力值加载校准系统的不确定度计算方法研究

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【摘要】力值加载校准系统是一种被设计用于校准飞机液压系统地面测试设备的装置。为了保证通过飞机液压系统地面测试设备所得到的测试数据精确、可靠，力值加载校准系统在被使用前和使用过一段时间后，都需要进行性能分析和测试。通过介绍力值加载校准系统的原理及运用，分析了力值加载校准系统在检定过程中产生的各误差分量，计算了测试结果的不确定度，为力值加载校准系统的测试和不确定度评定提供了具体的方法。

【关键词】力值加载校准系统；误差；不确定度

1.引言

力值加载校准系统是一种被设计用于校准飞机液压系统地面测试设备的装置，保证飞机液压系统地面测试设备所得到的测试数据精确、可靠，提高飞机液压系统地面测试设备的测试性能。力值加载校准系统在被使用前和使用过一段时间后，都需要进行性能分析和测试，而测试结果的不确定度是对测试结果好坏的评定，直接决定着该力值加载校准系统输出力值的精度能否达到校准飞机液压系统地面测试设备的技术指标，是否满足飞机液压系统地面测试设备对校准方法和校准装置的要求[1]。本文通过介绍力值加载校准系统的原理及运用，依据评定力值加载校准系统的各项技术指标和技术特性，阐述了力值加载校准系统在检定过程中产生的各分量对测量结果的影响，通过具体实例计算了力值加载校准系统测试结果的不确定度。

2.力值加载校准系统的工作原理

力值加载校准系统用于输出标准力值到飞机液压系统地面测试设备，检测飞机液压系统地面测试设备所得到的测试结果与标准力值的偏差，通过计算相对误差和不确定度实现对飞机液压系统地面测试设备的校准。

力值加载校准系统主要由高精度力传感器、驱动电机及驱动器、精密丝杠传动系统、控制及信息处理单元等部件组成，力值加载校准系统的组成如图1所示。该系统由伺服电机驱动传动机构产生输出力值，由串联在输出端的高精度力值传感器将测量值反馈至控制信息处理单元，根据输出力值的测量结果对输出量进行控制。

3.力值加载校准系统测试的不确定度评定

3.1 影响力值加载校准系统精度的主要因素

力值加载校准系统要求可输出符合精度要求的力值，系统的输入参量是一个设定的常值，要求被控量也是一个常值。根据输出值与设定参量的偏差，控制系统产生控制作用，使输出值达到设定参量，属于恒值控制系统。因此输出精度是由测量系统的测量精度和驱动传动系统的影响量共同作用的。而驱动及传动系统并不会直接影响到加载系统输出量的精度，只会对加载系统的稳定性和快速性产生影响。

力值加载校准系统的输出控制采用闭环控制系统通过在输出端安装的测量装置，把测量信号反馈到输入端，与输入的设定值进行比较，实现对输出的反馈控制，因此，力值加载校准系统的输出误差主要取决于测量装置的误差，以及由于测量装置安装调整过程等带来的误差。

3.2 力值加载校准系统测试方法

通过分析，影响力值加载校准系统精度的主要内素是其测量装置的误差，因此，对力值加载校准系统的测试主要是对其测量装置进行测试。测试的方法是将力值加载校准系统中的测量装置安装在检定装置上，接通测量装置的电源，稳定30分钟后，记录标准器压力值与测量装置的输出值，通过计算测试结果的不确定度评定力值加载校准系统中测量装置的性能。

3.3 不确定度评定

在对力值加载校准系统中的测量装置的整个测试过程中，引起的误差主要包括力值加载校准系统中测量装置的误差、电源漂移、标准测力仪的误差等。

力值加载校准系统中测量装置的误差主要来源于测力传感器的综合误差，其中包括：输出误差、示值误差、迟滞误差、线性误差、重复性误差和传感器输出信号处理系统（PGA、A/D）等带来的误差。

3.3.1 A类标准不确定度的评定

对力值加载校准系统中的测量装置分200、600、1000、1400、1800、2200、2600、3000八个点进行3次循环测试，测试数据如表1所示。

根据测试数据建立校准方程：

根据校准方程求出各测量点对应的理论值，如表1所示。

从表1中，可以计算出各点的理论值与测试值之差，找出具有正行程最大误差和反行程最大误差的测试点，再对这一测试点重复测试10次。从表1中看出3000点误差最大，因此，在3000点重复测试10次，得到如下数据：3000.5、3000.9、3000.8、3000.6、3000.8、3000.7、3000.3、3000.3、3000.3、3000.5，与理论值的误差为：0.9、0.5、0.5、0.7、0.5、0.7、1.0、1.1、1.0、0.8。以此组数据代表单次测试的标准差，根据A类标准不确定度的计算公式[2]：

3.3.2 B类标准不确定度的评定

①力值加载校准系统中测量装置误差引起的不确定度

力值加载校准系统中测量装置误差主要来源于测力传感器的综合误差，其中包括：输出误差、示值误差、迟滞误差、线性误差、重复性误差，传感器输出信号处理系统（PGA、A/D）等带来的误差。

a.测力传感器的综合误差：。

b.传感器输出信号处理系统选用德州仪器的MSC1210单片机，其嵌入式传感信号调整电路具有输入缓存器、可编程增益放大、偏置数模转换器、增益与偏置校正等功能，其主要误差来源有：程控放大器引起的误差和A/D转换引起的误差。

其中，程控放大器的主要误差包括：失调误差、增益误差、失调温漂、增益漂移。失调和增益误差通过自校准可以得到修正。设失调温漂、增益漂移，并按照环境使用温度范围20℃计算：

②电源漂移引起的不确定度

电源漂移引起的不确定度分量，每小时漂移0.005mV，视为均匀分布：

4.结论

力值加载校准系统是为了保证飞机液压系统地面测试设备所得到的测试数据精确、可靠，而设计的一套校准装置。该装置本身的工作性能直接决定着该力值加载校准系统输出力值的精度能否达到校准飞机液压系统地面测试设备的技术指标，是否满足飞机液压系统地面测试设备对校准方法和校准装置的要求，因此，需要在使用前和使用过一段时间后，对其进行性能进行分析和测试。通过本次对力值加载校准系统的测试和对测试结果的不确定度的计算，为力值加载校准系统提供了具体的测试方法，同时，对测试过程中所引起的各误差分量值进行了分析，最终计算得到了测试结果的不确定度，也为力值加载校准系统的不确定度评定提供了具体的方法。

参考文献

[1]程明学，杨雪.飞机液压系统地面测试设备的现状与发展[J].液压与气动，2009，9（9）：33-34.

[2]JJF1059-1999，测量不确度评定与表示[M].北京：计量出版社，2000.

[3]上海市计量测试技术研究院.常用测量不确定度评定方法及应用实例[M].北京：中国计量出版社，2001.

作者简介：朱岩（1965—），男，硕士，高级工程师，主要从事仪表技术及仪器研究。