冲击测量仪校准规范

1冲击测量仪校准规范本规范适用于表征冲击性能采用冲击加速度峰值范围为(50～2.0×10⁶)m/s²,脉冲持续时间范围为(0.015～10)ms的各类冲击加速度时间历程的冲击测量仪，包括带/不带适调放大器和显示部分的标准冲击加速度测量仪和工作冲击加速度测量仪，注：脉冲持续时间大于10ms可参照本规范执行。本规范引用了下列文件：GB/T20485.1—2008振动与冲击传感器校准方法第1部分：基本概念GB/T20485.13—2007振动与冲击传感器校准方法第13部分：激光干涉法冲GB/T20485.22—2008振动与冲击传感器校准方法第22部分：冲击比较法校凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本规范；凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本规范。冲击测量仪是用于冲击加速度时间历程测量的仪器，主要用其峰值和脉冲持续时间来表征。通常由加速度计、适调放大器和信号处理及显示部分(或数据采集硬件和由软件实现信号处理的计算机)组成。冲击加速度激光测量仪是利用激光多普勒效应，最终实现冲击加速度峰值和脉冲持续时间的非接触式测量，其主要由激光干涉仪和信号采集或图1冲击测量仪结构简图JJF1943—20212冲击测量仪按用途分为标准冲击加速度测量仪和工作冲击加速度测量仪。标准加速度计与配套的适调放大器通常称为冲击加速度标准套组。4计量特性4.1冲击套组的冲击加速度峰值灵敏度冲击套组的冲击加速度峰值灵敏度见表1。表1冲击套组的冲击加速度峰值灵敏度测量不确定度仪器类型测量方法测量范围冲击加速度峰值灵敏度测量相对扩展不确定度Urel(k=2)冲击加速度标准套组绝对法冲击加速度峰值:(50~2.0×104)m/s2脉冲持续时间:(0.2~10)ms1%冲击加速度峰值:(>2.0×104~1.0×105)m/s2脉冲持续时间:(0.05~0.2)ms2%冲击加速度工作套组绝对法或比较法冲击加速度峰值:(50~1.0×105)m/s2脉冲持续时间:(0.05~10)ms3%~10%冲击加速度峰值:(>1.0×105~1.0×106)m/s2脉冲持续时间:(0.02~0.05)ms10%~15%冲击加速度峰值:(>1.0×106~2.0×106)m/s2脉冲持续时间:(0.015~0.02)ms15%~20%4.2冲击加速度标准套组的加速度峰值灵敏度年稳定度冲击加速度标准套组的加速度峰值灵敏度年稳定度应小于1%(1.0×104m/s2或其他合适的加速度峰值点)。4.3冲击加速度峰值示值误差冲击加速度峰值示值误差见表2。表2冲击加速度峰值的示值误差仪器类型测量范围冲击加速度峰值示值误差标准冲击加速度测量仪冲击加速度峰值:(50~2.0×104)m/s2脉冲持续时间:(0.2~10)ms±2%冲击加速度峰值:(2.0×104~1.0×105)m/s2脉冲持续时间:(0.05~0.2)ms±3%3表2(续)仪器类型测量范围冲击加速度峰值示值误差冲击加速度激光测量仪冲击加速度峰值:(50~1.0×105)m/s2脉冲持续时间:(0.05~10)ms±1%冲击加速度峰值:(>1.0×105~1.0×106)m/s2脉冲持续时间:(0.02~0.05)ms±3%冲击加速度峰值:(>1.0×106~2.0×106)m/s2脉冲持续时间:(0.015~0.02)ms±5%工作冲击加速度测量仪冲击加速度峰值:(50~1.0×105)m/s2脉冲持续时间:(0.05~10)ms±(3%~10%)冲击加速度峰值:(>1.0×105~1.0×106)m/s2脉冲持续时间:(0.02~0.05)ms±15%冲击加速度峰值:(>1.0×106~2.0×106)m/s2脉冲持续时间:(0.015~0.02)ms±20%4.4冲击加速度峰值测量的重复性冲击加速度峰值测量的重复性见表3。