动态校准在计量校准工作中的应用

动态校准在计量校准工作中的应用

卢雪娇 

贵州航天计量测试技术研究所 贵州 贵阳 550009

摘要：计量校准是确保测量结果准确可靠的重要环节。传统的静态校准方法在满足某些需求的同时，无法完全反映实际工作环境中的动态特性，但随着科技的不断发展，动态校准逐渐引起了人们的关注。本文将探讨动态计量在计量校准工作中的应用，包括原理、方法和优势等方面，旨在为读者提供关于动态校准的全面认识。

关键词：动态计量技术； 动态校准；校准方法；传感器；发展方向

引言

计量校准是保证仪表测量结果准确性和可靠性的关键步骤。传统的静态计量校准方法基于平衡状态下的测量，无法完全反映实际应用中的动态特性。动态校准的出现填补了这一空白，为校准工作带来了新的方法和工具。

1.动态计量技术和动态校准

1.1动态计量技术的基本原理

动态计量技术基于时间序列数据的采集和分析，其核心原理包括采样频率、信号处理和模型建立等。首先，采样频率的选择对于捕捉系统动态特征至关重要，需要根据系统的特点和研究目的进行合理选择。其次，信号处理包括滤波、傅里叶变换和小波分析等方法，用于提取和分析时间序列中的信息。最后，模型建立是动态计量技术的重要组成部分，它涉及参数估计、状态空间模型和动态因果关系的建立等。

1.2动态校准概述

动态校准是一种通过模拟或实时测试测量系统的动态响应，以获得更全面和准确的测量结果的方法。动态特性分析：动态计量校准通过分析测量系统在动态条件下的响应特性，了解系统的传递函数、时滞和非线性等因素对测量结果的影响。动态信号生成：动态计量校准需要产生具有预定动态特性的测试信号，以模拟实际工作环境中的动态变化。

2.动态校准的方法

动态校准的方法主要包括：1、步进响应法：该方法通过施加阶跃输入信号，观察测量系统的响应，并分析响应曲线来评估系统的动态性能；2、频率响应法：该方法基于对测量系统在不同频率下的响应进行分析，通过计算传递函数和频率特性来评估系统的准确性和稳定性；3、模拟仿真方法：该方法使用数学模型和计算机仿真技术，模拟实际工作环境中的动态变化，评估测量系统的性能。

3.动态校准的优势

动态校准相较于其他校准方法优势枚不胜举，主要包括：1、更准确的测量结果：动态校准能够全面考虑测量系统的动态特性，提供更准确的测量结果，尤其在高频、快速响应的场景下更为明显；2、更广泛的应用领域：动态校准适用于许多领域，如航空航天、汽车工业、机械制造等，其中对动态性能要求较高的领域尤为重要；3、更全面的评估指标：动态校准能够提供更多的评估指标，如系统的频率响应、稳定性、动态误差等，帮助用户更好地了解和控制测量系统的性能。

4.动态校准的应用

汽车工业：汽车动力系统需要快速响应和高精度的测量，动态校准可以提供更精确的测量结果，从而优化车辆性能。例如，在发动机控制系统中，需要对传感器进行动态校准，以确保精确测量引擎的参数，如氧气传感器、油压传感器和节气门位置传感器等，这有助于提高发动机的性能和燃油效率[1, 2]。曹进等研发出一种扭矩转速动态测试校准装置，对车用发动机动态工况下扭矩测量进行动态校准，以及转速的校准和功率的校准，并完成了相对应的不确定度的分析。该设备可用于应变式扭矩高精度传感器的测量、信号采集、力学量值传递及校准,可广泛应用于装备制造、国防军工、航空航天以及计量标准实验室,特别在电磁兼容性要求较高的生产车间环境中也能保证其测量准确度[3]。测量仪器领域：动态校准在各类测量仪器的校准中具有广泛应用，如时间测量仪、温度计、压力传感器、振动传感器等[4]。俞东松等采用了自校准技术的时间间隔测量仪能实时探测外部环境因素及系统老化等对测量精度的影响,在环境因素变化时能够实时生成校准数据用于校准。相关实验表明,该技术能将环境变化及系统老化等因素对测量系统的影响降低到10ps量级,为高精度时间间隔测量仪的设计提供技术支撑[5]。孙苗等验证了一种新的动态校准法修正分布式光纤温度传感(distributed temperature sensor, DTS)系统进行温度测量时的斯托克斯光信号,可有效减小斯托克斯光导致的测温误差,提高系统的测温准确度[6]。航空航天工业：航空航天领域对动态校准的需求非常高。例如，在飞行器的导航系统中，动态校准可用于提高姿态传感器和加速度计的精确性和稳定性，这有助于保持飞行器的稳定性和导航精度[7, 8]。张炳毅等基于空间移动的标准点声源设计,建立声源定位系统动态校准装置，为车辆通过噪声源定位、飞行器飞行中噪声源定位的实验室动态校准提供了计量技术支撑[9]。王木华等在静态校准的基础上提出一种小角度最小二乘迭代法,实现多旋翼无人机的磁力计动态实时校准.对于电机磁场以及环境磁场的干扰,连续采用最小二乘在小角度下拟合弧线并解算出球心,反复更新球心坐标,实现偏差修正,使多旋翼无人机在空中飞行时能够实时校准磁力计,进一步改善磁力计误差补偿问题

