修正值由式(4)、(5)求得，标准光幕靶的均值的标准偏差s_v由式(6)求得，标准光幕靶(速度源)相对标准不确定度由(7)求得，被校电子雷达的单次测量相对偏差以及均值测量相对偏差由式(8)、(9)求得，被校电子雷达重复性引起的测量不确定度由式(10)求得。

表6速度校准数据(m/s)

表7速度数据修正(m/s)

表8速度数据测量结果评估

表1数据表明，校准时标准传感器多次监测的速度源之间存在明显的偏差，偏差最大达0.1，表明在实际校准时速度源不稳定，故无法进行重复性测量引起的不确定度的评定，通过修正后，标准速度源的相对标准不确定度为0.0256×10-2，数据处理结果表明，本发明显著改善了标准速度源的标准不确定度，使重复性测量引起的不确定度的评定成为可能。

实施例2.2

采用两个标准测速装置光幕靶校准一个待校电子雷达动态测速系统，按照图3所示对称分布安装，汽车距第一靶Lq＝100m，标准区截I装置两靶之间的距离L1＝50m，区截装置II的两靶距离为L2＝65m，被校电子雷达动态测速系统放置在区截装置正中间。按照例2.1的实验规程进行6次实验，得出的实验数据及处理结果如表9、10所示。

表9速度校准数据

表10测量速度数据评估结果

由10数据计算表明，校准时标准传感器多次监测的速度源之间存在明显的偏差，偏差最大达0.07，表明在实际校准时速度源不稳定，故无法进行重复性测量引起的不确定度的评定，通过修正后，标准速度源的相对标准不确定度为0.027×10^-2，显著改善了标准速度源的标准不确定度，使重复性测量引起的不确定度的评定成为可能。

实例2.1和2.2对比表明，本发明在针对标准区截测速装置与电子雷达动态测速系统的比对式校准实验时，在对标准传感器的数量无特殊的要求的前提下，能显著改善标准速度源的标准不确定度，完成重复性测量引起的不确定度的评定。

综上所述，本发明对标准传感器的数量没有特殊的要求，在动态校准时保证了标准源的稳定性，即能够完成重复性测量引起的不确定度的评定。本发明适用多种动态测量系统的校准，例如：温度传感器、压电式压力传感器等；由于篇幅有限，本申请仅采用电子雷达测速系统、标准测速区截装置及落锤的动态压力测量系统对本发明进行实例验证。

Claims (1)

1.一种动态测量系统的比对式校准方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)利用标准传感器与被校传感器进行比对校准测试：将标准传感器与被校传感器安装在一起，使其能够同时测量同一物理量；

(2)进行多次校准试验，分别得到标准传感器的测量值x_ij，被校传感器测量值y_i，其中i为校准的次数，j为标准传感器的编号；

(3)计算单次校准时标准传感器测量的均值及多次校准的标准传感器测量的均值

其中，m为标准传感器的数量，n为校准试验的次数；

(4)利用单次校准时标准传感器测量的均值减去多次校准的标准传感器测量的均值

(5)对标准传感器以及被校传感器的测量值进行修正

即将所有的校准实验数据修正到同一个标准动态源激励下的数据，可近似看成同一激励下的多次重复性测量；

(6)按照等精度重复测量时数据处理方法对被校传感器的重复性引起的标准不确定度进行评估

标准传感器的均值的标准偏差用下式进行评定：

                                     (6) 

标准传感器均值的相对标准不确定度用下式评定：

被校传感器的单次校准相对偏差采用下式计算：

被校传感器校准的均值相对偏差采用下式计算：

被校传感器的重复性测量引起的均值的不确定度采用下式计算：

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