中華人民共和國國家計量檢定規(guī)程
JJG868—2024
毫瓦級標(biāo)準(zhǔn)超聲功率源檢定規(guī)程
VerificationRegulationofStandardUltrasonicPowerSourcesfor
MilliWatt-level
2024-10-19發(fā)布2025-04-19實施
國家市場監(jiān)督管理總局 發(fā)布
毫瓦級標(biāo)準(zhǔn)超聲功率源檢定規(guī)程
VerificationRegulationofStandardUltrasonic
PowerSourcesforMilliWatt-level
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JJG868—2024
代替JJG868—1994
歸口單位:全國聲學(xué)計量技術(shù)委員會
起草單位:中國計量科學(xué)研究院
本規(guī)程委托全國聲學(xué)計量技術(shù)委員會負(fù)責(zé)解釋
JJG868—2024
本規(guī)程起草人:
朱 巖(中國計量科學(xué)研究院)
邢廣振(中國計量科學(xué)研究院)
田 琦(中國計量科學(xué)研究院)
JJG868—2024
目 錄
引言……………………………………………………………………………………… (Ⅱ)
1 范圍…………………………………………………………………………………… (1)
2 引用文件……………………………………………………………………………… (1)
3 術(shù)語和計量單位……………………………………………………………………… (1)
3.1 計量單位…………………………………………………………………………… (1)
3.2 術(shù)語及定義………………………………………………………………………… (1)
4 概述…………………………………………………………………………………… (2)
5 計量性能要求………………………………………………………………………… (2)
5.1 絕緣電阻…………………………………………………………………………… (2)
5.2 工作頻率…………………………………………………………………………… (2)
5.3 超聲輸出功率……………………………………………………………………… (2)
5.4 線性偏差…………………………………………………………………………… (2)
6 通用技術(shù)要求………………………………………………………………………… (2)
6.1 標(biāo)志………………………………………………………………………………… (2)
6.2 外觀和供電………………………………………………………………………… (2)
7 計量器具控制………………………………………………………………………… (3)
7.1 檢定條件…………………………………………………………………………… (3)
7.2 檢定項目…………………………………………………………………………… (4)
7.3 檢定方法…………………………………………………………………………… (4)
7.3.1 通用技術(shù)要求…………………………………………………………………… (4)
7.3.2 絕緣電阻………………………………………………………………………… (4)
7.3.3 超聲輸出功率…………………………………………………………………… (4)
7.3.4 工作頻率………………………………………………………………………… (6)
7.3.5 線性偏差………………………………………………………………………… (6)
7.4 檢定結(jié)果的處理…………………………………………………………………… (6)
7.5 檢定周期…………………………………………………………………………… (6)
附錄A 檢定證書的內(nèi)頁格式………………………………………………………… (7)
附錄B 檢定結(jié)果通知書的內(nèi)頁格式………………………………………………… (8)
附錄C 測量不確定度的評定示例…………………………………………………… (9)
Ⅰ
JJG868—2024
引 言
JJF1001—2011 《通用計量術(shù)語及定義》、JJF1002—2010 《國家計量檢定規(guī)程編寫
