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轉(zhuǎn)速溯源過程實錄
一、引子
目前轉(zhuǎn)速溯源，一般由當(dāng)下最高等級的轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生裝置，檢定或校準(zhǔn)相對低等級的轉(zhuǎn)速測量儀，再由相應(yīng)等級的轉(zhuǎn)速測量儀，檢定或校準(zhǔn)較低等級的轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置。
當(dāng)更高等級轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置出現(xiàn)時，由什么儀器來檢定或校準(zhǔn)？這個問題被反復(fù)討論了很多年。常被冠以類同＂雞生蛋還是蛋生雞＂命題。如果不解決這個問題，于該項目的創(chuàng)新和提高，無疑是十分不利的。
其實，每當(dāng)有新的更高等級轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置出現(xiàn)時，這個問題的困擾總會再次浮現(xiàn)。
轉(zhuǎn)速測量從物理定義到技術(shù)實施，向來都是與頻率同源的。事實上轉(zhuǎn)速測量儀，是轉(zhuǎn)速傳感器與頻率計結(jié)合的產(chǎn)物。而轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置的核心技術(shù)也少不了高精度頻率源。但是，轉(zhuǎn)速在溯源上，卻又不能簡單地歸結(jié)到頻率上去，因為轉(zhuǎn)速到頻率，還需要轉(zhuǎn)速傳感器來轉(zhuǎn)換。
校準(zhǔn)或檢定當(dāng)下最高等級的裝置，所采用的轉(zhuǎn)速測量儀，經(jīng)常被誤以為無正當(dāng)溯源。事實上，最高等級的轉(zhuǎn)速測量儀，是有溯源的。它的溯源源頭，可以是與高等級轉(zhuǎn)速源伴生的轉(zhuǎn)速模擬器。
高精度轉(zhuǎn)速模擬器，能夠模擬光電、霍爾或電火花等類型的轉(zhuǎn)速信號，這個信號能夠被高精度轉(zhuǎn)速測量儀，所匹配的激光（或光電）、霍爾或汽油發(fā)動機（電火花）等類型轉(zhuǎn)速傳感器感應(yīng)，進(jìn)而能夠在高精度轉(zhuǎn)速測量儀上，復(fù)現(xiàn)高精度的轉(zhuǎn)速。
當(dāng)下最高等級的高精度轉(zhuǎn)速測量儀，存在的意義主要在于，它能夠檢測、校準(zhǔn)和檢定當(dāng)下最高等級的高精度轉(zhuǎn)速源，而不是高精度轉(zhuǎn)速模擬器。高精度轉(zhuǎn)速模擬器存在的意義，卻在于校準(zhǔn)檢定當(dāng)下最高等級的高精度轉(zhuǎn)速測量儀，階段性地解開“雞生蛋蛋生雞”的死結(jié)。
一般情況下，高精度轉(zhuǎn)速模擬器，能夠?qū)⒏呔阮l率極小失真地轉(zhuǎn)化為相應(yīng)轉(zhuǎn)速傳感器能夠感知的光、磁或電信號。以轉(zhuǎn)速測量儀能夠復(fù)現(xiàn)的等級，來檢定轉(zhuǎn)速測量儀的極限等級。再用該轉(zhuǎn)速測量儀來檢定高等級轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置。
我們不妨用高精度轉(zhuǎn)速模擬器、高精度轉(zhuǎn)速頻率測量儀、和寬范圍高精度轉(zhuǎn)速發(fā)生裝置，組成一個試驗體系，進(jìn)行一次全方位的試驗。通過試驗過程的呈現(xiàn)，來說明轉(zhuǎn)速溯源中一系列問題的解決途徑。
選用一套高精度轉(zhuǎn)速頻率測量儀（LR-01或SRM-06N ），來檢定高精度轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置。高精度轉(zhuǎn)速頻率測量儀的標(biāo)稱值數(shù)字輸入有效位數(shù)為8位。
LR-01轉(zhuǎn)速頻率測量儀
轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置選用上海擎科儀表電子有限公司和中國計量科學(xué)研究院聯(lián)合研制的，SMU-22 寬范圍高精度轉(zhuǎn)速發(fā)生裝置。檢測結(jié)果：其最優(yōu)區(qū)間的轉(zhuǎn)速擴展不確定度優(yōu)于5*10^-6，（k=3），覆蓋轉(zhuǎn)速范圍：（0.1-100000）r/min。數(shù)字輸入有效位數(shù)為7位。
