力传感器校准标准 ISO 376:提高可靠性和不确定性

您是否知道,当您按照ISO 376要求进行校准时,传感器会发生什么,以及校准证书上数值的具体涵义?如果是这样,您可以在本白皮书中找到参考力测量最受欢迎标准的简短摘要。

校准意味着什么?

校准通常被描述为被测传感器测量结果与校准标准的比较。这意味着,在加载一定力时,了解力传感器的输出信号,以及在该力阶跃下传感器的不确定性。

对于力传感器,有两种校准方法:

  • 用砝码加载力传感器
  • 使用液压执行器加载,并使用高精度力传感器测量实际产生的力

为什么订购校准服务非常重要

校准可确保力传感器正常工作,还可阐明单个力传感器的特性。因此,您可以信任使用校准传感器测量的结果。此外,校准有助于更好地计算测量不确定度,因为在大多数情况下,力传感器校准证书上的特征比数据表比技术参数表的描述更精确。

在参考力传感器(力传递标准)领域,DIN EN ISO 376是全球公认的标准。它适用于主传感器以及许多工业应用。虽然它比工作标准或 DKD-R 3-3 校准更复杂,但它也更精确。

此处给出的总结不能替代完整的ISO 376标准,但它将帮助您了解,如果您将力传感器发送到HBM校准实验室进行ISO 376校准会发生什么情况。

ISO 376 标准定义了什么?

  • 测试程序(预加载和加载步级)
  • 根据校准过程中记录的原始数据计算的特征值(额定输出、滞后、重复性等)及其计算方法
  • 每个荷载阶跃(以及两者之间的力),在不同情况下(增大或增大和减小力)下力传感器的不确定性
  • 每个荷载阶跃和量程下力传感器的等级

测试程序

预加载

每次ISO 376校准都需要对传感器预加载三次,每次都会以最大校准力施加预加载。

在载荷阶跃(R1和R2)中,测量两次增加载荷

在测试程序的下一阶段中,传感器的负载将达到最大校准力,并分八到十步增加负载。卸载后,在不变的安装位置重复相同的步骤。换言之,称重传感器在校准机内保持不变,并再次重复相同的加载步骤。

在不同安装位置测量(R3–R6)

完成后,拆下传感器,旋转120°并重新安装在校准机中。使用最大校准力预加载后,前一阶段的加载步骤再次重复施加到传感器上,直至达到最大校准力,然后以相同的间隔卸载。请注意,减小力时使用的载荷阶跃与增大力的载荷阶跃相同。这与测试程序的前两个阶段不同,在这两个阶段中,传感器从最大校准力卸载到零。

第二次拆卸传感器后,再次将其旋转120°,并完全预加载至最大校准力。然后,使用上述测试前一部分相同加载步骤再次加载和卸载。

蠕变测量

再次卸载传感器后,程序的最后一步是蠕变测量。

完整程序 – 一步步

所有校准证书详细显示了每个测量行(R1–R6)的结果:

  • R1首次运行:增加力
  • R2第二次运行:增加力,无旋转

→ 旋转 120°

  • R3 第三次运行: 增加力
  • R4 第三次运行: 从 R3,的最高负载开始减小力

→ 旋转 120° 

  • R5 第四次运行: 增加力
  • R6 第四次运行: 从 R5,的最高负载开始减小力

→ 蠕变测量

结果:特征值

为了能够比较不同的力传感器并将其分配到适当的精度等级,必须确定和评估每个传感器和每个载荷阶跃的特征值。根据上述测试程序计算以下参数:

  • 重复性:安装位置不变时输出信号的差异

  • 再现性:描述不同安装位置相同负载步级下输出信号的差异

  • 插值误差:插值误差表示传感器的真实特性曲线与拟合曲线之间的差异

  • 可逆性/滞后:描述在某一负载阶跃下增加和减少负载之间的输出信号差异

  • 蠕变误差:表示恒定负载下输出信号的变化

  • 零点误差:表示加载/卸载循环前后零点的偏差

 

除零点误差外,所有特性都是相对于每个单独的负载步级计算的,这意味着相对于实际值。事实上,校准的结果永远不会比使用的校准机更精确。因此,校准机的不确定度是需要考虑的一个重要问题。

  • 扩展不确定度:该误差与力传感器无关,但与使用的校准机有关

 

查看 HBM 力测量词汇表 了解所述特性的更多信息。

测量不确定度和分类

根据 DIN EN ISO 376 校准的每个传感器都会产生一份校准证书,该证书评估传感器的特征值,并提供所用的校准机、包括其可追溯性和不确定性以及校准过程中的环境条件信息。在证书上,您可以找到四种不同使用情况下,力传感器在每个负载步级的不确定度:

 

  • 情况 A: 仅用于增加力,且力等于校准负载阶跃力时

  • 情况 C: 仅用于增加力,但可用于校准范围内的任何力

  • 情况 B: 用于增加和减小力,但力等于校准负载阶跃力时

  • 情况 D: 用于增加和减小力,但可用于校准范围内的任何力

 

在计算测量不确定度时,这四种情况包括不同的特征值。例如,情况A不考虑插值误差和可逆性,但情况D考虑。

不确定度作为“扩展不确定度”给出,这意味着它是针对覆盖系数k=2给出的。这意味着95%的测试将在这个不确定性范围内。

以下是情况的完整分类,考虑了哪些测量误差。

此外,您将发现每个加载步级和每个情况的分类,其中00是最佳类别,2是最差类别。例如,传感器满足00级标称力40%-100%的要求,但仅满足0.5级标称力10%-299999%的要求。

如果与校准一起订购,HBM保证传感器的精度等级。您可以在下表中找到符合ISO 376的测量范围和精度等级。

传感器等级测量范围
C150010% – 100%
U150.510% – 100%
Z4A0020% – 100%
Z30a0020% – 100%
C180.520% – 100%
C50040% – 100% (20% - 100%)

图4 – HBM 传感器及其测量范围

在HBM,根据ISO 376的精度等级与传感器的测量范围相关。

为了满足对传感器精度的更高要求,HBM top 级力传感器比00级ISO 376要求的传感器具有更好的技术特性。

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