表3冲击加速度峰值测量的重复性冲击测量仪类型范围冲击加速度峰值重复性标准冲击加速度测量仪(或冲击加速度标准套组)冲击加速度峰值:(50~2.0×104)m/s2脉冲持续时间:(0.2~10)ms1%冲击加速度峰值:(>2.0×104~1.0×105)m/s2脉冲持续时间:(0.05~0.2)ms2%冲击加速度激光测量仪冲击加速度峰值:(50~1.0×105)m/s2脉冲持续时间:(0.05~10)ms1%冲击加速度峰值:(>1.0×105~1.0×106)m/s2脉冲持续时间:(0.02~0.05)ms2%冲击加速度峰值:(>1.0×106~2.0×106)m/s2脉冲持续时间:(0.015~0.02)ms3%4表3(续)冲击测量仪类型范围冲击加速度峰值重复性工作冲击加速度测量仪冲击加速度峰值:(50~1.0×105)m/s2脉冲持续时间:(0.05~10)ms3%冲击加速度峰值:(>1.0×105~1.0×106)m/s2脉冲持续时间:(0.02~0.05)ms10%冲击加速度峰值:(>1.0×106~2.0×106)m/s2脉冲持续时间:(0.015~0.02)ms20%4.5脉冲持续时间示值误差冲击测量仪脉冲持续时间测量的示值误差不超过±10%。4.6速度改变量示值误差(如适用)冲击测量仪速度改变量的示值误差不超过±10%。4.7冲击加速度幅值线性度冲击测量仪幅值线性度与测量所施加的冲击加速度峰值和脉冲持续时间有关,其值应满足表4所示的要求。表4冲击加速度幅值线性度仪器类型测量范围幅值线性度标准冲击加速度测量仪(或冲击加速度标准套组)冲击加速度峰值:(50~2.0×104)m/s2脉冲持续时间:(0.2~10)ms1%冲击加速度峰值:(>2.0×104~1.0×105)m/s2脉冲持续时间:(0.05~0.2)ms3%冲击加速度激光测量仪冲击加速度峰值:(50~1.0×105)m/s2脉冲持续时间:(0.05~10)ms1%冲击加速度峰值:(>1.0×105~1.0×106)m/s2脉冲持续时间:(0.02~0.05)ms2%冲击加速度峰值:(>1.0×106~2.0×106)m/s2脉冲持续时间:(0.015~0.02)ms3%工作冲击加速度测量仪冲击加速度峰值:(50~1.0×105)m/s2脉冲持续时间:(0.05~10)ms10%冲击加速度峰值:(>1.0×105~1.0×106)m/s2脉冲持续时间:(0.02~0.05)ms15%冲击加速度峰值:(>1.0×106~2.0×106)m/s2脉冲持续时间:(0.015~0.02)ms20%JJF1943—202154.8通道一致性(如适用)任意两通道间的加速度峰值一致性应优于0.3dB,相位一致性应优于3°。4.9动态范围(如适用)冲击测量仪动态范围一般大于45dB。5校准条件5.1环境条件5.1.1温度:采用绝对法校准时为(23±3)℃;采用比较法校准时为(23±5)℃。5.1.2相对湿度:不大于75%。5.1.3电源电压波动量不应超过额定值的10%。5.1.4实验室及周围环境应无强振源,无强电磁场的干扰。5.2校准用标准装置5.2.1冲击加速度标准/校准装置用作冲击加速度标准/校准装置主标准器的标准冲击加速度测量仪(或冲击加速度标准套组)或冲击加速度激光测量仪需采用绝对法冲击计量基准或计量标准装置进行校准,其他的冲击测量仪可采用绝对法或者比较法的冲击加速度标准装置校准。5.2.2冲击波形记录仪(可任选其一)5.2.2.1数字存储示波器示波器的位数不小于12位,采样率不低于100MHz,带宽不小于1MHz,积分误差小于1%。5.2.2.2数据采集系统数据采集系统或波形记录仪的幅值分辨率、采样率以及存储空间应满足冲击加速度测量的需要。