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轉速溯源過程實錄
一、引子
目前轉速溯源，一般由當下最高等級的轉速標準發(fā)生裝置，檢定或校準相對低等級的轉速測量儀，再由相應等級的轉速測量儀，檢定或校準較低等級的轉速標準裝置。
當更高等級轉速標準裝置出現(xiàn)時，由什么儀器來檢定或校準？這個問題被反復討論了很多年。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，每當有新的更高等級轉速標準裝置出現(xiàn)時，這個問題的困擾總會再次浮現(xiàn)。
轉速測量從物理定義到技術實施，向來都是與頻率同源的。事實上轉速測量儀，是轉速傳感器與頻率計結合的產物。而轉速標準裝置的核心技術也少不了高精度頻率源。但是，轉速在溯源上，卻又不能簡單地歸結到頻率上去，因為轉速到頻率，還需要轉速傳感器來轉換。
校準或檢定當下最高等級的裝置，所采用的轉速測量儀，經(jīng)常被誤以為無正當溯源。事實上，最高等級的轉速測量儀，是有溯源的。它的溯源源頭，可以是與高等級轉速源伴生的轉速模擬器。
高精度轉速模擬器，能夠模擬光電、霍爾或電火花等類型的轉速信號，這個信號能夠被高精度轉速測量儀，所匹配的激光（或光電）、霍爾或汽油發(fā)動機（電火花）等類型轉速傳感器感應，進而能夠在高精度轉速測量儀上，復現(xiàn)高精度的轉速。
當下最高等級的高精度轉速測量儀，存在的意義主要在于，它能夠檢測、校準和檢定當下最高等級的高精度轉速源，而不是高精度轉速模擬器。高精度轉速模擬器存在的意義，卻在于校準檢定當下最高等級的高精度轉速測量儀，階段性地解開“雞生蛋蛋生雞”的死結。
一般情況下，高精度轉速模擬器，能夠將高精度頻率極小失真地轉化為相應轉速傳感器能夠感知的光、磁或電信號。以轉速測量儀能夠復現(xiàn)的等級，來檢定轉速測量儀的極限等級。再用該轉速測量儀來檢定高等級轉速標準裝置。
我們不妨用高精度轉速模擬器、高精度轉速頻率測量儀、和寬范圍高精度轉速發(fā)生裝置，組成一個試驗體系，進行一次全方位的試驗。通過試驗過程的呈現(xiàn)，來說明轉速溯源中一系列問題的解決途徑。
選用一套高精度轉速頻率測量儀（LR-01或SRM-06N ），來檢定高精度轉速標準裝置。高精度轉速頻率測量儀的標稱值數(shù)字輸入有效位數(shù)為8位。
LR-01轉速頻率測量儀
轉速標準裝置選用上海擎科儀表電子有限公司和中國計量科學研究院聯(lián)合研制的，SMU-22 寬范圍高精度轉速發(fā)生裝置。檢測結果：其最優(yōu)區(qū)間的轉速擴展不確定度優(yōu)于5*10^-6，（k=3），覆蓋轉速范圍：（0.1-100000）r/min。數(shù)字輸入有效位數(shù)為7位。
當有一套光電轉速模擬器，來模擬這一范圍的高精度轉速發(fā)生裝置，發(fā)出類似轉速源上反光紙的光信號，讓激光傳感器感應，傳輸給LR-01（或SRM-06N）高精度轉速頻率測量儀。復現(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。
有了這樣的轉速測量儀，可以檢測、校準或檢定的轉速標準裝置，擴展不確定度可以達到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果，在（0.1-100000）r/min范圍內，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。
高精度轉速模擬器的設計制造，比起高精度轉速標準裝置要容易得多。這對于檢定轉速測量儀的精度等級，無疑有著符合實際的意義。
標準轉速裝置的溯源源頭，應該是高等級的轉速測量儀，而某一階段的最高等級的轉速測量儀的溯源源頭，應該是高等級的轉速模擬器，而非更高等級的標準轉速裝置。高等級的轉速模擬器，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，由高等級轉速測量儀復現(xiàn)其模擬轉速。這里的頻率無疑就是“它山之石”，正所謂它山之石可攻玉。
溯源關系圖
從上述溯源關系圖上，我們不難看出，“更高等級的轉速測量儀”在溯源上，既要接受轉速模擬器的檢驗，也要接受高等級的標準轉速裝置的檢驗，既能復現(xiàn)轉速模擬器的精度等級，也要復現(xiàn)高等級轉速標準裝置的精度等級。
同樣，轉速模擬器的關鍵頻率，要接受頻率計的檢測校準，也要通過更高等級的轉速測量儀復現(xiàn)其精度等級。
如果一套轉速測量儀能夠接受轉速模擬器的檢驗，卻不能復現(xiàn)標準轉速裝置的等級，我們應該做怎樣的判斷？
一般來講，除了這套裝置達不到標稱等級的可能。還有一種可能，轉速測量儀的對環(huán)境過于敏感，需要通過調整傳感器來糾正。因此，一套符合等級要求的“更高等級的轉速測量儀”，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準器。
