正弦法力傳感器動態(tài)特性校準規(guī)范

1正弦法力傳感器動態(tài)特性校準規(guī)范本校準規(guī)范適用于采用激光干涉法對新制造(或新購置)、使用中、修理后的力傳感器(以下簡稱傳感器)和測力儀在力值不大于100kN、頻率范圍在1Hz～3kHz內(nèi)GB/T20485.11—2006振動與沖擊傳感器校準方法第11部分：激光干涉法振文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本校準規(guī)范。靜態(tài)校準時，獲得的傳感器輸出增量與所加力值增器為皮庫[侖]每牛[頓](pC/N);對于應(yīng)變式傳感器為毫伏每伏[特]牛[頓]在給定頻率的正弦激勵下，被校傳感器的輸出幅值與輸入力值之比，按照公式(A.1)表示，單位：對于壓電式傳感器為皮庫[侖]每牛[頓](pC/N);對于應(yīng)變式傳感器為毫伏每伏[特]牛[頓](mV/(V·N))。在給定頻率的正弦力激勵下，被校傳感器的輸出與輸入力之相位差，單位：3.4傳感器端部等效質(zhì)量equivalentend在校準時，傳感器自身的一部分質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力在運25計量特性被校傳感器應(yīng)配有連接電纜及其他必要的附件，還應(yīng)具有安裝尺寸及安裝要求、應(yīng)用環(huán)境條件等信息的說明書或其他技術(shù)資料。傳感器及附件表面不能有影響其性能的瑕疵或機械損傷。傳感器殼體上應(yīng)標有型號和編號、制造廠商、接線標識。在校準頻率范圍內(nèi)，傳感器在不同力值和頻率下獲得的動態(tài)幅值靈敏度與靜態(tài)幅值靈敏度(靜態(tài)無輸出的傳感器采用參考頻率點幅值靈敏度)相對誤差一般小于10%;傳感器在參考頻率點的相位延遲一般小于5°,其他頻率點小于15°。6校準條件6.1環(huán)境條件其他條件：校準時不得有影響校準結(jié)果的振動、噪聲、電磁場或其他干擾源。6.2丶校準用儀器設(shè)備6.2.1一般要求校準所用的儀器設(shè)備應(yīng)經(jīng)過計量技術(shù)機構(gòu)檢定或校準，滿足使用要求，并在有效期內(nèi)。所采用的校準裝置可實現(xiàn)的最佳測量不確定度為：幅值靈敏度：參考頻率點1%;其他頻率點2%。相位延遲：參考頻率點1°;其他頻率點3°。6.2.2振動臺a)加速度波形失真：小于5%(參考頻率點)或小于10%(其他頻率點);b)橫向運動與縱向運動的加速度幅值之比或小于5%(參考頻率點),小于10%(其他頻率點);c)加速度值穩(wěn)定性：在每個頻率點校準過程中優(yōu)于1%;d)振動臺地基的質(zhì)量應(yīng)不小于振動運動部件質(zhì)量的1000倍。6.2.3激光干涉儀采用激光干涉儀測量質(zhì)量塊上表面的加速度值。要求加速度測量誤差為：±0.05%(參考頻率點),±0.1%(其他頻率點)。激光干涉儀的地基應(yīng)與振動臺地基分開，以減少振動臺及環(huán)境振動對測量的干擾。3將質(zhì)量塊通過連接機構(gòu)與傳感器緊密同軸連接(如圖1)。質(zhì)量塊采用圓柱體結(jié)構(gòu)，要求圓柱體密度均勻及力學(xué)性能穩(wěn)定。