通常,采集卡的幅值分辨率不低于10位,采样率至少大于10/T,T为冲击波形的脉冲持续时间。采用电荷放大器积分得到冲击速度波形的测量系统,其单次积分误差应小于3%;采用软件积分得到冲击速度波形的,积分误差应小于2%。5.2.2.3动态信号分析仪动态信号分析仪频率示值误差优于0.01%,频谱幅值示值误差优于2%,仪器任意两通道间幅值一致性优于0.1dB,相位一致性优于1°。5.2.3滤波器为避免信号混叠和抑制噪声所用的滤波器应有适当的幅频和相频响应,其选择的截止频率的滤波效果对校准结果的影响应满足测量不确定度的要求。5.2.4标准电容(可选)1000pF或10000pF的标准电容,其准确度等级为0.1级。5.2.5正弦信号发生器(可选)正弦信号发生器产生单频正弦信号的失真度小于0.1%,频率稳定性优于0.1%,幅值稳定性优于1%(8h)。JJF1943—202166校准项目和校准方法6.1冲击加速度峰值灵敏度的校准采用规定的扭矩值,将被校冲击测量仪的加速度计刚性固定在冲击标准/校准装置上,其配用的适调放大器灵敏度设置在1pC/Unit(或者mV/Unit)。在被校冲击测量仪量程范围内选择建议不少于7个点(含最小和最大加速度峰值)进行测量,得到一组标准冲击加速度峰值ai条件下的冲击加速度灵敏度Si,i=1,2,…,N,N为冲击校准点数。冲击加速度峰值灵敏度Si扩展不确定度参照附录A或附录B评定。6.2冲击加速度峰值示值误差的校准在冲击测量仪的使用量程范围内选择建议不少于7个校准点(含最小和最大加速度峰值),冲击测量仪设置在相应的冲击加速度灵敏度挡位。在选择的校准点各测量一次,分别得到标准冲击加速度峰值与冲击测量仪示值两个测量列a0,i与a1,i;同时记录下与其对应的脉冲持续时间测量列T0,i与T1,i。脉冲持续时间是冲击加速度上升至峰值的10%和下降至该值的时间间隔。若被校冲击测量仪具有积分功能,还需记录由冲击加速度标准/校准装置计算得到的速度改变量v0,i和冲击测量仪计算的速度改变量v1,i。按公式(1)计算各点的加速度示值误差δa,i:δa,i×100%,i=1,2,…,N(1)6.3冲击加速度峰值测量重复性的校准在标准/校准装置能够产生重复冲击加速度条件下,根据冲击测量仪量程在使用范围内选择常用的冲击加速度峰值进行校准。对于选择的每个校准点,在同一冲击加速度峰值与脉冲持续时间条件下,连续进行不少于6次冲击试验,并分别记录标准冲击加速度峰值a0,i和被校冲击测量仪读数a1,i,i=1,2,3,…,N,N为测量次数(N≥6)。冲击测量仪测量的冲击加速度峰值a1,i与标准装置产生的标准冲击加速度峰值a0,i的差值aΔ,i=a1,i-a0,i,按公式(2)计算测量仪的重复性sR:s1a1sRs1a1式中:×100%(2) s1以标准不确定度表征的重复性标准差,s1=(,iaΔ)2,m/s2;a1多次测量得到的a1,i的算术平均值,a1=1,i,m/s2;aΔ多次测量得到的aΔ,i的算术平均值,aΔ=Δ,i,m/s2。JJF1943—20217选择重复性测量中较差的一点作为校准结果。6.4脉冲持续时间示值误差的校准按公式(3),用6.2中测得的两个脉冲持续时间测量列T0,i与T1,i,计算各点的脉冲持续时间的示值误差δt,i:δt,i=×100%,i=1,2,…,N(3)6.5速度改变量示值误差的校准按公式(4),用6.2测得的两个速度改变量测量列v0,i与v1,i,计算各点的速度改变量的示值误差δt,i:δv,i×100%,i=1,2,…,N(4)6.6加速度幅值线性度的校准加速度幅值线性度可用6.1测得的标准加速度峰值ai和相应的加速度峰值灵敏度Si,通过最小二乘算法进行线性回归运算后获得,即:S=S0+Ka(5)K=i=∑a-Na2i=1S0=S-K=i=∑a-Na2i=1S0=S-KaN(6)式中:S0—回归直线的截距,mV/(m·s-2)或pC/(m·s-2);K—回归直线的斜率,mV/(m2·s-4)或pC/(m·s-4);S—加速度峰值灵敏度Si的平均值,mV/(m·s-2)或pC/(m·s-2);a—标准加速度峰值ai的平均值,m/s2。