為什么頻率源不能直接檢測校準檢定轉速測量儀呢？轉速測量儀，不是簡單的頻率計，它還有一個關鍵的信號感知轉換體，那就是轉速傳感器，轉速模擬器恰是能夠將轉速傳感器融入其中的，一個有效的校準檢定工具。
高精度轉速信號模擬器與高等級標準轉速發(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 | 高精度轉速信號模擬器 誤差原因 | 高等級標準轉速發(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 | 源于傳動和調節(jié)，可能高達 |
3 | 低速： 較小誤差 | 線路抗干擾處理，可能高達 | 調節(jié)和慣性，可能高達 |
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，采取相應的措施，或操作上的調整，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
主要用于檢測轉速模擬器的關鍵輸出頻率，以及測量過程中有效輸出頻率范圍和精度等級。同時，也用于檢測轉速標準裝置和轉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）高精度轉速測量儀
主要用于檢測轉速模擬器的各模擬點的均值、重復性、準確度和擴展不確定度等。同時，也用于檢測寬范圍、高精度轉速發(fā)生裝置，在各個可能被關注點的轉速，記錄、分析和報告其均值、重復性、準確度和擴展不確定度等。
3) SMU-22寬范圍高精度轉速發(fā)生裝置
作為高等級標準轉速源，是轉速溯源的關鍵標準器。
 SMU-22控制器 |  SMU-22旋轉機械B |  SMU-22旋轉機械A |
4) SS-01轉速模擬器
SS-01轉速模擬器，由DDS數(shù)字直接調節(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，驅動發(fā)光LED，模擬激光（或光電）測速傳感器，測量轉速時感應到的轉速信號。
轉速測量儀與轉速模擬器的發(fā)生和測量關系示意圖：
激光測速傳感器的發(fā)光部分，在這一過程中沒有被檢驗。真正的測量轉速過程，傳感器發(fā)出光，旋轉體反射光，傳感器的受光體感應光。轉速模擬器將真實測量中的每轉一次反射，變成了模擬每轉發(fā)一次光。目的是檢驗轉速測量儀的信號接收通道的響應能力，和轉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轉速模擬器校準
本次試驗中使用的是光電轉速模擬器。光電轉速模擬器驅動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 | 準確度 |
1 | 10 | |||
2 | 100 | |||
3 | 1000 | |||
4 | 10000 | |||
5 | 100000 | |||
6 | 500000 |
以上關鍵頻率擴展不確定度（k=3），穩(wěn)定度和準確度，均優(yōu)于5×10^10-7 。
模擬轉速每轉發(fā)出一個光脈沖，通過LR-01轉速測量儀能測量其模擬的轉速。SS-01轉速模擬器在6000分頻條件下，轉速模擬器的轉速測量擴展不確定度如下：
序號 | 頻率/分頻（Hz） | 模擬轉速（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轉速模擬器在600分頻條件下，轉速模擬器的轉速測量擴展不確定度如下：
序號 | 頻率/分頻（Hz） | 模擬轉速（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寬范圍高精度轉速發(fā)生裝置，在（0.1～100000）r/min范圍內，通過LR-01轉速測量儀進行檢測，結果如下：
序號 | 設定轉速 （r/min） | 重復性 （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.結論
SMU-22寬量程高精度轉速發(fā)生裝置，溯源上有其源頭。作為溯源源頭的轉速測量儀，除了LR-01轉速測量儀，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轉速測量儀，擴展不確定度優(yōu)于1×10^-6，有轉速模擬器、頻率計和高精度轉速源共同驗證。
在試驗過程中，我們還發(fā)現(xiàn)：擴展不確定度，往往還不能準確反映轉速源的性能，還要綜合轉速穩(wěn)定度和準確度，才能比較準確反映轉速源的特性。
上面闡述的方法和觀點，或有不成熟之處，僅作拋磚引玉。若有不妥當之處，萬望業(yè)內大家予以批評指正。
