基于光电转换电路的检定系统在秒表检定仪检定中的应用

肖娜丽

(福建省计量科学研究院，福建福州　350003)

0　引言

秒表检定仪是一种用来检定电子秒表、机械秒表的专用标准设备[1]。它采用单片机作为控制核心，采用恒温石英晶体振荡器作为时基信号源，主要由时基分频电路、显示电路、输出电路、电源、键盘及带机械触头的夹具组成，整机具有较高的稳定度和准确度。按照JJG601—2003《时间检定仪》检定规程要求，秒表检定仪需要检定其内部晶振和夹具2次动作的时间间隔[2]。

由于缺乏专门仪器检定秒表检定仪含夹具情况下的时间间隔，许多计量单位采用不接夹具直接测量的方法来完成该项目的检定。这种检定方法不严谨，对于秒表检定仪而言，夹具所附带的误差不可忽略。本文提出一种光电转换电路的设计方法，解决了秒表检定仪机械触头二次动作的时间间隔的高准确度测量问题。

1　秒表检定仪的工作原理

秒表检定仪使用时先将电子秒表在夹具上夹好，调整好夹具上机械触头与电子秒表按钮之间的距离。由键盘输入所需检定的时间间隔，然后按下启动键盘，夹具的机械触头打击一次电子秒表的按钮，电子秒表开始走时，同时秒表检定仪显示屏上输入的检定时间间隔开始倒计时。倒计时结束时，机械触头会再次打击电子秒表的按钮，电子秒表停止，一次检定结束。

秒表检定仪本机的误差来自2个方面：一是恒温石英晶体振荡器的频率准确度；二是带动夹具上机械触动动作时电磁铁的延迟动作。恒温石英晶体振荡器的频率准确度要求在±5×10-7以上，夹具机械触头动作延迟要求不能超过±3 ms．因此秒表检定仪的最大允许误差为：

±(T0×恒温石英晶体振荡器频率准确度+3 ms)

式中T0为检定时所设置的时间间隔[4]。

其中，秒表检定仪频率准确度的检定可参照JJG180—2002《电子测量仪器内石英晶体振荡器》检定规程中的检定方法[2]。而时间间隔的检定则需要先将机械触头二次动作的行为转变为电量。

2　传统的转换电路存在的问题

2．1机电转换电路

机电转换电路[5]测量时间间隔的原理是在机械触头的前方安置一个触动开关，通过秒表检定仪机械触头打击开关以达到机电转换的目的。此方法存在以下3个问题：

(1)触动开关若采用有锁开关，则会导致机械触头两次打击的行程不一致，所测误差超出规程要求；

(2)触动开关若采用无锁开关，机械触头打击时通常伴随着抖动，容易导致触动开关误操作，致使秒表检定仪无法正常检定；

(3)机械触头打击力较大，如何固定触动开关使其不移动或微移动(需满足时间间隔测量的最大允许误差范围)将是一个难题。

2．2磁电转换电路

磁电转换电路[3]测量时间间隔的原理是将永磁体胶块胶合在机械触头上，使触头运动时磁极面面向磁电转换电路，通过磁场的变化将机械触头二次动作的行为转变为电量。该方法存在以下2个问题：工作环境中存在的磁场干扰不易排除；每次试验都需要寻找永磁体和磁电转换电路之间的最佳感应距离，且需要将永磁体胶合在机械触头上，实际操作复杂。

3　光电转换电路设计及实现

光电转换电路由2CU系列光敏二极管、74LS123单稳态触发器和74LS74 D触发器组成，如图1所示。

图1　光电转换电路

光敏二极管具有单向导电能力，因此工作时需要加上反向电压。光敏二极管具有“光电导”的特性。无光照时，电路中有很小的饱和反向漏电流，即暗电流，此时光敏二极管截止；当受到光照时，饱和反向漏电流大大增加，形成光电流，它随入射光强度的变化而变化，光越强反向漏电流越大。

将由3 V聚光灯组成的电源和2CU系列光敏二极管装在秒表检定仪机械触头下方的两侧，光敏二极管接收窗口平行对准聚光灯的光源，当秒表检定仪的机械触头向下打击时应能将聚光灯的光源全部遮住，使得光敏二极管的接收窗口无光线照射，即令光敏二极管进入截止状态。

正常状态下聚光灯光线应直射光敏二极管的接收窗口，此时光电流最大，电路中A点(74LS123触发器的第1管脚)为高电平(约1．5 V)，74LS123单稳态触发器的第13管脚为低电平(约0 V)，此时，74LS74 D触发器的第5管脚输出低电平(约为0 V)。