[10]。建筑业：李明等设计研制了一套建筑材料不燃性试验炉动态校准装置。装置采用热电偶高温检测和温度补偿技术对试验炉的温度进行动态检测，利用伺服电机和滑动平台实现传感器在高温炉内自动定位，利用LabVIEW处理校准数据并通过触摸显示屏输出校准结果。研制的校准装置经检测，性能达到设计要求，试验炉的各参数校准的验证结果均在标准规定的范围内，校准不确定度满足量值传递要求[11]。物理学研究：在物理学研究中，动态校准可以用于提高实验装置的测量精度。例如，在粒子加速器实验中，需要对粒子探测器进行动态校准，以确保粒子轨迹的准确测量和物理过程的研究，赵琦等为了对粒径探测器的测量不确定度进行校准,基于衍射原理方法,研制了一套小孔圆盘校准装置对探测器进行动态校准，结果表明,该校准装置效率高、校准方案的可行性好、校准范围大、测量离散性好、重复性高[12]。生物医学研究：动态校准在生物医学研究中有广泛的应用。例如，在功能磁共振成像（fMRI）研究中，动态校准可以用于准确测量脑血流和神经活动，以研究大脑功能和疾病诊断。在脑电图（EEG）研究中，动态校准可以提高信号的准确性，有助于揭示大脑活动的动态特性。制造业：在制造过程中，动态校准可用于提高生产设备的性能和产品质量。例如，在自动化生产线中，通过动态校准机器人的位置和力传感器，可以实时监测和控制生产过程，提高产品的精度和一致性。在超声波检测中，动态校准可以提高检测系统的准确性和可靠性，从而提高缺陷检测的效率。环境监测：动态校准在环境监测领域中也具有应用潜力。例如，在空气质量监测中，动态校准可以用于传感器的准确性校准，以确保准确测量空气中的污染物浓度。刘文秀等基于臭氧校准仪49i-PS，开发了动态校准仪臭氧发生器开度自动测试系统，使动态校准仪臭氧发生器、臭氧校准仪、工控机及电磁阀有效连接，根据动态校准仪臭氧发生器开度所对应的目标浓度值，实现环境空气自动监测系统运行与质控中量值传递的自动化[13]。

这些应用示例只是动态校准在不同领域中的一小部分，随着技术的进步和应用的推广，动态校准在更多领域中将发挥重要作用，为各行各业提供更准确、可靠的测量结果。

5.结论与展望

动态校准作为一种新兴的测量方法，正在逐渐受到广泛关注。它能够更全面地评估测量系统的动态性能，并提供更准确的测量结果，已经在工程、科学研究和制造业等领域展示了广泛的应用和优势。通过全面考虑测量系统的动态特性，动态校准能够提供更准确的测量结果，并帮助用户更好地了解和控制测量系统的性能。随着技术的进一步发展，动态校准将在各个领域得到更广泛的应用，我们需要研究和创新，以推动动态校准技术的应用和标准化。

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