規(guī)則》、JJF1059.1—2012 《測量不確定度評定與表示》共同構(gòu)成制定本規(guī)程的基礎(chǔ)性
系列規(guī)范。
本規(guī)程代替JJG868—1994 《毫瓦級標(biāo)準(zhǔn)超聲源檢定規(guī)程》。與JJG868—1994相
比,主要技術(shù)變化為:
a)增加了術(shù)語和計量單位;
b)將超聲功率源頻率范圍由(0.5~10)MHz,修改為(0.5~25)MHz;
c)增加了工作頻率穩(wěn)定度、線性偏差的檢定方法;
d)增加了不確定度評定。
本規(guī)程歷次版本發(fā)布情況為:
———JJG868—1994。
Ⅱ
JJG868—2024
毫瓦級標(biāo)準(zhǔn)超聲功率源檢定規(guī)程
1 范圍
本規(guī)程適用于頻率范圍為(0.5~25)MHz、超聲功率在(1~500)mW 范圍內(nèi)的
毫瓦級標(biāo)準(zhǔn)超聲功率源的首次檢定、后續(xù)檢定和使用中檢查。
2 引用文件
本規(guī)程引用了下列文件:
JJF1001 通用計量術(shù)語及定義
JJF1034—2020 聲學(xué)計量術(shù)語及定義
JJF1059.1 測量不確定度評定與表示
GB/T3102.7 聲學(xué)的量和單位
GB/T3947—1996 聲學(xué)名詞術(shù)語
GB/T7966 聲學(xué) 超聲功率測量 輻射力天平法及其要求
IEC61161 超聲 超聲功率測量 輻射力天平法及性能要求(Ultrasonics—Power
measurement—Radiationforcebalancesandperformancerequirements)
凡是注日期的引用文件,僅注日期的版本適用于本規(guī)程;凡是不注日期的引用文
件,其最新版本(包括所有的修改單)適用于本規(guī)程。
3 術(shù)語和計量單位
3.1 計量單位
本規(guī)程采用GB/T3102.7規(guī)定的量和單位。
3.2 術(shù)語及定義
JJF1001、JJF1034—2020和GB/T3947—1996界定的及以下術(shù)語和定義適用于本
規(guī)程。
3.2.1 超聲輸出功率 ultrasonicoutputpower
在規(guī)定條件下和規(guī)定媒介中(優(yōu)選為水),超聲換能器向近似為自由場中發(fā)射的時
間平均超聲功率。
符號:P 。
注:超聲輸出功率單位為瓦特(W)。
3.2.2 超聲換能器 ultrasonictransducer
將其他形式的能量轉(zhuǎn)換成超聲信號或能量,或?qū)⒊曅盘柣蚰芰哭D(zhuǎn)換成其他形式能
量的器件。
3.2.3 輻射電導(dǎo) radiationconductance
聲輸出功率與換能器輸入電壓的方均根值平方之比。用于表征超聲換能器電聲轉(zhuǎn)換
的特性。
1
JJG868—2024
符號:G。
注:輻射電導(dǎo)的單位為西[門子](S)。
3.2.4 靶 target
經(jīng)特殊設(shè)計的可以(截取)插入超聲場的用來測量輻射力的器件。
3.2.5 聲輻射力 acousticradiationforce
作用于聲場中的物體上不包括聲沖流作用的由聲場引起的時間平均力;或更為一般
的定義是,排除聲沖流作用,出現(xiàn)在兩個不同聲學(xué)特性的媒質(zhì)界面或在一個衰減媒質(zhì)聲
場中的時間平均作用力。
注:聲輻射力的單位為牛[頓](N)。
4 概述
毫瓦級標(biāo)準(zhǔn)超聲功率源是一種超聲功率傳遞標(biāo)準(zhǔn),是已知聲功率輸出的單頻連續(xù)波
超聲源。它能復(fù)現(xiàn)一組標(biāo)準(zhǔn)超聲功率量值,用于基準(zhǔn)和副基準(zhǔn)之間的量值比對,也可用
于超聲功率量值從基準(zhǔn)或副基準(zhǔn)傳遞到毫瓦級超聲功率計標(biāo)準(zhǔn)裝置。
毫瓦級標(biāo)準(zhǔn)超聲功率源可以由信號發(fā)生器、功率放大器、標(biāo)準(zhǔn)超聲換能器、阻抗匹
配器和高頻數(shù)字電壓表(或高頻電壓測量裝置)組成,也可以由帶閉環(huán)控制和匹配的功
率信號發(fā)生器和標(biāo)準(zhǔn)超聲換能器組成。標(biāo)準(zhǔn)超聲換能器是由穩(wěn)定性好的石英或鈮酸鋰等
單晶材料制成的平面圓形活塞超聲換能器。