連接機構(gòu)的材質(zhì)及質(zhì)量準確度要求與質(zhì)量塊相b)高度與直徑之比值：1～5;c)上表面粗糙度小于R,0.2;d)圓柱度優(yōu)于0.01mm;e)上下表面平行度優(yōu)于0.015mm;f)與傳感器安裝要有一定預(yù)緊力(可參考具體傳感器對安裝力矩的要求),且受力6.2.5控制器b)頻率最大允許誤差：±0.05%;c)頻率穩(wěn)定度：在測量周期內(nèi)，應(yīng)在讀數(shù)的士0.05%之內(nèi)；d)幅值穩(wěn)定度：在測量周期內(nèi)，應(yīng)在讀數(shù)的±0.05%之內(nèi)。6.2.6數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)a)采樣率不低于4MHz;b)A/D位數(shù)不低于12位。傳感器校準中使用的激勵電源輸出電壓的4h穩(wěn)定性，應(yīng)不超過傳感器相應(yīng)技術(shù)指校準項目見表1,校準頻率點可根據(jù)用戶要求或合同要求確定。4表1校準項目序號1外觀及附件2幅值靈敏度3幅值靈敏度相對誤差4相位延遲5直線度7.1外觀及附件檢查按本規(guī)范第5.1條的要求通過目測或手感進行檢查，并符合規(guī)定。正弦力校準系統(tǒng)如圖2,傳感器安裝在電磁振動臺上，質(zhì)量塊連接在傳感器上。根據(jù)牛頓第二定律，傳感器所受的動態(tài)力可以按照公式(1)表示為：F=ma公式(1)中，總有效質(zhì)量m是質(zhì)量塊的質(zhì)量m?、傳感器與質(zhì)量塊之間的聯(lián)接機構(gòu)的質(zhì)量m?以及傳感器的等效質(zhì)量m。之和，按照公式(2)計算：如圖2,正弦力標準裝置采用激光干涉儀測量質(zhì)量塊頂面加速度。傳感器信號經(jīng)過放大后被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。振動控制器輸出盒數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)信號發(fā)生器濾波器振動合屆量塊圖2正弦力標準裝置57.2.2校準前準備a)被校傳感器在校準試驗環(huán)境下放置時間應(yīng)在8h以上，使其溫度與校準條件的b)按照說明書要求接連正弦力校準系統(tǒng)和被校傳感器的導(dǎo)線，打開儀器電源，通電預(yù)熱30min。7.2.3校準點選擇a)校準頻率點一般不少于10點，其中至少包括參考頻率點f.,或根據(jù)用戶要求b)校準力值一般在傳感器量程的20%～80%間任意選一點，或根據(jù)用戶要求c)在每個校準頻率點，對質(zhì)量塊上表面進行5點加速度測量，取加速度的平均值作為質(zhì)量塊上表面的加速度值。測量點分布如圖3所示，1點為中點，2～5點在半徑為求配合良好(可以根據(jù)實際情況在接觸面之間涂抹少量的潤滑劑),且有足夠的預(yù)緊力(對于采用螺紋配合方式安裝的傳感器，應(yīng)滿足傳感器說明書對安裝力矩的要求),以保面的中心軸線與傳感器和質(zhì)量塊的中軸線重合，以盡量減少偏心負荷和傾斜負荷的b)按7.2.4要求在振動臺臺面上安裝被校傳感器，調(diào)整激光干涉測量系統(tǒng)，使其c)將振動臺功率放大器的增益調(diào)至最低后開啟其電源。調(diào)整振動臺控制器輸出參考頻率點f,正弦信號，逐漸調(diào)整其輸出值和振動臺功率放大器的增益，使校準系統(tǒng)產(chǎn)生(100～500)m/s2的加速度值。待振動臺工作穩(wěn)定后，同步采集激光干涉儀和傳感6器的測量數(shù)據(jù)，每次對測量數(shù)據(jù)的采集時間應(yīng)不小于10個振動周期，在同一狀態(tài)重復(fù)測量10次。