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材料试验机位移速度校准装置

发布时间:2023年06月29日

根据检定规程要求, 材料试验机需要进行横梁位移和速度的检测, 各计量校准机构通常采用百分表、钢直尺、秒表等机械设备的人工检测方式进行, 这种检测方式测量效率较低、耗时较长, 而且无法避免会引入较大的人为因素和偶然因素, 对测量结果造成较大的影响。

1 装置的结构

材料试验机位移速度校准装置主要应用于材料试验机横梁位移、速度的检测。采用光栅位移传感器、高性能晶振和单片机控制系统, 使用触摸屏操控系统来实现对材料试验机横梁位移和速度的检测。

材料试验机位移速度校准装置是自动测量材料试验机位移和速度的高精度一体化设备, 实现了高精度光栅位移传感器在材料试验机横梁位移和速度测量方面的首次应用, 如图1所示。它设计了时间溯源电路和程序模块, 实现了时间的溯源。主机系统高度集成, 便携式设计, 可实现全自动在线测量。

2 装置的基本原理

材料试验机位移速度校准装置采用高精度光栅位移传感器配接主机系统来测量材料试验机横梁的位移, 并且在主机系统中植入时间模块来对横梁移动的时间进行测量, 利用速度公式, 位移和时间的商值即为材料试验机横梁的移动速度。显示界面如图2所示, 界面设计了3个显示窗口。第1个显示瞬时位移, 可以在检测过程中随时查看横梁移动的位移;第2个显示瞬时速度, 可以在检测的过程中随时查看横梁运行的速度;第3个显示平均速度, 可以记录横梁在一段时间内的平均速度。在显示界面上设置“位移清零”、“开始测量”和“结束测量”键, 在测试开始前可以将试验机和显示仪表的位移同时清零, 按下“开始测量”键, 界面上的第一个和第二个窗口则显示瞬时位移和瞬时速度, 运行一段时间后, 按下“结束测量”键, 界面上的第3个窗口则显示显示这一段时间的平均速度。

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图1 材料试验机位移速度校准装置整体图   


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图2 材料试验机位移速度校准装置显示界面  


3 装置测量不确定度评定

3.1 材料试验机位移速度校准装置的校准数据

采用精度较高的激光测长机对其进行校准, 校准数据如表1所示。

  

表1 装置的校准数据 



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3.2 校准装置位移测量的相对不确定度评定

(1) 重复性测量引入的相对不确定度分量u1

重复性测量引入的不确定度分量, 用A类标准不确定度评定, 由于实际测量时测量次数有限 (3次) , 故采用极差法对其进行评定:

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式中:极差系数C, 查表得出为1.69。

根据表1中校准数据, 可计算出各校准点中重复性测量引入的最大相对不确定度分量为0.0068%。

(2) 校准用标准器激光测长机引入的相对不确定度分量u2

激光测长机的最大允许误差为±0.00007%, 采用B类标准不确定度评定, 满足均匀分布, 包含因子, 则:

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(3) 校准过程中材料试验机位移速度校准装置摆放位置引入的相对不确定度分量u3

摆放位置引入的不确定度分量, 主要是由于光栅尺的摆放方向与激光传递的方向有一定的角度导致的。人眼的最小分辨角为1.26′, 人和人之间存在着差异, 但一般不会超过30′, 设测量的长度为l, 则由于存在的这个角度产生的测量误差为l (1-cos0.5) , 相对误差为0.004%, 满足反正弦分布, 包含因子, 则:

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(4) 校准装置位移测量的合成标准相对不确定度u′

考虑3个不确定度分量相互独立, 互不相关, 该装置合成标准相对不确定度为:

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(5) 校准装置位移测量的相对扩展不确定度

取k=2, 则:

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3.3 校准装置速度测量的相对不确定度评定

(1) 通用智能计数器引入的相对不确定度分量u4

通用智能计数器的相对扩展不确定度为0.000002% (k=2) , 采用B类标准不确定度, 满足均匀分布, 故:

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(2) 通用智能计数器和校准装置之间的响应差异引入的相对不确定度分量u5

通用智能计数器与校准装置之间通常会存在一定的响应差异, 这个差异一般不会超过±0.5μs, 通常使用的时间为1m i n, 故这个差异不会超过±0.014%, 满足均匀分布, 故:

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(3) 外界干扰引入的相对不确定度分量u6

外界干扰的影响一般不会超过±0.5μs, 通常使用的时间为1min, 故这个差异不会超过±0.014%, 满足均匀分布, 故:

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(4) 校准装置时间测量的合成标准相对不确定度u′′

考虑3个不确定度分量相互独立, 互不相关, 该装置合成标准相对不确定度为:

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(5) 校准装置时间测量的相对扩展不确定度

取k=2, 则:

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(6) 校准装置速度测量的相对扩展不确定度

根据速度公式 () , 位移和时间引入的不确定度相互不相关, 按照不确定度传播率, 可得速度测量的相对不确定度u为:

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取k=2, 则校准装置速度测量的相对扩展不确定度为:

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4 合理性验证

按照材料试验机检定规程要求, 最高精度的材料试验机对位移和速度的技术要求分别为±0.5%和±0.5%。根据上述计算可知, 该装置位移的测量不确定度为0.015%, 速度的测量不确定度为0.03%, 远小于材料试验机位移速度技术指标要求的三分之一。按照量值传递的规则, 该材料试验机位移速度校准装置可以进行材料试验机位移和速度的校准工作。

5 装置的创新点

(1) 采用高精度位移传感器―光栅线位移传感器来实现对材料试验机横梁位移的测量, 测量精度大大提高。它在材料试验机的检定、校准领域尚属首次应用, 使材料试验机位移的测量水平大大提高, 准确度达到了千分之一以内。

(2) 材料试验机横梁位移的传统测量方式使用百分表、钢直尺手动测量, 干扰因素多, 测量误差较大, 而且检测过程中可能出现磁力座滑动、脱落, 致使测量失败, 甚至是百分表摔坏等问题。本装置实现了自动在线测量, 直接生成测量结果, 最终生成记录, 无需人工接触测量过程, 避免了诸多影响因素干扰, 提高了测量准确度和可靠性, 节省了大量测量时间提高了工作效率。

(3) 材料试验机横梁速度的传统测量方式使用秒表手动测量, 人为因素影响严重, 误差较大, 本装置利用高精度晶振为时间源, 大大提高了测量准确度, 且设计了时间溯源电路和程序, 实现了时间测量的溯源, 软件上也作了相应优化, 确保了时间测量的准确性。

6 结束语

本装置将光栅位移传感器成功应用于材料试验机位移和速度的校准领域, 取代了以往依靠百分表、钢直尺、秒表等简单机械测量工具的人工手动校准方法, 使材料试验机位移和速度的测量准确度上了一个新台阶, 大大提高了材料试验机位移和速度的检测水平, 为试验机检定、校准行业的发展作出了贡献, 填补了这一专业领域无自动化精准检测设备的空白。