5 計量性能要求
5.1 絕緣電阻
標(biāo)準(zhǔn)超聲換能器與使用狀態(tài)保持一致使輻射面浸在水中時,500V 測試電壓下,其
絕緣電阻應(yīng)大于100MΩ。
5.2 工作頻率
輸出聲波頻率應(yīng)在(0.5~25)MHz范圍內(nèi),頻率穩(wěn)定度應(yīng)優(yōu)于0.02%。
5.3 超聲輸出功率
超聲輸出功率示值相對誤差應(yīng)優(yōu)于±5%。
5.4 線性偏差
在超聲輸出功率范圍內(nèi),超聲換能器輸出聲功率與激勵電壓方均根值平方的線性偏
差應(yīng)優(yōu)于±5%。
6 通用技術(shù)要求
6.1 標(biāo)志
毫瓦級標(biāo)準(zhǔn)超聲功率源應(yīng)至少具有以下標(biāo)志:
a)制造廠商的名稱或商標(biāo);
b)產(chǎn)品型號和序列號。
6.2 外觀和供電
6.2.1 毫瓦級標(biāo)準(zhǔn)超聲功率源各操作件及附件應(yīng)完好有效。
2
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6.2.2 標(biāo)準(zhǔn)超聲換能器浸水部分在常溫下應(yīng)密封不透水。
6.2.3 毫瓦級標(biāo)準(zhǔn)超聲功率源應(yīng)采用使用說明書規(guī)定的優(yōu)選電源供電,供電電壓應(yīng)在
使用說明書規(guī)定的可用電壓范圍之內(nèi)。
7 計量器具控制
計量器具控制包括首次檢定、后續(xù)檢定和使用中檢查。
7.1 檢定條件
7.1.1 檢定環(huán)境條件
毫瓦級標(biāo)準(zhǔn)超聲功率源的檢定環(huán)境條件如下:
———空氣溫度:(18~26)℃;
———水溫:(19.5~23.5)℃;
———相對濕度:≤80%;
———靜壓:(80~108)kPa。
7.1.2 計量標(biāo)準(zhǔn)及主要配套設(shè)備
毫瓦級標(biāo)準(zhǔn)超聲功率源檢定用計量基標(biāo)準(zhǔn)及主要設(shè)備的要求如下。
毫瓦級超聲功率基準(zhǔn)或副基準(zhǔn)裝置:
聲功率范圍:1mW~500mW;
測量不確定度優(yōu)于Urel=3.5% (k=2)。
a)電子天平:
測量范圍:1μg~5.1g;
準(zhǔn)確度等級:○Ⅰ 級。
b)高頻數(shù)字電壓表或高頻電壓測量裝置:
頻率范圍覆蓋:(0.5~25)MHz;
電壓測量誤差:優(yōu)于±1.5%。
c)信號發(fā)生器:
頻率范圍覆蓋:(0.5~25)MHz;
輸出電壓:1mV~10V (峰-峰值);
頻率準(zhǔn)確度:優(yōu)于5×10-6;
總諧波失真:優(yōu)于1%。
d)功率放大器:
頻率范圍覆蓋:(0.5~25)MHz;
最大線性輸出功率:≥5W;
總諧波失真:優(yōu)于2%。
e)數(shù)字頻率計:
頻率范圍覆蓋:(0.5~25)MHz;
頻率準(zhǔn)確度:優(yōu)于1×10-6。
f) 溫度計:
溫度范圍:0~50℃;
3
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分辨力:0.1℃;
最大允許誤差:±0.2℃。
g)絕緣電阻測量儀:
測試電壓:≥500V;
準(zhǔn)確度等級:10.0;
測量范圍:106Ω~1015Ω。
h)溶氧脫氣裝置:
脫氣水氧含量:小于3×10-6。
7.2 檢定項目
毫瓦級標(biāo)準(zhǔn)超聲功率源的首次檢定、后續(xù)檢定和使用中檢查項目見表1。
表1 檢定項目一覽表
序號項目名稱首次檢定后續(xù)檢定使用中檢查
1 絕緣電阻+ + +
2 超聲輸出功率+ + +
3 工作頻率+ - -
4 線性偏差+ - -
注:
1 符號“+”表示需檢定的項目,符號“-”表示不必檢定的項目;
2 功率源與換能器不可拆卸時,只檢定序號2的項目,其他檢定項目不適用。
7.3 檢定方法
7.3.1 通用技術(shù)要求
目視檢查或手動操作,毫瓦級標(biāo)準(zhǔn)超聲功率源:
a)面板或銘牌上應(yīng)具有6.1所要求的標(biāo)志;
b)外觀應(yīng)符合6.2.1和6.2.2的要求;
c)電源應(yīng)符合6.2.3的要求。
7.3.2 絕緣電阻
用絕緣電阻測量儀直接測量標(biāo)準(zhǔn)超聲換能器輻射面在水中的絕緣電阻值,其值應(yīng)滿