測量結(jié)束后，逐漸將振動臺功率放大器增益調(diào)至最低。d)選定質(zhì)量塊，使系統(tǒng)可以產(chǎn)生校準力值。按7.2.4要求在被校傳感器上安裝質(zhì)量塊。按7.2.3選定的頻點，從低頻至高頻依次進行校準。e)調(diào)整振動控制器的參數(shù)，使校準系統(tǒng)輸出規(guī)定的頻率和力值，待振動臺工作穩(wěn)定后，進入下一步程序。f)調(diào)整激光干涉測量系統(tǒng)，使其測量點位于質(zhì)量塊上表面中心處(1點),同步采集激光干涉儀和傳感器的測量數(shù)據(jù)，每次對測量數(shù)據(jù)的采集時間應(yīng)不小于10個振動周期，在同一狀態(tài)重復(fù)測量10次，共采集10組數(shù)據(jù)。依次調(diào)整激光干涉測量系統(tǒng)測量位置至2～5點，重復(fù)上述測量過程，記錄實驗數(shù)據(jù)。g)在每個頻率點下重復(fù)e)～f),依次完成所有頻率點的校準。h)逐漸將振動臺功率放大器增益調(diào)至最低。i)如需更換質(zhì)量塊，則卸除原質(zhì)量塊，選定另一質(zhì)量塊，按7.2.4要求進行安裝，按7.2.5e)～h)的方法完成校準。j)如果需要對傳感器的直線度進行校準，則在參考頻率點選擇5～8個正弦力峰值進行校準，各正弦力峰值點應(yīng)盡量均勻分布。7.2.6數(shù)據(jù)處理7.2.6.1計算質(zhì)量塊上表面加速度的幅值及初始相位a)數(shù)據(jù)采集卡同時采集Um和Um信號，得到其離散數(shù)據(jù)構(gòu)成的序列U。[t;]和U[t?],i=0,1,2,…,n。對這兩個序列進行處理，可以求出位移隨時間變化的曲線。這一軟件處理過程如圖4所示。首先對Um[t;]和Um[t;]信號相乘，再進行低通濾波，得到一序列U?[t?]。對U[t?]信號相位延時π/2,再與U。[t;]信號相乘，然后進行低通濾波，得到一序列U?[t;]。位移計算相位U?[t?]和U?[t?]是兩個正交信號序列，對其進行處理，可以按照公式(3)求出激光干涉信號相位qma[t;]:在開始計算qMd[t?]時，設(shè)k為零。依次計算其他點的相位時，當出現(xiàn)圖5中由A向7B或由D向E過渡的情況，k加1;反之，k減1。為使k的計算正確，應(yīng)保證足夠的采樣速率。相位位移s[t;]為：式中：λ——干涉儀的激光波長。b)對于正弦振動，位移序列s[t;]是正弦波，它可以按照公式(4)表示為：式中，i=0,1,2,…,N,其中N為樣本點數(shù)減1;w=2πf,其中f為振動頻按附錄C的方法計算A,B,C值。c)正弦振動位移的幅值s和初始相位φ,按照公式(5)和公式(6)計算：d)正弦振動加速度的幅值a和初始相位g,按照公式(7)和公式(8)計算：e)平均加速度幅值a和平均初始相位Q,按照公式(9)和公式(10)計算：87.2.6.2計算質(zhì)量塊上的等效加速度的幅值整個質(zhì)量塊上的等效加速度a。按照公式(11)計算：式中：a——質(zhì)量塊上表面的平均加速度，m/s2;k?——加速度修正因子；p——質(zhì)量塊的密度，kg/m3;E——質(zhì)量塊的彈性模量，N/m2;7.2.6.3計算傳感器輸出的幅值及初始相位a)對于正弦振動，傳感器輸出電壓序列u[t;]是正弦波，樣本點數(shù)為N+1,它可以按照公式(13)表示為：w=2πf,f為振動頻率；A.,B,C?