声学波浪测量仪校准规范试验验证及不确定度评定报告.docx
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声学波浪测量仪校准规范试验验证及不确定度评定报告
校准规范
实验验证和不确定度评定报告
校准规范起草小组
2019.08
实验报告
1基本情况
1.1实验时间和地点
实验时间为2019年7月10日至2019年8月15日,实验地点为武汉市青菱乡红霞村701所黄家湖所区声学实验室。
实验温度为20C~28C,相对湿度为50%RH~80%RH,气压为101kPa
1.2实验方法
本实验采用《校准规范》(草案稿)中描述的方法。
1.3实验用标准器和配套设备
本实验使用的标准器和配套设备如下:
a)标准水听器:
10kHz~200kHz
b)2636测量放大器(B&K公司)
c)7104数字示波器
e)前置放大器(丹麦B&K公司)
f)卷尺(3m)
g)游标卡尺(0~200mm)
1.4被测声学波浪测量仪
本次实验样品:
SBA-32:
测波范围:
0.1~20.0m
测量周期:
0.5~20s
准确度:
±0.5s
2实验数据
本实验进行了以下项目的实验:
1)波高测量误差
声学波浪仪固定波声速
:
1530m/s,水池中校准时声速
:
1490m/s
波高指示值
/m
测量点标准距离
波高测量误差/m
1.06
1
0.025
5.22
5
0.049
10.4
10
0.06
15.6
15
0.09
2)周期测量误差
测量值/s
声学波浪仪测量值/s
1
2
3
4
5
6
0.5
0.513
0.518
0.522
0.516
0.513
0.511
1
1.045
1.047
1.053
1.055
1.053
1.051
2
2.064
2.066
2.072
2.076
2.073
2.071
5
5.086
5.089
5.092
5.098
5.094
5.088
3)发射信号中心频率
中心频率标称值/kHz
中心频率测量值/kHz
中心频率误差/kHz
150
150.55
0.55
4)发射信号脉冲宽度
脉冲宽度标称值
脉冲宽度测量值
脉冲宽度误差
7.5μs
7.5μs
0
5)发射信号幅值稳定度
时间
幅值测量值/V
幅值平均值/V
稳定度/%
9:
30
0.528
0.5254
0.73
9:
45
0.530
10:
00
0.525
10:
15
0.520
10:
30
0.524
6)开度
距离r/m
前后位置间距测量值/m
开度/°
1
0.033
1.93
3实验验证结果的测量不确定度评定
对波高测量误差、周期测量误差、中心频率、脉冲宽度、发射信号幅值稳定度、开度等参数进行测量不确定度评定。
3.1波高测量误差测量不确定度评定
3.1.1测量模型
(3.1.1)
式中:
——测量点高度误差,m;
——测量点标准距离,m;
——波浪仪固定波声速(为常数),m/s;
——水池中校准时声速,m/s;
——测量点声学波浪仪波高指示值,m。
3.1.2不确定度来源
不确定度来源主要有:
1)测量重复性;
2)水池中声速测量误差引入的测量不确定度;
3)标准距离测量误差引入的测量不确定度。
3.1.3标准不确定度的A类评定
在相同条件下对同一距离连续测量6次,测量重复性用实验标准偏差来表征,声学波浪仪固定声速1530m/s,温度约20℃水池中声速测量值:
1490m/s,比值为0.9673,测量结果如表3.1.1所示。
表3.1.1重复性测量结果
距离/m
误差/cm
算术平均值/cm
相对实验标准偏差/%
1
2
3
4
5
6
1
2.5
3.0
3.5
3.3
2.8
2.6
2.95
0.4
5
4.5
5.0
5.6
5.3
4.9
4.4
4.95
0.091
10
8.5
9.0
9.6
9.1
8.6
8.3
8.85
0.048
15
11.8
12.6
13.5
14.7
13.6
12.3
13.08
0.07
表1中的测量结果采用统计方法来评定标准不确定度,用测量结果的相对实验标准偏差作为A类标准不确定度分量u1。
3.1.4标准不确定度的B类评定
1)水池中水中声速测量误差引入的测量不确定度u2
水池中水中声速测量误差不超过5%,按均匀分布,k=
