基于光電轉(zhuǎn)換電路的檢定系統(tǒng)在秒表檢定儀檢定中的應(yīng)用

肖娜麗

(福建省計量科學研究院，福建福州　350003)

0　引言

秒表檢定儀是一種用來檢定電子秒表、機械秒表的專用標準設(shè)備[1]。它采用單片機作為控制核心，采用恒溫石英晶體振蕩器作為時基信號源，主要由時基分頻電路、顯示電路、輸出電路、電源、鍵盤及帶機械觸頭的夾具組成，整機具有較高的穩(wěn)定度和準確度。按照JJG601—2003《時間檢定儀》檢定規(guī)程要求，秒表檢定儀需要檢定其內(nèi)部晶振和夾具2次動作的時間間隔[2]。

由于缺乏專門儀器檢定秒表檢定儀含夾具情況下的時間間隔，許多計量單位采用不接夾具直接測量的方法來完成該項目的檢定。這種檢定方法不嚴謹，對于秒表檢定儀而言，夾具所附帶的誤差不可忽略。本文提出一種光電轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計方法，解決了秒表檢定儀機械觸頭二次動作的時間間隔的高準確度測量問題。

1　秒表檢定儀的工作原理

秒表檢定儀使用時先將電子秒表在夾具上夾好，調(diào)整好夾具上機械觸頭與電子秒表按鈕之間的距離。由鍵盤輸入所需檢定的時間間隔，然后按下啟動鍵盤，夾具的機械觸頭打擊一次電子秒表的按鈕，電子秒表開始走時，同時秒表檢定儀顯示屏上輸入的檢定時間間隔開始倒計時。倒計時結(jié)束時，機械觸頭會再次打擊電子秒表的按鈕，電子秒表停止，一次檢定結(jié)束。

秒表檢定儀本機的誤差來自2個方面：一是恒溫石英晶體振蕩器的頻率準確度；二是帶動夾具上機械觸動動作時電磁鐵的延遲動作。恒溫石英晶體振蕩器的頻率準確度要求在±5×10-7以上，夾具機械觸頭動作延遲要求不能超過±3 ms．因此秒表檢定儀的最大允許誤差為：

±(T0×恒溫石英晶體振蕩器頻率準確度+3 ms)

式中T0為檢定時所設(shè)置的時間間隔[4]。

其中，秒表檢定儀頻率準確度的檢定可參照JJG180—2002《電子測量儀器內(nèi)石英晶體振蕩器》檢定規(guī)程中的檢定方法[2]。而時間間隔的檢定則需要先將機械觸頭二次動作的行為轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏俊?/p>

2　傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換電路存在的問題

2．1機電轉(zhuǎn)換電路

機電轉(zhuǎn)換電路[5]測量時間間隔的原理是在機械觸頭的前方安置一個觸動開關(guān)，通過秒表檢定儀機械觸頭打擊開關(guān)以達到機電轉(zhuǎn)換的目的。此方法存在以下3個問題：

(1)觸動開關(guān)若采用有鎖開關(guān)，則會導(dǎo)致機械觸頭兩次打擊的行程不一致，所測誤差超出規(guī)程要求；

(2)觸動開關(guān)若采用無鎖開關(guān)，機械觸頭打擊時通常伴隨著抖動，容易導(dǎo)致觸動開關(guān)誤操作，致使秒表檢定儀無法正常檢定；

(3)機械觸頭打擊力較大，如何固定觸動開關(guān)使其不移動或微移動(需滿足時間間隔測量的最大允許誤差范圍)將是一個難題。

2．2磁電轉(zhuǎn)換電路

磁電轉(zhuǎn)換電路[3]測量時間間隔的原理是將永磁體膠塊膠合在機械觸頭上，使觸頭運動時磁極面面向磁電轉(zhuǎn)換電路，通過磁場的變化將機械觸頭二次動作的行為轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?。該方法存在以?個問題：工作環(huán)境中存在的磁場干擾不易排除；每次試驗都需要尋找永磁體和磁電轉(zhuǎn)換電路之間的最佳感應(yīng)距離，且需要將永磁體膠合在機械觸頭上，實際操作復(fù)雜。

3　光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計及實現(xiàn)

光電轉(zhuǎn)換電路由2CU系列光敏二極管、74LS123單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和74LS74 D觸發(fā)器組成，如圖1所示。

圖1　光電轉(zhuǎn)換電路

光敏二極管具有單向?qū)щ娔芰Γ虼斯ぷ鲿r需要加上反向電壓。光敏二極管具有“光電導(dǎo)”的特性。無光照時，電路中有很小的飽和反向漏電流，即暗電流，此時光敏二極管截止；當受到光照時，飽和反向漏電流大大增加，形成光電流，它隨入射光強度的變化而變化，光越強反向漏電流越大。

將由3 V聚光燈組成的電源和2CU系列光敏二極管裝在秒表檢定儀機械觸頭下方的兩側(cè)，光敏二極管接收窗口平行對準聚光燈的光源，當秒表檢定儀的機械觸頭向下打擊時應(yīng)能將聚光燈的光源全部遮住，使得光敏二極管的接收窗口無光線照射，即令光敏二極管進入截止狀態(tài)。