——傳感器輸出正弦信號的相關(guān)常數(shù)。按附錄C的方法計算A,B,C值。b)傳感器輸出的幅值u和初始相位q。按照公式(14)和公式(15)計算：c)傳感器輸出的平均幅值立和平均初始相位9,按照公式(16)和公式(17)計算：其中j表示質(zhì)量塊上表面第j個測量點。7.2.6.4計算端部等效質(zhì)量根據(jù)在參考頻率f,下的測量結(jié)果計算傳感器的端部等效質(zhì)量。根據(jù)公式(1)、公式(2)和公式(11),力值與加速度幅值的關(guān)系可以按照公式(18)表示為：其中，在參考頻率點，傳感器的靈敏度S按照公式(19)表示：9將(18)、(19)合并為：(20)中，S與m。是未知數(shù)。在參考頻率點，分別采用2個質(zhì)量塊進行測量，獲得2組數(shù)據(jù)，將其代入公式(20),求解出S與m。值。7.2.6.5計算傳感器幅值靈敏度在各校準頻率點，由7.2.6.1和7.2.6.3得到的a和u數(shù)據(jù)，用公式(20)分別計算出所在頻點的幅值靈敏度。7.2.6.6計算傳感器幅值靈敏度相對誤差在各校準頻率點，幅值靈敏度S與靜態(tài)幅值靈敏度(靜態(tài)無輸出的傳感器采用參考頻率點幅值靈敏度)S,的相對誤差按照公式(21)表示為：7.2.6.7計算傳感器相位延遲在各校準頻率點，由7.2.6.1和7.2.6.3得到的q?和φ,各頻點傳感器的相位延遲△φ按照公式(22)表示為：7.2.6.8計算傳感器的直線度根據(jù)7.2.5j),以參考頻率點采用的各力值校準點獲得的校準數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，直線度按照公式(23)計算：式中i=1,2,…,M,其中M為力值校準點個數(shù)，F(xiàn);與u;分別為第i個力值校準點的標準力值與傳感器輸出。最后，取絕對值最大的L;對應(yīng)的數(shù)值作為傳感器的直線度。8校準結(jié)果表達校準結(jié)果應(yīng)在校準證書或校準報告上反映。校準證書或報告應(yīng)至少包括如下信息：b)實驗室名稱和地址；c)進行校準的地點(如果與實驗室的地址不同);d)證書或報告的唯一性標識(如編號),每頁及總頁數(shù)的標識；e)送校單位的名稱和地址；f)被校對象的描述和明確標識；g)進行校準的日期，若與校準結(jié)果的有效性及應(yīng)用有關(guān)時，應(yīng)說明被校對象的接h)如果與校準結(jié)果的有效性及應(yīng)用有關(guān)時，應(yīng)對被校樣品的抽樣程序進行說明；i)對校準所依據(jù)的技術(shù)規(guī)范的標識，包括名稱及代號；j)本次校準所用測量標準的溯源性及有效性說明；k)校準環(huán)境的描述；I)校準結(jié)果及其測量不確定度的說明；m)對校準規(guī)范的偏離的說明；n)校準證書或校準報告簽發(fā)人的簽名、職務(wù)或等效標識，以及簽發(fā)日期；o)校準結(jié)果僅是對被校對象有效的聲明；p)未經(jīng)實驗室書面批準，不得部分復(fù)制證書或報告的聲明。經(jīng)校準的傳感器，發(fā)給校準證書或校準報告，加蓋校準印章。傳感器的復(fù)校時間間隔建議為1年，在惡劣工況下使用后應(yīng)進行校準。由于復(fù)校時間間隔的長短是由傳感器的使用情況、使用者、傳感器本身質(zhì)量等諸因素所決定的，因此，送校單位也可根據(jù)實際使用情況自主決定復(fù)校時間間隔。