當(dāng)有一套光電轉(zhuǎn)速模擬器，來模擬這一范圍的高精度轉(zhuǎn)速發(fā)生裝置，發(fā)出類似轉(zhuǎn)速源上反光紙的光信號，讓激光傳感器感應(yīng)，傳輸給LR-01（或SRM-06N）高精度轉(zhuǎn)速頻率測量儀。復(fù)現(xiàn)的擴展不確定度優(yōu)于1*10^-6，（k=3），范圍在（0.1-100000）r/min。數(shù)字輸入有效位數(shù)不低于7位。
有了這樣的轉(zhuǎn)速測量儀，可以檢測、校準(zhǔn)或檢定的轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置，擴展不確定度可以達(dá)到2*10^-6（k=3）。
這種模擬器還可以連接電磁脈沖發(fā)生器，以汽油發(fā)動機（電火花）轉(zhuǎn)速傳感器替代激光測速傳感器，以不同的傳感方式驗證其結(jié)果，在（0.1-100000）r/min范圍內(nèi)，仍然優(yōu)于1*10^-6，（k=3）。數(shù)字輸入有效位數(shù)不低于7位。
高精度轉(zhuǎn)速模擬器的設(shè)計制造，比起高精度轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置要容易得多。這對于檢定轉(zhuǎn)速測量儀的精度等級，無疑有著符合實際的意義。
標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速裝置的溯源源頭，應(yīng)該是高等級的轉(zhuǎn)速測量儀，而某一階段的最高等級的轉(zhuǎn)速測量儀的溯源源頭，應(yīng)該是高等級的轉(zhuǎn)速模擬器，而非更高等級的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速裝置。高等級的轉(zhuǎn)速模擬器，由頻率計檢測其核心頻率和連續(xù)發(fā)生的有效頻率，并且，由高等級轉(zhuǎn)速測量儀復(fù)現(xiàn)其模擬轉(zhuǎn)速。這里的頻率無疑就是“它山之石”，正所謂它山之石可攻玉。
溯源關(guān)系圖
從上述溯源關(guān)系圖上，我們不難看出，“更高等級的轉(zhuǎn)速測量儀”在溯源上，既要接受轉(zhuǎn)速模擬器的檢驗，也要接受高等級的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速裝置的檢驗，既能復(fù)現(xiàn)轉(zhuǎn)速模擬器的精度等級，也要復(fù)現(xiàn)高等級轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置的精度等級。
同樣，轉(zhuǎn)速模擬器的關(guān)鍵頻率，要接受頻率計的檢測校準(zhǔn)，也要通過更高等級的轉(zhuǎn)速測量儀復(fù)現(xiàn)其精度等級。
如果一套轉(zhuǎn)速測量儀能夠接受轉(zhuǎn)速模擬器的檢驗，卻不能復(fù)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速裝置的等級，我們應(yīng)該做怎樣的判斷？
一般來講，除了這套裝置達(dá)不到標(biāo)稱等級的可能。還有一種可能，轉(zhuǎn)速測量儀的對環(huán)境過于敏感，需要通過調(diào)整傳感器來糾正。因此，一套符合等級要求的“更高等級的轉(zhuǎn)速測量儀”，一定要接受高等級裝置和模擬器的雙重考驗。甚至要對一般等級的裝置也要有檢定能力，如有例外，一定要深入探究，確保其穩(wěn)定可靠，方可作為有效的溯源標(biāo)準(zhǔn)器。
為什么頻率源不能直接檢測校準(zhǔn)檢定轉(zhuǎn)速測量儀呢？轉(zhuǎn)速測量儀，不是簡單的頻率計，它還有一個關(guān)鍵的信號感知轉(zhuǎn)換體，那就是轉(zhuǎn)速傳感器，轉(zhuǎn)速模擬器恰是能夠?qū)⑥D(zhuǎn)速傳感器融入其中的，一個有效的校準(zhǔn)檢定工具。
高精度轉(zhuǎn)速信號模擬器與高等級標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速發(fā)生裝置，有一個共同的頻率源，在被校驗過程中表現(xiàn)出不同的精度等級。其誤差源也是不同的。
序號 | 項目段 | 高精度轉(zhuǎn)速信號模擬器 誤差原因 | 高等級標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速發(fā)生裝置誤差原因 |
1 | 高速： 很小誤差 | 源于時基頻率誤差，一般小于 | 源于時基頻率誤差，一般小于 |
2 | 高速： 較小誤差 | 線路抗干擾處理和信號發(fā)生原理上的欠缺，一般小于 | 源于傳動和調(diào)節(jié)，可能高達(dá) |