,其引入的不确定度为u2=5%/
=2.89%;
2)标准距离测量误差引入的测量不确定度u3
标准距离测量误差优于±3%,按均匀分布,k=
,其引入的不确定度为u3=3%/
=1.732%;
3.1.5合成标准不确定度和扩展不确定度
对公式(3.1.1)求偏导,计算灵敏系数:
c1
,C2
由于u1、u2、u3不相关,按公式(3.1.2)计算合成标准不确定度
:
(3.1.2)
取包含因子k=2,则扩展不确定度为
,扩展不确定度汇总表如表2所示。
表3.1.2扩展不确定度汇总表
距离/m
u1
u2
C1
u3
C2
U(k=2)
1
0.4%
2.89%
0.00067
1.732%
-1
1.78%
3.6%
5
0.091%
2.89%
0.0034
1.732%
1.734%
3.5%
10
0.048%
2.89%
0.0067
1.732%
1.733%
3.5%
15
0.07%
2.89%
0.01
1.732%
1.734%
3.5%
3.2周期测量误差测量不确定度评定
3.2.1测量模型
…….….….……..…..……(3.2.1)
式中:
——周期测量误差,s;
——声学波浪仪测量值,s;
——100个人造波周期平均值,s。
3.2.2不确定度来源
不确定度来源主要有:
1)测量重复性;
2)时间测量误差引入的测量不确定度。
3.2.3标准不确定度的A类评定
在相同条件下对连续测量6次,测量重复性用实验标准偏差来表征,声学波浪仪固定声速1530m/s,温度约20℃水池中声速测量值:
1490m/s,比值为0.9673,测量结果如表3.2.1所示。
表3.2.1重复性测量结果
周期/s
误差/s
算术平均值/s
相对实验标准偏差/%
1
2
3
4
5
6
0.5
0.013
0.018
0.022
0.016
0.013
0.011
0.0155
0.81
1
0.045
0.047
0.053
0.055
0.053
0.051
0.05067
0.39
2
0.064
0.066
0.072
0.076
0.073
0.071
0.07033
0.23
5
0.086
0.089
0.092
0.098
0.094
0.088
0.09117
0.09
表3.2.1中的测量结果采用统计方法来评定标准不确定度,用测量结果的相对实验标准偏差作为A类标准不确定度分量u1。
3.2.4标准不确定度的B类评定
1)时间测量误差引入的测量不确定度u2
时间测量误差不超过5%,按均匀分布,k=
,其引入的不确定度为u2=5%/
=2.89%
3.2.5合成标准不确定度和扩展不确定度
对公式(3.2.1)求偏导,计算灵敏系数C1
由于u1、u2不相关,按公式(3.2.2)计算合成标准不确定度
:
(3.2.2)
取包含因子k=2,则扩展不确定度为
,扩展不确定度汇总表如表3.2.2所示。
表3.2.2扩展不确定度汇总表
周期/s
u1
u2
C1
U(k=2)
0.5
0.81%
2.89%
-1
3.00%
6.0%
1
0.39%
2.89%
2.92%
5.8%
2
0.23%
2.89%
2.90%
5.8%
5
0.09%
2.89%
2.89%
5.8%
3.3发射信号中心频率测量不确定度评定
3.3.1测量模型
…….….….……..….……(3.3.1)
式中:
——中心频率误差,kHz;
——中心频率标称值,kHz;
——中心频率测量值,kHz。
3.3.2不确定度来源
不确定度来源主要有:
1)测量重复性;
2)频率测量误差引入的测量不确定度。
3.3.3标准不确定度的A类评定
在相同条件下对连续测量6次,测量重复性用实验标准偏差来表征,测量结果如表3.3.1所示。
表3.3.1重复性测量结果
频率/kHz
测量值/kHz
算术平均值/kHz
实验标准偏差/kHz
1
2
3
4
5
6
150
150.4
150.6
150.7
150.5
150.8
150.3
150.55
0.09
表3.3.1中的测量结果采用统计方法来评定标准不确定度,用测量结果的相对实验标准偏差作为A类标准不确定度分量u1=0.09kHz。
3.3.4标准不确定度的B类评定
1)频率测量误差引入的测量不确定度u2