附錄A測量不確定度評定示例A.1幅值靈敏度測量不確定度評定A.1.1數(shù)學(xué)模型傳感器的靈敏度S:式中：U——傳感器輸出電壓，V;m?——質(zhì)量塊的質(zhì)量，kg;m?——傳感器與質(zhì)量塊之間的聯(lián)接機構(gòu)的質(zhì)量，kg;m?——傳感器的等效質(zhì)量，kg;a?——質(zhì)量塊上表面的平均加速度，m/s2;k?——加速度修正因子。A.1.2測量不確定度來源傳感器幅值靈敏度的測量不確定度來源見表A.1。i不確定度來源不確定度分量1質(zhì)量塊質(zhì)量稱量的不確定度分量2連接件質(zhì)量稱量的不確定度分量34加速度測量不確定度分量5加速度分布測量不確定度分量67臺面輸出失真度引起的加速度測量不確定度分量8電壓測量不確定度分量9多次測量重復(fù)性不確定度分量A.1.3測量不確定度評定幅值靈敏度測量的合成不確定度的平方為：u2(S)=(c?)2u2(m?)+(cz)2u2(m?)+(c?+(c?)3u2(a)+(cs)2u2(k?)+(c確定度平方為：式中：因此，幅值靈敏度測量的相對擴展不確定度為：Um(S)=ku(S)=k√u},m+u2.w+u3.m+ui.m+u2.u+A.2相位延遲測量不確定度評定A.2.1數(shù)學(xué)模型傳感器相位延遲：式中：9u,9r——分別為傳感器輸出電壓和激勵力的相位。合成方差：u2(φ)=(c?)2u2(qu)+(c?)2u2A.2.2測量不確定度來源GB/T20485.11—2006表4,相位移測量不確定度除了來源于加速度校準之外，僅增加1項，即質(zhì)量塊上表面的加速度相位與質(zhì)量塊所產(chǎn)生力的相位之差的不確定度。不確定度分量見表A.2,其中u?是在GB/T20485.11—2006表4基礎(chǔ)上的新增項。i標準不確定度不確定度來源不確定度分量1(模數(shù)轉(zhuǎn)換的分辨率和時鐘準確度)2電壓濾波對傳感器輸出電壓相位測量的影響(頻率帶寬的限制)3電壓擾動對傳感器輸出電壓相位測量的影響(如：交流聲和噪聲)4測量的影響(橫向靈敏度)5干涉儀正交輸出信號擾動對位移相位測量的影響(如：偏移、電壓幅值偏差、與90°名義角度差的偏差)6干涉儀信號濾波對位移相位測量的影響(頻率帶寬的限制)7電壓擾動對位移相位測量的影響(如：光電測量回路中的隨機噪聲)8干擾運動對位移相位測量的影響(如：漂移；加運動)9相位擾動對位移相位測量的影響(如：干涉儀信號的相位噪聲)其他干涉效應(yīng)對位移相位測量的影響(干涉儀的功能)質(zhì)量塊上表面的加速度相位與質(zhì)量塊所產(chǎn)生的力相位之差的不確定度影響中的隨機影響；算術(shù)平均值的實驗標準偏差)A.2.3測量不確定度評定在選定校準頻率、振幅、放大器增益和截止頻率條件下，相位延遲測量的擴展不確定度U(△φ)的計算，按照以下公式進行：(1)1～10項的測量不確定度根據(jù)GB/T20485.11—2006,采用其中的“方法3”進行加速度測量，在參考頻率點80Hz,測量值的擴展不確定度為0.5°;其他頻點，測量值的擴展不確定度不超過1°。因此以其規(guī)定的最低指標為基礎(chǔ)評定傳感器校準的相位延遲測量不確定度，即將表中的1～10項的測量不確定度用該標準中給定值來表示。在參考頻點：在其他頻點：質(zhì)量塊上表面的加速度相位與質(zhì)量塊所產(chǎn)生的力相位之差可以用有限元方法計算，并且進行修正。經(jīng)修正后得到不確定度un(△φ)。