3 | 低速： 較小誤差 | 線路抗干擾處理，可能高達(dá) | 調(diào)節(jié)和慣性，可能高達(dá) |
低速存在的誤差，除上表列出之外，不同種類的傳感器在感應(yīng)距離上的差異，也是不可忽視的。針對不同的誤差源，采取相應(yīng)的措施，或操作上的調(diào)整，可以得到很好地改善。
二、實驗過程描述
1.使用儀器
1) 53210A-頻率計
主要用于檢測轉(zhuǎn)速模擬器的關(guān)鍵輸出頻率，以及測量過程中有效輸出頻率范圍和精度等級。同時，也用于檢測轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置和轉(zhuǎn)速測量儀的時基頻率的基本誤差和穩(wěn)定度。
2) LR-01（或SRM-06N）高精度轉(zhuǎn)速測量儀
主要用于檢測轉(zhuǎn)速模擬器的各模擬點的均值、重復(fù)性、準(zhǔn)確度和擴展不確定度等。同時，也用于檢測寬范圍、高精度轉(zhuǎn)速發(fā)生裝置，在各個可能被關(guān)注點的轉(zhuǎn)速，記錄、分析和報告其均值、重復(fù)性、準(zhǔn)確度和擴展不確定度等。
3) SMU-22寬范圍高精度轉(zhuǎn)速發(fā)生裝置
作為高等級標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速源，是轉(zhuǎn)速溯源的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)器。
 SMU-22控制器 |  SMU-22旋轉(zhuǎn)機械B |  SMU-22旋轉(zhuǎn)機械A(chǔ) |
4) SS-01轉(zhuǎn)速模擬器
SS-01轉(zhuǎn)速模擬器，由DDS數(shù)字直接調(diào)節(jié)頻率發(fā)生器作為主體信號發(fā)生器，再通過放大整形分頻后，驅(qū)動發(fā)光LED，模擬激光（或光電）測速傳感器，測量轉(zhuǎn)速時感應(yīng)到的轉(zhuǎn)速信號。
轉(zhuǎn)速測量儀與轉(zhuǎn)速模擬器的發(fā)生和測量關(guān)系示意圖：
激光測速傳感器的發(fā)光部分，在這一過程中沒有被檢驗。真正的測量轉(zhuǎn)速過程，傳感器發(fā)出光，旋轉(zhuǎn)體反射光，傳感器的受光體感應(yīng)光。轉(zhuǎn)速模擬器將真實測量中的每轉(zhuǎn)一次反射，變成了模擬每轉(zhuǎn)發(fā)一次光。目的是檢驗轉(zhuǎn)速測量儀的信號接收通道的響應(yīng)能力，和轉(zhuǎn)速測量儀的測量范圍和精度等級。計算機控制和計算機顯示記錄分析，可以在同一臺電腦上，也可以在兩臺不同的電腦上完成。
2.實驗步驟
1) SS-01轉(zhuǎn)速模擬器校準(zhǔn)
本次試驗中使用的是光電轉(zhuǎn)速模擬器。光電轉(zhuǎn)速模擬器驅(qū)動LED的脈沖信號本身，可以通過53210A-頻率計來檢測。
序號 | 頻率（Hz） | 擴展不確定度（k=3） | 穩(wěn)定度 | 準(zhǔn)確度 |
1 | 10 | |||
2 | 100 | |||
3 | 1000 | |||
4 | 10000 | |||
5 | 100000 | |||
6 | 500000 |
以上關(guān)鍵頻率擴展不確定度（k=3），穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度，均優(yōu)于5×10^10-7 。
模擬轉(zhuǎn)速每轉(zhuǎn)發(fā)出一個光脈沖，通過LR-01轉(zhuǎn)速測量儀能測量其模擬的轉(zhuǎn)速。SS-01轉(zhuǎn)速模擬器在6000分頻條件下，轉(zhuǎn)速模擬器的轉(zhuǎn)速測量擴展不確定度如下：
序號 | 頻率/分頻（Hz） | 模擬轉(zhuǎn)速（r/min） /擴展不確定度（k=3） |
1 | 10/0.0016666667 | 0.1/ 6.5×10^-7 |
2 | 30/0.0050000000 | 0.3/ 5.2×10^-7 |
3 | 50/0.0083333333 | 0.5/ 3.6×10^-7 |
4 | 100/0.0166666667 | 1.0/ 4.5×10^-7 |
5 | 300/0.0500000000 | 3.0/ 4.8×10^-7 |
6 | 500/0.0833333333 | 5.0/ 4.8×10^-7 |
7 | 1000/0.1666666667 | 10.0/ 5.2×10^-7 |
SS-01轉(zhuǎn)速模擬器在600分頻條件下，轉(zhuǎn)速模擬器的轉(zhuǎn)速測量擴展不確定度如下：
序號 | 頻率/分頻（Hz） | 模擬轉(zhuǎn)速（r/min） /擴展不確定度（k=3） |