足5.1的規(guī)定。
7.3.3 超聲輸出功率
檢定裝置示意圖如圖1所示,檢定程序按下列步驟:
7.3.3.1 將(21.5±2)℃的除氣蒸餾水注入消聲水槽,消聲水槽內(nèi)壁、吸聲材料和靶
(反射靶或吸收靶)等表面不應(yīng)附有氣泡。
7.3.3.2 利用溶氧儀測量蒸餾水含氧量,若超過3×10-6時應(yīng)進(jìn)一步做脫氣處理。
7.3.3.3 測量時標(biāo)準(zhǔn)超聲換能器的輻射面應(yīng)直接與除氣蒸餾水耦合,以避免附加耦合
層引起的誤差。
測量前,標(biāo)準(zhǔn)超聲換能器表面、靶應(yīng)進(jìn)行清潔處理,并應(yīng)在除氣蒸餾水中浸泡2h。
4
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注:在標(biāo)準(zhǔn)超聲換能器的輻射面浸入水中前(即換能器帶負(fù)載時),不得把電壓加到換能器上,
否則可能會損壞換能器。
7.3.3.4 儀器通電,按說明書規(guī)定的預(yù)熱時間進(jìn)行預(yù)熱。
7.3.3.5 調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的頻率達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)超聲換能器規(guī)定的諧振頻率(帶負(fù)載狀態(tài))。
圖1 檢定裝置示意圖
注:
1 圖1中靶可以采用反射靶或吸收靶,水槽周圍應(yīng)做吸聲處理。
2 吸聲材料的聲能吸收系數(shù)應(yīng)大于99%。
7.3.3.6 在(1~500)mW 超聲功率范圍內(nèi),推薦選取標(biāo)稱功率為1 mW,3 mW,
5mW,7mW,10mW,20mW,50mW,100mW,300mW,500mW (或儀器固
有輸出功率點)進(jìn)行檢定,記錄換能器加載端的激勵電壓U1,U2,U3,…,U10和測
得的超聲輸出功率值W1,W2,W3,…,W10,每個功率點重復(fù)測量次數(shù)n≥3。
注:功率源與換能器不可拆卸時,可忽略記錄換能器加載端的激勵電壓。
7.3.3.7 按公式(1)計算標(biāo)稱超聲輸出功率Pi 下,n 次重復(fù)檢定的平均超聲功率
值Wi:
W i=Wi1+Wi2+…+Win
n (1)
7.3.3.8 按公式(2)計算被檢定毫瓦級標(biāo)準(zhǔn)超聲功率源的示值相對誤差δi:
δi=Pi-Wi
Wi ×100% (2)
示值相對誤差滿足5.3中的規(guī)定。
5
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7.3.4 工作頻率
毫瓦級標(biāo)準(zhǔn)超聲功率源在標(biāo)稱輸出功率為100mW 時進(jìn)行工作頻率檢定,每隔
60s記錄一次數(shù)字頻率計讀數(shù)fi,連續(xù)記錄測量11次,其頻率穩(wěn)定度按公式(3)
計算。
Sf =2 Δf(i,i+1)max
fi+fi+1 ×100% (3)
式中:
Sf ———頻率穩(wěn)定度,%;
|Δf(i,i+1)|max———相鄰兩次測量值差值的最大值,Hz;
fi,fi+1 ———最大變量對應(yīng)的兩個頻率值,Hz。
頻率穩(wěn)定度應(yīng)滿足5.2中規(guī)定的要求。
7.3.5 線性偏差
以毫瓦級標(biāo)準(zhǔn)超聲功率源激勵電壓平方(U2i)為橫坐標(biāo),聲功率(Wi)為縱坐標(biāo),
7.3.3.6記錄的數(shù)據(jù)按公式(4)估算輻射電導(dǎo)G:
G =Σ10
i=1
Ui
2Wi
Σ10
i=1(Ui
2)2
(4)
式中Ui按公式(5)計算:
U i=Ui1+Ui2+…+Uin
n (5)
按公式(6)計算測量值與估算值的偏差,取最大偏差作為線性偏差,線性偏差εi
滿足5.4的規(guī)定。
εi=Wi-GUi
2
GUi2 ×100% (6)
7.4 檢定結(jié)果的處理
7.4.1 經(jīng)檢定合格的毫瓦級標(biāo)準(zhǔn)超聲功率源出具檢定證書;檢定不合格的,出具檢定
結(jié)果通知書,并注明不合格的項目。
7.4.2 所有的數(shù)據(jù)應(yīng)先計算后修約,超聲輸出功率檢定數(shù)據(jù)在10mW 以內(nèi)修約間隔
