多分量力传感器校准规范

1多分量力传感器校准规范本规范适用于压电式及应变式多分量力传感器的静态校准。2引用文件本规范引用下列技术文件：JJG391—2009力传感器JJG632—1989动态力传感器JJF1011—2006力值与硬度计量术语及定义JJF(军工)20—2012多分量测力仪校准规范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。3术语和计量单位3.1单分量校准calibrationofacomponent对多分量力传感器的某一个分量单独进行校准的过程。3.2多分量校准calibrationofmulti-component对多分量力传感器的两个或两个以上分量同时施加载荷进行校准的过程。3.3耦合误差couplingerror某分量负荷作用到传感器上时，引起的其他分量负荷输出的变化与其他分量额定负荷作用下输出的比值。多分量力传感器指能同时对力矢量的六个广义力分量中至少两个分量进行测量的力5计量特性多分量力传感器计量特性见表1。1零点输出2回零差3额定输出2表1(续)456滞后7直线度86.1环境条件环境温度：15℃~25℃相对湿度：≤80%其他条件：校准时不得有影响校准结果的干扰源。6.2校准用仪器设备校准所用设备应经过计量技术机构检定(或校准),满足校准使用要求，并在有效期内，量程范围应覆盖被校准多分量力传感器测量范围。6.2.1多分量力传感器校准装置其各分量复现量值的测量不确定度小于被校准多分量力传感器相应分量测量不确定度的1/3。6.2.2力标准机其力值不确定度小于被校多分量力传感器相应量值测量不确定度的1/3。6.2.3扭矩标准装置其力矩不确定度小于被校多分量力传感器相应量值测量不确定度的1/3。6.2.4激励电源多分量力传感器校准中使用的激励电源输出电压的4h稳定性，应不超过多分量力传感器相应准确度指标的1/5。6.2.5指示仪表多分量力传感器校准中使用的指示仪表(包括可向多分量力传感器提供激励电压的指示仪表)的相关准确度指标，原则上应不超过被校多分量力传感器相应准确度指标的相关技术指标的最大允许误差，应不超过被校多分量力传感器相应准确度指标的6.2.7数据采集系统数据采集系统应具有多路通道同步采样功能，其通道数应不小于多分量力传感器和校准装置数据输出通道数之和。数据采集系统的采样频率应不小于多分量力传感器使用3时输出信号频率的20倍。6.2.8专用夹具专用夹具各个加荷位置与多分量力传感器本身受力点之间的有效长度的相对测量不确定度应小于0.05%(k=2)。7校准项目和校准方法7.1.1确定校准项目校准项目可根据被校多分量力传感器的预期用途选择使用，对校准规范的偏离，应在校准证书中注明。7.1.2放置时间传感器应在规定环境条件下放置足够长的时间，推荐放置时间不少于8h。7.1.3安装及加荷条件按照说明书的要求，将专门的夹具与多分量力传感器正确安装。加荷时应保证多分量力传感器各受力轴线和加荷轴线相重合，使倾斜负荷和偏心负荷的影响减到最小。7.1.4连接及预热校准前必须按照正确的接线方法将多分量力传感器与其相连的指示仪器，激励电源等进行连接，调节激励电源，将其输出电压调节到多分量力传感器规定的激励电压，并通电预热。预热时间应符合说明书的要求。7.1.5预负荷根据多分量力传感器说明书等资料确认校准分量和各分量的测量范围。在每一个分量进行校准之前均应施加预负荷，保持时间一般为30s。7.1.6校准范围和校准点的选择各分量的校准范围一般为零负荷至额定负荷，或根据用户需要确定，各分量的校准100%,或根据用户需要确定。7.2零点输出7.2.1按照7.1.5的规定进行预负荷，读取最后一次预负荷卸荷后的零负荷输出值。7.2.2各分量的零点输出按公式(1)进行计算。Z;——第i个分量的零点输出，%FS;i——分量序号；4θz;施加第i个分量最后一次预负荷后的相应分量零负荷下的读数，mV,V;θn;第i个分量单独校准时额定负荷下输出的平均值，mV,V。7.3.1按照7.1.5的规定进行预负荷，读取最后一次预负荷前后指示器的零负荷输7.3.2各分量的回零差按公式(2)进行计算。Zn——第i个分量的回零差，%FS;θz——施加第i个分量最后一次预负荷前的相应分量零负荷下的读数，mV,V。7.4额定输出7.4.1根据需要确定被校分量，调整指示器参数，读取零负荷输出。7.4.2连续施加三次预负荷，每次卸载后，检查指示器回零，重新调整和记录零负荷7.4.3按负荷递增顺序对各校准点逐点施加载荷，直到额定载荷。