正常狀態(tài)下聚光燈光線應(yīng)直射光敏二極管的接收窗口，此時光電流最大，電路中A點(74LS123觸發(fā)器的第1管腳)為高電平(約1．5 V)，74LS123單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的第13管腳為低電平(約0 V)，此時，74LS74 D觸發(fā)器的第5管腳輸出低電平(約為0 V)。

當秒表檢定儀機械觸頭第一次向下打擊時，觸頭遮住聚光燈的光源，使得光敏二極管接收窗口無光線射入，進入截止狀態(tài)。此時，74LS123觸發(fā)器的1腳為低電平(約0 V)，74LS123單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器13管腳輸出一觸發(fā)脈沖到74LS74 D觸發(fā)器第3管腳，使第5管腳輸出高電平(約5 V)。

經(jīng)過預(yù)先設(shè)置的時間間隔T后，秒表檢定儀的機械觸頭第二次向下打擊，74LS123觸發(fā)器的1腳又為低電平(約0 V)，74LS123單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器13管腳又輸出一觸發(fā)脈沖到74LS74 D觸發(fā)器第3管腳，使第5管腳輸出低電平(約0 V)。此時對應(yīng)秒表檢定儀機械觸頭的二次打擊，光電轉(zhuǎn)換電路輸出一矩形脈沖波，其時間間隔與秒表檢定儀機械觸頭二次打擊的時間間隔(即預(yù)置時間間隔T)一致。如圖2所示。

圖2　光電轉(zhuǎn)換電路工作原理圖

由時間間隔測試儀測量74LS74輸出的矩形脈沖，得到預(yù)置的時間間隔T的實測值。通過此方法可以完成秒表檢定儀某一點時間間隔的檢定。需說明的是選用的時間間隔測量儀的頻率準確度應(yīng)優(yōu)于5×10-8。

4　該系統(tǒng)測量結(jié)果的不確定度評定

由于光電轉(zhuǎn)換電路采用高速器件，其恢復(fù)時間帶來的誤差均在ns數(shù)量級，相對于秒表檢定儀電磁鐵延遲動作帶來的誤差而言，可忽略不計，因此，檢定結(jié)果的測量不確定度主要來源于時間間隔測量儀的測量準確度及秒表檢定儀的不重復(fù)性。因此測量結(jié)果的不確定度可評定如下：

(1)測量標準：TCX-A通用標準時間測試校驗儀，外接銣原子頻率標準，其測量準確度為5×10-11。

(2)測量方法：將光電轉(zhuǎn)換電路輸出的矩形脈沖輸入至TCX-A通用標準時間測試校驗儀測量時間間隔T．

(3)數(shù)學模型：

T=Ts+δ

式中：T為被測時間間隔;Ts為測量標準TCX-A的示值；δ為被校秒表檢定儀的誤差。

(4)輸入量Ts的標準不確定度分量u(Ts)的評定

(5)輸入量δ引入的標準不確定度分量u(δ)的評定

標準不確定度分量u(δ)主要來自秒表檢定儀帶動機械觸頭的電磁鐵動作不重復(fù)性，采用A類方法評定。一臺秒表檢定儀設(shè)定的時間為30 s．由光電轉(zhuǎn)換電路和TCX-A通用標準時間測試校驗儀連續(xù)測量10次，得到測量列如表1。

單次測量標準差：

(6)合成標準不確定度的評定

(7)擴展不確定度的評定

輸入量Ts與δ彼此獨立不相關(guān)，因此合成標準不確定度可按下式計算：

=4．23×10-2ms

取置信因子k=2，擴展不確定度為：

表1　測量數(shù)據(jù)

U=k×uc(T)=2×4．23×10-2ms=0．1 ms

秒表檢定儀機械觸頭二次動作的時間間隔檢定的擴展不確定度為0．1 ms(k=2)(30 s點)。

綜上所述，秒表檢定儀的最大允許誤差為±(T0×恒溫石英浸提振蕩器頻率準確度+3 ms)，其中恒溫石英晶體振蕩器頻率準確度要求優(yōu)于5×10-7，技術(shù)指標規(guī)定要求夾具機械觸頭動作延遲不能超過±3 ms，對于30 s的時間間隔最大允許誤差則為±3．15 ms，故檢定結(jié)果的擴展不確定度U=0．1 ms(k=2)完全滿足檢定的要求。

5　結(jié)束語

設(shè)計了由光電轉(zhuǎn)換電路和時間間隔測量儀組成的檢定系統(tǒng)，此系統(tǒng)可將秒表檢定儀機械觸頭的二次動作問題轉(zhuǎn)化為時間脈沖的問題，從而使得秒表檢定儀的機械觸頭二次動作時間間隔的測量達到較高的精度。此光電轉(zhuǎn)換電路也可以應(yīng)用于其他類似儀器的時間間隔測量。此光電轉(zhuǎn)換電路經(jīng)過長期使用和驗證，具有易操作、高靈敏度、高準確度、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。使用該電路時要求光源的光強要足夠，光束要集中，且要對準光敏二極管的接收窗口。

參考文獻：

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