注:因冲击加速度峰值灵敏度与校准所采用的冲击加速度时域波形和脉冲持续时间有关,故计算线性拟合参数时需注明校准条件。计算得到回归直线的参数后,有两种表示方法:γ=K×100%amaxγ=×100%10000m/s2(7)(8)JJF1943—20218式中:γ—加速度幅值线性度,%;amax—6.2中测量的冲击加速度峰值的最大值。公式(7)表示测量仪在最大加速度峰值处的幅值线性度;公式(8)表示测量仪每方法。6.7通道一致性的校准此项适用于多通道冲击测量仪的校准。校准通道数的选择一般根据用户要求而定,可以两两通道分别校准。通道的幅值和相位一致性采用电信号校准的方法。采用标准电容(如1000pF或10000pF)代替加速度计,用频率1kHz(或根据实际情况自选)、幅度为1V(或适用的电压幅度)的标准正弦信号同时输入到冲击测量仪的两个被校准通道中,两通道的输出接入动态信号分析仪或者采用的软件测量系统中,分别对两路信号进行幅值与相位分析,用其差值可直接测得两通道的幅值一致性和相位一致性。6.8动态范围的校准选择冲击测量仪最大增益档位(如1000mV/Unit),连接好加速度计,将冲击测量仪输出接入动态信号分析仪或软件测量系统,打开电源,在加速度计静止状态下,测量并计算得到噪声的方差为σ2;该档位最大可测的正弦电压峰值为U(说明书给定的),则动态范围D(单位为dB)为:D=10log(9)7校准结果表达校准证书应至少包括以下信息:a)标题:“校准证书”;b)实验室名称和地址;c)进行校准的地点(如果与实验室的地址不同);d)证书的唯一性标识(如编号)、页码及总页数;e)客户的名称和地址;f)被校对象的描述和明确标识;g)进行校准的日期,如果与校准结果的有效性和应用有关时,应说明被校对象的接受日期;h)校准所依据的技术规范的名称及代号;i)本次校准所用测量标准的溯源性及有效性说明;j)校准环境的描述;k)校准结果及其测量不确定度的说明;l)对校准规范的偏离说明;9m)校准人员、核验人员及批准人签名;n)校准结果仅对被校对象有效的声明;o)校准证书签发日期以及复校时间间隔的建议;p)未经校准实验室书面批准,不得部分复制证书的声明。8复校时间间隔冲击加速度测量仪复校时间间隔建议为1年。由于复校时间间隔的长短是由仪器的使用情况、使用者、仪器本身质量等诸多因素所决定,因此送校单位可根据实际使用情况自主决定复校时间间隔。绝对法校准冲击加速度峰值灵敏度的测量不确定度评定示例采用激光绝对法校准的冲击加速度测量仪和冲击加速度激光测量仪测量结果的不确定度参照GB/T20485.13—2007《振动与冲击传感器校准方法第13部分：激光干涉法冲击绝对校准》评定。本评定以激光绝对法校准工作冲击测量仪为例。A.1测量方法绝对法校准冲击加速度是指采用激光干涉法测量冲击过程时间一位移信号，从而实现加速度计校准的过程。绝对法冲击加速度校准系统一般由机械冲击激励源、激光干涉仪以及相应的数据处理软件部分组成。图A.1所示的是一个典型的加速度计安装以及激光测量点位置的示意图。A.2测量模型冲击灵敏度定义为冲击测量仪输出电压的峰值与冲击加速度物理量峰值之比。如V₀——被校冲击测量仪输出电压的峰值，mV;ap——激光干涉仪测量得到的冲击加速度峰值，m/s²;Ssh——被校冲击测量仪冲击灵敏度校准结果，mV/(m·s-2)。冲击测量仪冲击加速度峰值灵敏度校准结果的相对扩展不确定度用公式(A.2)式中，包含因子k=2。A.3标准不确定度分量评定以绝对法机械碰撞式冲击加速度标准/校准装置在冲击加速度峰值约1000g,脉冲持续时间约为0.5ms时，校准某工作冲击测量仪冲击加速度峰值灵敏度为例，其不确定度分量如表A.1所示。