非接觸式低速測量儀校準方法的研究及其不確定度評定

吳晶

【摘要】 本文介紹了非接觸式低速測量儀的用途與基本原理，以及非接觸式低速測量儀的校準內容與校準方法，并且對檢測結果的示值誤差進行了不確定度分析與評定，其不確定度主要影響因素包括，被校非接觸低速測量儀示值重復性以及校準用標準器所引入的不確定度分量。

【關鍵詞】 非接觸式低速測量儀;校準方法;示值誤差;不確定度評定

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2019.05.005

Abstract： This paper introduces the purpose，basic principle，the calibration content and method of non-contact low-speed measuring instrument，and analyses the results of the indication error and evaluation of the uncertainty. The main factors affecting the uncertainty include the repeatability of the measuring instrument and the uncertainty component are introduced by the calibration standard.

Key words： non-contact low-speed measuring instrument;calibration method;indication error;evaluation of uncertainty

隨著科技的發展，非接觸式低速測量儀已廣泛地應用于人們的日常生活，如非接觸式電梯速度測量儀、列車及汽車開關門速度測量儀等。非接觸式低速測量儀通常采用激光測距傳感器，通過控制系統采集激光傳感器測量的距離信息及被測物體的運行時間，經過計算后實現對其速度的測量。非接觸式測速與接觸式測速相比，具有省時省力、操作安全、后期維護更容易等優勢。

目前，我國出臺了JJF 1612-2017《非接觸式測距測速儀校準規范》，該規范針對的是以光電式速度傳感器為測量單元，用于測量機動車行駛距離及速度的儀器，該種非接觸式測量儀的測速范圍通常為10～250 km/h。我國尚未出臺有關非接觸式低速測量儀的校準規范。因此，本文對非接觸低速測量儀的校準方法進行了研究，并給出測量結果不確定度的評定和計算方法。

1 校準方法的研究

非接觸式低速測量儀是根據激光測速原理，對被測物體進行兩次有特定時間間隔的激光測距，取得在該時間段內被測物體的移動距離，從而得到該被測物體的移動速度。非接觸式低速測量儀可對自動扶梯速度、轎廂電梯、車輛開關門速度進行測量。

1.1 環境條件

溫度：（20±10） ℃;相對濕度：不大于85%。

1.2 測量標準器及其他設備

卷尺：最大允許誤差：±（0.03+0.03L） mm

多功能脈沖表：U=0.001 s，k=2

1.3 校準方法

根據客戶對校準點的選擇要求，對非接觸低速測量儀的速度進行校準。將兩組光電開關與多功能脈沖表連接，并固定在被測物體兩側，當被測物體從一邊開始移動時，每當到達一組光電開關，多功能脈沖表將收到一組信號，從而得到被測物體在通過兩組光電開關所需要的時間t。用卷尺測量兩組光電開關之間的距離作為行駛距離s，將距離與經過時間作比值，計算得到被測物體的運行速度。另一方面，將非接觸低速測量儀的激光束對準被測物體，同時測量其速度值。

2 示值誤差的不確定度分析與評定

2.1 測量方法

依據非接觸低速測量儀校準方法進行測量。

2.2 數學模型

2.3 合成方差和靈敏系數

2.4 不確定度來源分析

2.4.1 距離測量值的不確定度[u（s）]評定

距離測量值的不確定度包括距離重復性帶來的不確定度[u1（s）]與上級標準裝置帶來的距離不確定度[u2（s）]。

這里用A類評定方法——極差法評定不確定度，方法是用卷尺測量兩組光電開關間的距離，作3次距離測量，測量數據如下1.27 m，1.28 m，1.27 m，得單次實驗標準差s為：

另外，測量距離所用卷尺的相對示值誤差為0.1%，為均勻分布，包含因子[k=3]，對應測量點1.27 m，區間半寬度為0.00127 m，用B類方法進行評定，計算式[u2（s）]為：

2.4.2 運行時間的不確定度[u（t）]評定

時間測量不確定度包括運行時間重復性帶來的不確定度[u1（t）]以及由上級標準裝置帶來的時間不確定度[u2（t）]。

這里用A類評定方法——極差法評定不確定度，方法是用多功能脈沖表的測時功能，作3次距離測量，測量數據如下2.450 s、2.446 s、2.447 s，得單次實驗標準差s為：

由上級證書可知，多功能脈沖表的不確定度[U=0.001 s]，包含因子[k=2]，則：

2.4.3 非接觸低速測量儀重復性引入的不確定度[u（v）]評定。

這里用A類評定方法——極差法評定不確定度，方法是非接觸低速測量儀的測速功能測量被測物體的運行速度，測量3次數據如下所示，0.508 m/s、0.509 m/s、0.507 m/s，得單次實驗標準差s為：

2.5 標準不確定度匯總表（見表1）

2.6 合成標準不確定度的評定

以上各項標準不確定度分量合成標準不確定度為：

2.7 擴展標準不確定度的評定

因主要分量中可視為正態分布，因此P=95%時，可取包含因子[k=2]，則：[U=kuc=0.003 m/s]。

3 結語

本文介紹了非接觸式低速測量儀的原理及用途，并給出了測量儀的校準方法及不確定度分析與評定。合理的校準方法將更有效的對非接觸式低速測量儀進行溯源，從而保證其量值的準確性。

【參考文獻】

[1] 非接觸式測距測速儀校準規范：JJF 1612-2017[S].

[2] 測量不確定度評定與表示：JJF 1059.1-2012[S].

[3] 倪育才.實用測量不確定度評定（第5版）[M].北京：中國質檢出版社，2016.