1 | 10/0.016666667 | 1.0/ 6.5×10^-7 |
2 | 30/0.050000000 | 3.0/ 5.2×10^-7 |
3 | 50/0.083333333 | 5.0/ 3.6×10^-7 |
4 | 100/0.16666667 | 10.0/ 4.5×10^-7 |
5 | 300/0.500000000 | 30.0/ 4.8×10^-7 |
6 | 500/0.8333333333 | 50.0/ 4.8×10^-7 |
7 | 1000/1.666666667 | 100.0/ 5.2×110^-7 |
8 | 3000/5.000000000 | 300.0/3.5×10^-7 |
9 | 5000/8.333333333 | 500.0/4.2×10^-7 |
10 | 10000/16.6666667 | 1000.0/3.0×10^-7 |
11 | 30000/50.0000000 | 3000.0/3.8×10^-7 |
12 | 50000/83.3333333 | 5000.0/4.1×10^-7 |
13 | 100000/166.66667 | 10000.0/3.8×10^-7 |
14 | 200000/333.33333 | 20000.0/3.6×10^-7 |
15 | 300000/500.00000 | 30000.0/3.1×10^-7 |
16 | 400000/666.66667 | 40000.0/3.5×10^-7 |
17 | 500000/833.33333 | 50000.0/2.8×10^-7 |
18 | 600000/1000.0000 | 60000.0/2.5×10^-7 |
19 | 700000/1166.6667 | 70000.0/2.9×10^-7 |
20 | 800000/1333.3333 | 80000.0/3.3×10^-7 |
21 | 900000/1500.0000 | 90000.0/3.1×10^-7 |
22 | 1000000/1666.6667 | 100000.0/3.5×10^-7 |
2) SMU-22寬范圍高精度轉(zhuǎn)速發(fā)生裝置，在（0.1～100000）r/min范圍內(nèi)，通過LR-01轉(zhuǎn)速測量儀進(jìn)行檢測，結(jié)果如下：
序號 | 設(shè)定轉(zhuǎn)速 （r/min） | 重復(fù)性 （r/min） | 擴展不確定度 （k=3） |
1 | 0.10000 | ||
2 | 0.30000 | ||
3 | 0.50000 | ||
4 | 1.00000 | ||
5 | 3.00000 | ||
6 | 5.00000 | ||
7 | 10.00000 | ||
8 | 30.00000 | ||
9 | 50.00000 | ||
10 | 100.0000 | ||
11 | 300.0000 | ||
12 | 500.0000 | ||
13 | 1000.0000 | ||
14 | 3000.0000 | ||
15 | 5000.0000 | ||
16 | 10000.000 | ||
17 | 20000.000 | ||
18 | 30000.000 | ||
19 | 40000.000 | ||
20 | 50000.000 | ||
21 | 60000.000 | ||
22 | 70000.000 | ||
23 | 80000.000 | ||
24 | 90000.000 | ||
25 | 100000.000 |
針對SMU-22寬量程高精度轉(zhuǎn)速發(fā)生裝置，最優(yōu)段的擴展不確定度（k=3）優(yōu)于5×10^-6，覆蓋轉(zhuǎn)速范圍：（0.1～100000）r/min范圍。數(shù)字輸入有效位數(shù)不低于7位。
3.結(jié)論
SMU-22寬量程高精度轉(zhuǎn)速發(fā)生裝置，溯源上有其源頭。作為溯源源頭的轉(zhuǎn)速測量儀，除了LR-01轉(zhuǎn)速測量儀，還有不同品牌的測量儀，互為比較互為參照。無論從原理還是方法上，都不是單一的。
LR-01轉(zhuǎn)速測量儀，擴展不確定度優(yōu)于1×10^-6，有轉(zhuǎn)速模擬器、頻率計和高精度轉(zhuǎn)速源共同驗證。
在試驗過程中，我們還發(fā)現(xiàn)：擴展不確定度，往往還不能準(zhǔn)確反映轉(zhuǎn)速源的性能，還要綜合轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度，才能比較準(zhǔn)確反映轉(zhuǎn)速源的特性。
上面闡述的方法和觀點，或有不成熟之處，僅作拋磚引玉。若有不妥當(dāng)之處，萬望業(yè)內(nèi)大家予以批評指正。