(3)ui?(△φ)屬于相位延遲多次測量重復(fù)性的不確定度。A.3舉例說明：A.3.1幅值靈敏度測量不確定度評定(1)質(zhì)量稱量不確定度分量以4kg質(zhì)量塊為例，m?≈4439g,質(zhì)量塊與傳感器連接件質(zhì)量m?≈70g,傳感器端部等效質(zhì)量m?≈75g。其中m?與m?可以通過高精度電子秤直接測量，它們的測量擴展不確定度為0.02g(k=3),因此：傳感器端部等效質(zhì)量m?？梢栽趧討B(tài)力的測量過程中獲得，它的標準測量不確定度(2)加速度測量不確定度分量本規(guī)范中選擇GB/T20485.11—2006中的“方法3”測量加速度，其相對擴展不確定度為0.2%(k=2),因此：(3)質(zhì)量塊加速度分布測量不確定度分量加速度分布修正因子k?用于消除質(zhì)量塊加速度分布給動態(tài)力值測量造成的影響，可以根據(jù)質(zhì)量塊的力學(xué)常數(shù)與幾何參數(shù)獲得。它對動態(tài)力測量造成的相對不確定度分量大小為：us,m=0.3%(A.15)(4)振動臺橫向偏擺引起的加速度測量不確定度分量在參考頻率，要求振動臺橫向偏擺不超過T=5%,可知加速度偏差為1-1/√1+T=0.125%。假設(shè)為均勻分布，則其引入的不確定度分量為：在其他頻率，要求振動臺橫向偏擺不超過T=10%,(5)臺面輸出失真度引起的加速度測量不確定度分量在參考頻率，要求臺面加速度失真最大不超過5%。假設(shè)為均勻分布，則其引入的相對不確定度分量為：在其他頻率，要求振動臺橫向偏擺不超過10%,則：(6)電壓測量不確定度分量以采用12位數(shù)據(jù)采集卡為例，電壓輸出波形測量的相對擴展不確定度為0.1%(k=2),那么:(7)多次測量重復(fù)性的不確定度分量幅值靈敏度是在不改變其他實驗條件的前提下，進行10次測量獲得的平均值，在參考頻率，其標準偏差小于0.5%,因此在其他頻率，其標準偏差小于2%,因此根據(jù)以上不確定度分量的實際數(shù)據(jù)，可以獲得系統(tǒng)在參考頻率80合成標準不確定度為：Hz和160Hz的u(S)=√(μ?m)+(u?g)2+(u?m)2+(u?m)2+(u2m)2+(um)3+(u,,m)2+(u而參考頻點的擴展不確定度(k=2)為：在其他頻點的合成標準不確定度(k=2)為：uem(S)=√(u?m)2+(uzm)+(u?m)2+(v?m)3+(usm)3+(uem)+(u?m)+(u而在其他頻點的擴展不確定度為：A.3.2相位延遲測量不確定度評定(1)激光干涉方法相位測量不確定度分量u;(△q)根據(jù)本規(guī)范采用的加速度測量方法，即GB/T20485.11—2006中的“方法3”,由于激光干涉加速度測量引入的相位不確定度為：參考頻點：Ue,ef(△φ)=0.25°(A.23)其他頻點：ua(△φ)=0.5°(A.24)(2)質(zhì)量塊上下表面相位差引起的相位延遲測量不確定度分量u?(△φ)質(zhì)量塊上表面的加速度相位與質(zhì)量塊所產(chǎn)生的慣性力之間的相位差不大于0.2°,即：u?(△φ)=0.2°(A.25)(3)多次測量重復(fù)性的不確定度分量u?(△φ)傳感器相位延遲是在不改變其他實驗條件的前提下，進行10次測量獲得的平均值，其標準偏差小于0.2°,因此根據(jù)以上不確定度分量的實際數(shù)據(jù)，可以獲得系統(tǒng)在參考頻率80相位延遲測量合成標準不確定度為：ue.(△φ)=√u.(△φ)+