当秒表检定仪机械触头第一次向下打击时，触头遮住聚光灯的光源，使得光敏二极管接收窗口无光线射入，进入截止状态。此时，74LS123触发器的1脚为低电平(约0 V)，74LS123单稳态触发器13管脚输出一触发脉冲到74LS74 D触发器第3管脚，使第5管脚输出高电平(约5 V)。

经过预先设置的时间间隔T后，秒表检定仪的机械触头第二次向下打击，74LS123触发器的1脚又为低电平(约0 V)，74LS123单稳态触发器13管脚又输出一触发脉冲到74LS74 D触发器第3管脚，使第5管脚输出低电平(约0 V)。此时对应秒表检定仪机械触头的二次打击，光电转换电路输出一矩形脉冲波，其时间间隔与秒表检定仪机械触头二次打击的时间间隔(即预置时间间隔T)一致。如图2所示。

图2　光电转换电路工作原理图

由时间间隔测试仪测量74LS74输出的矩形脉冲，得到预置的时间间隔T的实测值。通过此方法可以完成秒表检定仪某一点时间间隔的检定。需说明的是选用的时间间隔测量仪的频率准确度应优于5×10-8。

4　该系统测量结果的不确定度评定

由于光电转换电路采用高速器件，其恢复时间带来的误差均在ns数量级，相对于秒表检定仪电磁铁延迟动作带来的误差而言，可忽略不计，因此，检定结果的测量不确定度主要来源于时间间隔测量仪的测量准确度及秒表检定仪的不重复性。因此测量结果的不确定度可评定如下：

(1)测量标准：TCX-A通用标准时间测试校验仪，外接铷原子频率标准，其测量准确度为5×10-11。

(2)测量方法：将光电转换电路输出的矩形脉冲输入至TCX-A通用标准时间测试校验仪测量时间间隔T．

(3)数学模型：

T=Ts+δ

式中：T为被测时间间隔;Ts为测量标准TCX-A的示值；δ为被校秒表检定仪的误差。

(4)输入量Ts的标准不确定度分量u(Ts)的评定

(5)输入量δ引入的标准不确定度分量u(δ)的评定

标准不确定度分量u(δ)主要来自秒表检定仪带动机械触头的电磁铁动作不重复性，采用A类方法评定。一台秒表检定仪设定的时间为30 s．由光电转换电路和TCX-A通用标准时间测试校验仪连续测量10次，得到测量列如表1。

单次测量标准差：

(6)合成标准不确定度的评定

(7)扩展不确定度的评定

输入量Ts与δ彼此独立不相关，因此合成标准不确定度可按下式计算：

=4．23×10-2ms

取置信因子k=2，扩展不确定度为：

表1　测量数据

U=k×uc(T)=2×4．23×10-2ms=0．1 ms

秒表检定仪机械触头二次动作的时间间隔检定的扩展不确定度为0．1 ms(k=2)(30 s点)。

综上所述，秒表检定仪的最大允许误差为±(T0×恒温石英浸提振荡器频率准确度+3 ms)，其中恒温石英晶体振荡器频率准确度要求优于5×10-7，技术指标规定要求夹具机械触头动作延迟不能超过±3 ms，对于30 s的时间间隔最大允许误差则为±3．15 ms，故检定结果的扩展不确定度U=0．1 ms(k=2)完全满足检定的要求。

5　结束语

设计了由光电转换电路和时间间隔测量仪组成的检定系统，此系统可将秒表检定仪机械触头的二次动作问题转化为时间脉冲的问题，从而使得秒表检定仪的机械触头二次动作时间间隔的测量达到较高的精度。此光电转换电路也可以应用于其他类似仪器的时间间隔测量。此光电转换电路经过长期使用和验证，具有易操作、高灵敏度、高准确度、稳定可靠等优点。使用该电路时要求光源的光强要足够，光束要集中，且要对准光敏二极管的接收窗口。

参考文献：

[1]MATSAKIS D．Report on the time and frequency activities of the time service department of the U．S．naval observatory．Proc，33rd Ann，PTTI，Meeting，2001：293-296．

[2]秦运柏．时间频率的高准确度测量方法．宇航计测技术，2002(1)：13-16．

[3]金蓉．霍尔开关电路在秒表检定仪检定中的应用．计量技术，2006(8)：48-49．

[4]WANG Y Z，CAI Y．Research on measurement technology of dual-mixer time difference．Proceedings of 9th International Conference on Electronic Measurement & Instruments，2009(1)：427-429．

[5]付永杰，侯兴勃．时间检定仪自动检定系统设计．电子测量技术，2011(1)：39-41．