校准时在每一级载荷达到后，保持一定时间，保持时间一般取30s。7.4.4达到额定负荷后，按负荷递减顺序卸载，直到零负荷。校准时在每一级载荷达到后，保持一定时间，保持时间一般取30s。退回到零负荷后，保持30s,读数并调整指示器零点。7.4.5重复进行7.4.3～7.4.4三次。7.4.6确定下一被校准分量，按7.4.2～7.4.5进行校准，直到所有分量校准完毕。7.4.7各分量的额定输出按公式(3)进行计算。 θzi第i个分量校准时，零负荷下读数的平均值，mV,V。7.5输出灵敏度7.5.1与7.4的校准同步进行。7.5.2对于应变式力传感器，各分量在额定负荷下的输出灵敏度按公式(4)进行S第i个分量校准时额定负荷下的灵敏度，mV/V;V;——第i个分量校准试验开始时测得的激励电压，V。7.5.3对于压电式力传感器，各分量在额定负荷下的输出灵敏度按公式(5)进行5Sg——第i个分量校准时额定负荷下的电荷灵敏度，pC/NVi——第i个分量校准时额定负荷下的输出读数，V;G;——第i个分量校准时电荷放大器设定的衰减挡读数，N/V或Nm/V;D:—第i个分量校准时电荷放大器设定的归一化读数，pC/N;Fni——第i个分量的额定负荷，N或Nm。7.6.1与7.4的校准同步进行。7.6.2各分量的重复性按公式(6)进行计算。R:——第i个分量的重复性，%FS;△θR——第i个分量在进程重复校准时各负荷点输出的极差值，mV,V。7.7.1与7.4的校准同步进行。7.7.2各分量的滞后按公式(7)进行计算。H:——第i个分量的滞后，%FS;△θhi——第i个分量的回程校准曲线与进程校准曲线偏差的最大值，mV,V。7.8直线度7.8.1与7.4的校准同步进行。7.8.2各分量的直线度按公式(8)进行计算。L;——第i个分量的直线度，%FS;△OL₁——第i个分量的进程平均校准曲线7.9耦合误差7.9.1确定组合方案7.9.1.1多分量力传感器的分量组合见表2。6FFF十十十十十十 十十十十F十十十十十十十十一十十十十十十 十十十十十十 1上表中“十”表示可实现组合，“一”表示不可实现组合；2主分量是指在校准过程中任意选定一个分量，根据一定原则(影响)选定另一个或几个分量作为影响量同时加载，用来校准影响量对选定的主分量的影响。7.9.1.2按照用户要求，选择要校准的分量并选择全部或部分组合试验。7.9.1.3选择主分量和影响分量的零负荷点作为第一个校准点，也可根据需要施加一定的预负荷后，将指示器清零，作为零负荷校准点。7.9.1.4对每一种组合情况可根据需要在主分量的量程范围内选择负荷点，在其影响分量测量范围内根据用户需要选择负荷点进行组合试验。7.9.1.5进行两分量组合校准时，在主分量加荷条件下，其余各分量依次进行单独加荷，分别校准这些分量对主分量的耦合误差。7.9.2校准程序7.9.2.1在多分量力传感器上同时施加选定的各分量负荷的最大值，再卸回零负荷，施加预负荷过程3次。7.9.2.2记录零负荷状态下各分量示值。7.9.2.3按照选定的校准方案，先施加某主分量，在第一级负荷(包括零负荷点)加到后，读取各分量输出值。7.9.2.4逐步施加各影响分量的各个负荷(包括零负荷点),分别读取各负荷加载后多分量力传感器各分量的输出值，直到最大负荷后卸除影响分量，读取各分量的输出值。7.9.2.5施加主分量的下级负荷，读取各分量输出值，再按7.9.2.4进行各影响分量7.9.2.6顺序施加主分量选定的其他负荷点，按7.9.2.5的规定，进行主分量其他负荷点的组合试验，直到选定的主分量各负荷点组合试验全部完成，将所有分量的负荷都卸到零负荷，读取各分量的输出。7.9.2.7按7.9.2.2～7.9.2.6进行其他选定的主分量组合试验。7.9.3计算校准结果7各分量的耦合误差按公式(9)进行计算。时施加影响分量j的各个负荷后主分量i对应负荷点输出进程平均示值之8校准结果表达校准结果应在校准证书或校准报告上反映。校准证书或报告应至少包括如下信息：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)证书或报告的唯一性标识(如编号),每页及总页数的标识e)送校单位的名称和地址；f)被校对象的描述和明确标识；g)进行校准的日期，若与校准结果的有效性及应用有关时，应说明被校对象的接h)如果与校准结果的有效性及应用有关时，应对被校样品的抽样程序进行说明；i)对校准所依据的技术规范的标识，包括名称及代号；j)本次校准所用测量标准的溯源性及有效性说明；k)校准环境的描述；I)校准结果及其测量不确定度的说明m)对校准规范的偏离的说明；n)校准证书或校准报告签发人的签名、职务或等效标识，以及签发日期；o)校准结果仅是对被校对象有效的声明；p)未经实验室书面批准，不得部分复制证书或报告的声明。