转速溯源过程实录

一、引子

目前转速溯源，一般由当下最高等级的转速标准发生装置，检定或校准相对低等级的转速测量仪，再由相应等级的转速测量仪，检定或校准较低等级的转速标准装置。

当更高等级转速标准装置出现时，由什么仪器来检定或校准？这个问题被反复讨论了很多年。常被冠以类同＂鸡生蛋还是蛋生鸡＂命题。如果不解决这个问题，于该项目的创新和提高，无疑是十分不利的。

其实，每当有新的更高等级转速标准装置出现时，这个问题的困扰总会再次浮现。

转速测量从物理定义到技术实施，向来都是与频率同源的。事实上转速测量仪，是转速传感器与频率计结合的产物。而转速标准装置的核心技术也少不了高精度频率源。但是，转速在溯源上，却又不能简单地归结到频率上去，因为转速到频率，还需要转速传感器来转换。

校准或检定当下最高等级的装置，所采用的转速测量仪，经常被误以为无正当溯源。事实上，最高等级的转速测量仪，是有溯源的。它的溯源源头，可以是与高等级转速源伴生的转速模拟器。

高精度转速模拟器，能够模拟光电、霍尔或电火花等类型的转速信号，这个信号能够被高精度转速测量仪，所匹配的激光（或光电）、霍尔或汽油发动机（电火花）等类型转速传感器感应，进而能够在高精度转速测量仪上，复现高精度的转速。

当下最高等级的高精度转速测量仪，存在的意义主要在于，它能够检测、校准和检定当下最高等级的高精度转速源，而不是高精度转速模拟器。高精度转速模拟器存在的意义，却在于校准检定当下最高等级的高精度转速测量仪，阶段性地解开“鸡生蛋蛋生鸡”的死结。

一般情况下，高精度转速模拟器，能够将高精度频率极小失真地转化为相应转速传感器能够感知的光、磁或电信号。以转速测量仪能够复现的等级，来检定转速测量仪的极限等级。再用该转速测量仪来检定高等级转速标准装置。

我们不妨用高精度转速模拟器、高精度转速频率测量仪、和宽范围高精度转速发生装置，组成一个试验体系，进行一次全方位的试验。通过试验过程的呈现，来说明转速溯源中一系列问题的解决途径。

选用一套高精度转速频率测量仪（LR-01或SRM-06N ），来检定高精度转速标准装置。高精度转速频率测量仪的标称值数字输入有效位数为8位。

LR-01转速频率测量仪

   
    转速标准装置选用上海擎科仪表电子有限公司和中国计量科学研究院联合研制的，SMU-22 宽范围高精度转速发生装置。检测结果：其最优区间的转速扩展不确定度优于5*10^-6，（k=3），覆盖转速范围：（0.1-100000）r/min。数字输入有效位数为7位。

当有一套光电转速模拟器，来模拟这一范围的高精度转速发生装置，发出类似转速源上反光纸的光信号，让激光传感器感应，传输给LR-01（或SRM-06N）高精度转速频率测量仪。复现的扩展不确定度优于1*10^-6，（k=3），范围在（0.1-100000）r/min。数字输入有效位数不低于7位。

有了这样的转速测量仪，可以检测、校准或检定的转速标准装置，扩展不确定度可以达到2*10^-6（k=3）。

这种模拟器还可以连接电磁脉冲发生器，以汽油发动机（电火花）转速传感器替代激光测速传感器，以不同的传感方式验证其结果，在（0.1-100000）r/min范围内，仍然优于1*10^-6，（k=3）。数字输入有效位数不低于7位。

高精度转速模拟器的设计制造，比起高精度转速标准装置要容易得多。这对于检定转速测量仪的精度等级，无疑有着符合实际的意义。

标准转速装置的溯源源头，应该是高等级的转速测量仪，而某一阶段的最高等级的转速测量仪的溯源源头，应该是高等级的转速模拟器，而非更高等级的标准转速装置。高等级的转速模拟器，由频率计检测其核心频率和连续发生的有效频率，并且，由高等级转速测量仪复现其模拟转速。这里的频率无疑就是“它山之石”，正所谓它山之石可攻玉。

溯源关系图

从上述溯源关系图上，我们不难看出，“更高等级的转速测量仪”在溯源上，既要接受转速模拟器的检验，也要接受高等级的标准转速装置的检验，既能复现转速模拟器的精度等级，也要复现高等级转速标准装置的精度等级。