JJF1943—202111表A.1不确定度分量不确定度分量描述评定方法相对标准不确定度/%A.标准冲击加速度幅值1干涉仪正交输出信号的干扰对加速度峰值测量的影响u1(Ssh)B0.52干涉信号滤波(包括频率带宽的限制)对加速度峰值测量的影响u2(Ssh)B0.53等)u3(Ssh)B0.24相对运动干扰对加速度峰值测量的影响u4(Ssh)B0.25相位干扰对加速度峰值测量的影声)u5(Ssh)B0.26其他干涉技术对加速度峰值测量的影响u6(Ssh)B0.2B.冲击测量仪输出电压7冲击测量仪输出电压峰值测量的误差(ADC分辨力等)u7(Ssh)B0.58电压滤波对冲击测量仪输出电压峰值测量的影响u8(Ssh)B0.89等)u9(Ssh)B0.610横向、摇摆等对加速度计输出电压峰值的影响u10(Ssh)B0.511冲击测量仪适调放大器的幅频特性偏差u11(Ssh)B0.312冲击测量仪适调放大器的线性偏差u12(Ssh)B0.313安装对加速度计的影响u13(Ssh)B0.214温度湿度等环境条件的影响u14(Ssh)B0.1C.其他因素15计算方法引起的加速度峰值失真影响u15(Ssh)B0.216零基线u16(Ssh)B0.317其他噪声对加速度峰值的影响u17(Ssh)A0.2A.4合成标准不确定度计算按照公式(A.2)对表A.1中的各个分量进行合成,可得:uc,rel(Ssh)==1.61%JJF1943—202112A.5扩展不确定度计算取包含因子k=2,冲击加速度峰值1000g,脉冲持续时间0.5ms时,冲击加速度峰值相对扩展不确定度为:Urel=kuc,rel(Ssh)=3.22%≈3.2%比较法校准冲击加速度峰值灵敏度的测量不确定度评定示例采用比较法校准的冲击加速度测量仪测量结果的不确定度参照GB/T20485.22—2008《振动与冲击传感器校准方法第22部分：冲击比较法校准》评定。本评定以比较法冲击校准工作冲击测量仪为例。B.1测量方法比较法冲击加速度校准主要是指采用测量随时间变化的标准加速度、速度或者力的方法，对直线加速度计进行校准。标准加速度一般采用经激光绝对法冲击校准的冲击加速度标准套组测量得到。比较法冲击加速度标准/校准装置一般由机械冲击激励源、标准加速度测量系统和相应的数据处理软件组成。常见的机械冲击激励源包括砧子式冲击校准器、落锤式冲击校准器、落球式冲击校准器和气动活塞式冲击校准器。图B.1为典型的比较法冲击加速度校准的安装形式。B.2测量模型冲击加速度峰值灵敏度定义为被校测量仪输出电压的峰值与标准冲击加速度峰值之比。如公式(B.1)所示。V,——被校冲击测量仪输出电压的峰值，mV;ap——冲击加速度标准套组测量得到的标准冲击加速度峰值，m/s²;Ssh——冲击测量仪冲击灵敏度校准结果，mV/(m·s-2)。冲击测量仪冲击加速度灵敏度校准结果的相对扩展不确定度用公式(B.2)计算。式中，包含因子k=2。B.3分析和计算标准不确定度分量以比较法砧子式冲击加速度标准/校准装置在冲击加速度峰值约1000g、脉冲持续JJF1943—202114时间约为0.5ms时,校准某工作冲击测量仪冲击灵敏度为例,其不确定度分量如表B.1所示。表B.1不确定度分量不确定度分量描述评定方法相对标准不确定度/%A.标准加速度峰值1参考灵敏度u1(Ssh)的测量不确定度B1.02安装在砧子上标准加速度计的相对运动u2(Ssh)B0.53旋转或横向运动对标准加速度计的影响u3(Ssh)B0.34标准加速度计/适调放大器的稳定性u4(Ssh)B0.35标准加速度计/适调放大器幅值线性度u5(Ssh)B0.36电压滤波对标准加速度测量的影响u6(Ssh)B0.57电压干扰对标准加速度测量的影响u7(Ssh)B0.3B.冲击测量仪输出电压