频率测量误差不超过1%,即150kHz时,误差不超过1.5kHz,按均匀分布,k=
,其引入的不确定度为u2=1.5/
=0.866kHz
3.3.5合成标准不确定度和扩展不确定度
对公式(3.3.1)求偏导,计算灵敏系数C1
由于u1、u2不相关,按公式(3.3.2)计算合成标准不确定度
:
(3.3.2)
取包含因子k=2,则扩展不确定度为
,扩展不确定度汇总表如表3.3.2所示。
表3.3.2扩展不确定度汇总表
中心频率/kHz
u1
u2
C1
U(k=2)
150
0.09
0.866
-1
0.87kHz
1.8kHz
3.4发射信号脉冲宽度测量不确定度评定
3.4.1测量模型
…….….….……..….……(3.4.1)
式中:
——脉冲宽度误差,μs;
——脉冲宽度标称值,μs;
——脉冲宽度测量值,μs。
3.4.2不确定度来源
不确定度来源主要有:
1)测量重复性;
2)频率测量误差引入的测量不确定度。
3.4.3标准不确定度的A类评定
在相同条件下对连续测量6次,测量重复性用实验标准偏差来表征,测量结果如表3.4.1所示。
表3.4.1重复性测量结果
脉冲宽度/μs
测量值/μs
算术平均值/μs
实验标准偏差/μs
1
2
3
4
5
6
7.5
7.4
7.6
7.5
7.4
7.6
7.5
7.5
0.089
表3.4.1中的测量结果采用统计方法来评定标准不确定度,用测量结果的相对实验标准偏差作为A类标准不确定度分量u1=0.089μs。
3.4.4标准不确定度的B类评定
1)脉冲宽度测量误差引入的测量不确定度u2
脉冲宽度测量误差不超过3%,即7.5μs时,误差不超过0.225μs,按均匀分布,k=
,其引入的不确定度为u2=0.225/
=0.13μs
3.4.5合成标准不确定度和扩展不确定度
对公式(3.4.1)求偏导,计算灵敏系数C1
由于u1、u2不相关,按公式(3.4.2)计算合成标准不确定度
:
(3.4.2)
取包含因子k=2,则扩展不确定度为
,扩展不确定度汇总表如表3.4.2所示。
表3.4.2扩展不确定度汇总表
脉冲宽度/μs
u1
u2
C1
U(k=2)
7.5
0.089
0.13
-1
0.16μs
0.32μs
3.5开度测量不确定度评定
3.5.1测量模型
…….…………………..(3.5.1)
式中:
——声换能器开度,°;
——标杆转动前后位置之间的距离,m。
3.5.2不确定度来源
不确定度来源主要有:
1)测量重复性;
2)距离d测量误差引入的测量不确定度。
3.5.3标准不确定度的A类评定
在相同条件下对连续测量6次,测量重复性用实验标准偏差来表征,测量结果如表3.5.1所示。
表3.5.1重复性测量结果
开度/°
测量值/°
算术平均值/°
实验标准偏差/°
1
2
3
4
5
6
2
1.93
1.95
1.92
1.97
1.94
1.96
1.945
0.00175
表3.5.1中的测量结果采用统计方法来评定标准不确定度,用测量结果的相对实验标准偏差作为A类标准不确定度分量u1=0.00175°。
3.5.4标准不确定度的B类评定
1)距离d测量误差引入的测量不确定度u2
距离d测量误差(前后位置的定位)不超过5%,即d=0.033m时误差不超过0.00165m,按均匀分布,k=
,其引入的不确定度为u2=0.00165/
=0.00953m。
3.5.5合成标准不确定度和扩展不确定度
对公式(3.5.1)求偏导,计算灵敏系数C1=
=2
由于u1、u2不相关,按公式(3.5.2)计算合成标准不确定度
:
(3.5.2)
取包含因子k=2,则扩展不确定度为
,扩展不确定度汇总表如表3.5.2所示。
表3.5.2扩展不确定度汇总表
开度/°
u1
u2
C1
U(k=2)
2
0.00175
0.00953
2
0.14°
0.28°
4结论
试验验证结果表明,校准规范中的计量特性,校准参数制定合理,所使用的标准器能够实现上述参数的校准。
试验校准结果表明,校准方法合理、可行
综上所述,校准规范(征求意见稿)科学、合理,能够满足声学波测量仪量值溯源需求。
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- 声学 波浪 测量仪 校准 规范 试验 验证 不确定 评定 报告