同样，转速模拟器的关键频率，要接受频率计的检测校准，也要通过更高等级的转速测量仪复现其精度等级。

如果一套转速测量仪能够接受转速模拟器的检验，却不能复现标准转速装置的等级，我们应该做怎样的判断？

一般来讲，除了这套装置达不到标称等级的可能。还有一种可能，转速测量仪的对环境过于敏感，需要通过调整传感器来纠正。因此，一套符合等级要求的“更高等级的转速测量仪”，一定要接受高等级装置和模拟器的双重考验。甚至要对一般等级的装置也要有检定能力，如有例外，一定要深入探究，确保其稳定可靠，方可作为有效的溯源标准器。

为什么频率源不能直接检测校准检定转速测量仪呢？转速测量仪，不是简单的频率计，它还有一个关键的信号感知转换体，那就是转速传感器，转速模拟器恰是能够将转速传感器融入其中的，一个有效的校准检定工具。

高精度转速信号模拟器与高等级标准转速发生装置，有一个共同的频率源，在被校验过程中表现出不同的精度等级。其误差源也是不同的。 

低速存在的误差，除上表列出之外，不同种类的传感器在感应距离上的差异，也是不可忽视的。针对不同的误差源，采取相应的措施，或操作上的调整，可以得到很好地改善。

二、实验过程描述

1.使用仪器

1)   53210A-频率计

主要用于检测转速模拟器的关键输出频率，以及测量过程中有效输出频率范围和精度等级。同时，也用于检测转速标准装置和转速测量仪的时基频率的基本误差和稳定度。

2)    LR-01（或SRM-06N）高精度转速测量仪

主要用于检测转速模拟器的各模拟点的均值、重复性、准确度和扩展不确定度等。同时，也用于检测宽范围、高精度转速发生装置，在各个可能被关注点的转速，记录、分析和报告其均值、重复性、准确度和扩展不确定度等。

3)   SMU-22宽范围高精度转速发生装置

作为高等级标准转速源，是转速溯源的关键标准器。

SMU-22控制器

SMU-22旋转机械B

SMU-22旋转机械A

4)   SS-01转速模拟器

SS-01转速模拟器，由DDS数字直接调节频率发生器作为主体信号发生器，再通过放大整形分频后，驱动发光LED，模拟激光（或光电）测速传感器，测量转速时感应到的转速信号。

转速测量仪与转速模拟器的发生和测量关系示意图：

激光测速传感器的发光部分，在这一过程中没有被检验。真正的测量转速过程，传感器发出光，旋转体反射光，传感器的受光体感应光。转速模拟器将真实测量中的每转一次反射，变成了模拟每转发一次光。目的是检验转速测量仪的信号接收通道的响应能力，和转速测量仪的测量范围和精度等级。计算机控制和计算机显示记录分析，可以在同一台电脑上，也可以在两台不同的电脑上完成。

2.实验步骤

1)      SS-01转速模拟器校准

本次试验中使用的是光电转速模拟器。光电转速模拟器驱动LED的脉冲信号本身，可以通过53210A-频率计来检测。

以上关键频率扩展不确定度（k=3），稳定度和准确度，均优于5×10^10-7 。
      模拟转速每转发出一个光脉冲，通过LR-01转速测量仪能测量其模拟的转速。SS-01转速模拟器在6000分频条件下，转速模拟器的转速测量扩展不确定度如下：

 SS-01转速模拟器在600分频条件下，转速模拟器的转速测量扩展不确定度如下：

2)     SMU-22宽范围高精度转速发生装置，在（0.1～100000）r/min范围内，通过LR-01转速测量仪进行检测，结果如下：

       针对SMU-22宽量程高精度转速发生装置，最优段的扩展不确定度（k=3）优于5×10^-6，覆盖转速范围：（0.1～100000）r/min范围。数字输入有效位数不低于7位。

3.结论

SMU-22宽量程高精度转速发生装置，溯源上有其源头。作为溯源源头的转速测量仪，除了LR-01转速测量仪，还有不同品牌的测量仪，互为比较互为参照。无论从原理还是方法上，都不是单一的。

LR-01转速测量仪，扩展不确定度优于1×10^-6，有转速模拟器、频率计和高精度转速源共同验证。

在试验过程中，我们还发现：扩展不确定度，往往还不能准确反映转速源的性能，还要综合转速稳定度和准确度，才能比较准确反映转速源的特性。

上面阐述的方法和观点，或有不成熟之处，仅作抛砖引玉。若有不妥当之处，万望业内大家予以批评指正。