為0.01mW、10mW 以上修約間隔為0.1mW,工作頻率的修約間隔為1kHz,線性
偏差保留兩位有效數(shù)字。
7.4.3 檢定證書和檢定結(jié)果通知書的內(nèi)頁格式分別見附錄A和附錄B。
7.4.4 毫瓦級標(biāo)準(zhǔn)超聲功率源檢定中的測量不確定度應(yīng)按JJF1059.1—2012的要求評
定。不確定度評定的示例見附錄C。
7.5 檢定周期
毫瓦級標(biāo)準(zhǔn)超聲功率源的檢定周期不應(yīng)超過1年。
6
JJG868—2024
附錄A
檢定證書的內(nèi)頁格式
證書編號××××××—××××
檢定結(jié)果
第×頁 共×頁
一、外觀:
二、絕緣電阻: MΩ
三、超聲功率:
標(biāo)稱值
mW
實測值
mW
示值相對誤差
%
1357
10
20
50
100
300
500
四、工作頻率:
工作頻率:f= MHz,頻率穩(wěn)定度: %
五、線性偏差:
檢定環(huán)境條件:
水溫: ℃
空氣溫度: ℃
相對濕度: %
靜壓: kPa
檢定依據(jù):
檢定使用的計量(基)標(biāo)準(zhǔn)裝置:
說明:
7
JJG868—2024
附錄B
檢定結(jié)果通知書的內(nèi)頁格式
證書編號××××××—××××
檢定結(jié)果
第×頁 共×頁
一、外觀:
二、絕緣電阻: MΩ
三、超聲輸出功率:
標(biāo)稱值
mW
實測值
mW
示值相對誤差
%
1357
10
20
50
100
300
500
四、工作頻率:
工作頻率:f= MHz,頻率穩(wěn)定度: %
五、線性偏差:
檢定環(huán)境條件:
水溫: ℃
空氣溫度: ℃
相對濕度: %
靜壓: kPa
說明:
應(yīng)標(biāo)明檢定不合格的項目,并對不能繼續(xù)進(jìn)行檢定的項目加以說明。
8
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附錄C
測量不確定度的評定示例
毫瓦級標(biāo)準(zhǔn)超聲功率源示值相對誤差的測量不確定度主要由毫瓦級超聲功率基準(zhǔn)
(副基準(zhǔn))裝置、讀數(shù)分散性、聲速變化等幾部分組成。
C.1 測量模型
δi=Pi-Wi
Wi ×100% (C.1)
式中:
δi ———被檢毫瓦級標(biāo)準(zhǔn)超聲功率源超聲輸出功率的示值相對誤差,%;
Pi ———被檢毫瓦級標(biāo)準(zhǔn)超聲功率源超聲輸出功率,mW;
Wi ———毫瓦級超聲功率基準(zhǔn)(副基準(zhǔn))裝置測量平均值,mW。
C.2 超聲輸出功率測量標(biāo)準(zhǔn)不確定度
C.2.1 測量重復(fù)性引入的不確定度分量
對儀器進(jìn)行功率測量時由讀數(shù)分散性(重復(fù)性)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度,以100mW
為例,對其進(jìn)行10 次獨立測量得到測量值:98.8 mW、100.2 mW、100.1 mW、
103.4mW、101.3mW、99.6mW、98.6mW、102.4mW、101.6mW、103.2mW。
1)10次獨立測量結(jié)果的算術(shù)平均值為Wi=100.9mW。
2)10次測量結(jié)果平均值的實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差為
s= Σ10
j=1(Wij -Wi)2
10-1 =1.46mW (C.2)
則測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uwm=1.46mW。
C.2.2 毫瓦級超聲功率計量基準(zhǔn)(副基準(zhǔn))裝置引入的不確定度uws
基準(zhǔn)(副基準(zhǔn))裝置的擴(kuò)展不確定度為Urel=3.5% (k=2),則其引入的標(biāo)準(zhǔn)不確
定度為uws=3.5%
2 ×100.9mW=1.77mW。
C.2.3 聲速變化引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uwt
聲速計算公式為:
cw (T ,patm)=v0+v1t+v2t2+v3t3+(u0+u1t+u2t2)patm (C.3)
式中t=T/100,T 為水溫,單位為℃;patm為大氣壓,單位為kPa;v0=1402.7,
v1=488,v2=-482,v3=135;u0=15.9,u1=2.8,u2=2.4。
聲速變化引入的不確定度為
u(cw )= t
cw
?cw
?t
ut
t 2+ patm
cw
?cw
?patm
upatm
patm 2 (C.4)
其中靈敏系數(shù)為:
9
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t
cw
?cw
?t = v1t+2v2t2+3v3t3+(u1t+2u2t2)patm
v0+v1t+v2t2+v3t3+(u0+u1t+u2t2)patm (C.5)
patm
cw
?cw
?patm= (u0+u1t+u2t2)patm
v0+v1t+v2t2+v3t3+(u0+u1t+u2t2)patm (C.6)
以測量30min進(jìn)行觀察,氣壓變化不超過0.1kPa。靜壓計的分辨力為0.001kPa,
校準(zhǔn)結(jié)果不確定度優(yōu)于0.5%。因此,靜壓計的校準(zhǔn)為主要不確定度分量。靈敏系數(shù)近
似為0.0001,則氣壓變化引入的不確定度可忽略不計。
up ≈0.5% (C.7)
patm
cw
?cw
?patm=0.0001 (C.8)
測量過程中水溫變化比溫度測量不確定度大,聲速主要受水溫變化影響。當(dāng)水溫變
化0.4℃時,假設(shè)滿足均勻分布,不確定度和靈敏系數(shù)可計算為
ut
t = 0.4
21.5 12=0.5% (C.9)
t
cw
?cw
?t =1 (C.10)
則聲速引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為
uwt=u(cw )=0.5%×100.9mW=0.51mW (C.11)
C.3 超聲輸出功率測量合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度
影響毫瓦級標(biāo)準(zhǔn)超聲功率源超聲輸出功率測量的各不確定度分量相互獨立。不確定
度來源及相對合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度如表C.1所示。
表C.1 標(biāo)準(zhǔn)不確定度一覽表
序號不確定度來源標(biāo)準(zhǔn)不確定度/mW
1 重復(fù)性1.46
2 毫瓦級計量基準(zhǔn)(副基準(zhǔn))裝置1.77
3 聲速變化0.51
合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度2.35
合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度計算式和計算結(jié)果為:
uc= uwm2+uws2+uwt2 = 1.462+1.772+0.512 mW=2.35mW (C.12)
C.4 毫瓦級標(biāo)準(zhǔn)超聲功率源示值相對誤差測量不確定度
根據(jù)公式(C.1)可知,示值相對誤差不確定度計算為:
u2(δi)=c12u2(Pi)+c22u2(Wi) (C.13)
因此,共有兩個不確定度分量,對應(yīng)于每個不確定度分量的靈敏系數(shù)分別為
c1= 1
Wi (C.14)
c2=-Pi
Wi2 (C.15)
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由于毫瓦級標(biāo)準(zhǔn)超聲功率源為數(shù)字或按鈕顯示,故讀數(shù)誤差為零,即
u(Pi)=0 (C.16)
則示值相對誤差的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為
u(δi)= c2u(Wi)=Pi
Wi2
u(Wi)= 100mW
100.92 mW2×2.35mW=2.31% (C.17)
C.5 擴(kuò)展不確定度
取包含因子k=2,其擴(kuò)展不確定度為:
Ur(δi)=2u(δi)=4.62% (C.18)
擴(kuò)展不確定度取Ur(δi)=5%(k=2)。
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