经校准的多分量力传感器，发给校准证书或校准报告，加盖校准印章。9复校时间间隔由于复校时间间隔的长短是由仪器的使用情况、使用者、仪器本身质量等诸因素所决定的，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，复校时间间隔建议为1年。88附录A负荷重复性滞后理论值误差不确定度回程123平均值123平均值回零回零差测量范围9表A.2多分量组合校准记录对主分量的耦合影响 主分量输出影响量输出回零差表A.3校准证书内页格式测量点滞后线性误差测量范围回零差 一 附录B输出灵敏度校准结果的测量不确定度评定B.1测量模型输出灵敏度按公式(B.1)计算：式中：S多分量力传感器第i个分量单独校准时额定负荷下的输出灵敏度，mV/V;θ多分量力传感器第i个分量单独校准时额定负荷下的输出平均值，mV;V;——多分量力传感器第i个分量单独校准时激励电压的平均值，V。B.2灵敏系数按照不确定度传播律，S,的合成标准不确定度按公式(B.2)计算：u₆(Sn)=√c²(0m)×u²(0m)+c²(V)×u灵敏系数按公式(B.3)和(B.4)计算：B.3不确定度来源分析B.3.1u(θm)的来源如下：a)示值重复性引入的测量不确定度u₁;b)力标准装置引入的测量不确定度uz;c)指示仪表的示值分辨力引入的测量不确定度u₃。B.3.2u(V₁)主要来源于激励电源的不稳定。B.4测量不确定度评定B.4.1多分量力传感器在额定负荷下示值的相对标准不确定度u(0m)a)重复性测量引入的相对标准不确定度按式(B.5)计算：uiwt——示值重复性引入的相对测量不确定度，%;评定如下：△0m——多分量力传感器在额定负荷下示值多次校准数据的极差，mV;b,根据测量次数查表得到的系数；n——测量次数。b)力标准装置引入的相对测量不确定度按式(B.6)计算uza——力标准机引入的相对测量不确定度，%;Up力标准机的相对扩展不确定度，%;k₂——包含因子。c)指示仪表的示值分辨力引入的相对测量不确定度指示器分辨力为r,假设其服从均匀分布，则相对标准不确定按式(B.7)计算：usra——指示仪表的示值分辨力引入的相对测量不确定度，%。ure(0m)=√uira²+uzra²+UB.4.2urel(V₁)按公式(B.9)计算：u(V₁)——由激励电源的不稳定引入的相对测量不确定度，%;B.5合成标准不确定度相对合成标准不确定度按公式(B.10)计算：uera(Sr)=√u²a(0m)+u²(V₁)B.6相对扩展不确定度测量结果按正态分布，取k=2,则相对扩展不确定度按公式(B.11)计算：B.7测量不确定度评定实例B.7.1采用0.01级杠杆式力标准机对多分量力传感器进行校准，得到的试验数据见表B.1。负荷z方向指示器读数/mV检定前后电压10.001V,10.005V回程123123000000000负荷z方向指示器读数/mV检定前后电压10.001V,10.005V回程123123B.7.2不确定度分量的计算采用三次测量得到的试验数据，极差系数C=1.69,力标准机准确度等级为0.01级，多分量力传感器仪表示值分辨力为0.001mV,根据公式(B.5)、(B.6)、(B.7)计算出不确定度分量ulrel、uzrel、uarel,并根据公式(B.8)计算出额定负荷下的相对合成不确定度。B.7.3相对扩展不确定度取包含因子k=2,则试验力示值误差测量结果的相对扩展不确定度按公式(B.11)计算，结果为Ue(S)=2ueel(Si)=0.06%,取U两分量组合校准时输出灵敏度耦合误差的测量不确定度评定C.1测量模型两分量组合校准时输出灵敏度耦合误差按公式(C.1)计算：Cs.;——影响分量j对主分量i的输出灵敏度的影响，%FS;△0c;——单独施加主分量i的各个负荷点(包括零负荷点)时进程平均示值与同时施加影响分量j的各个负荷后主分量i对应负荷点输出进程平均示值之0cjm——施加第i个分量的第m个负荷点时，同时施加影响分量j后读取的分量i的进程平均示值，mV,V,N,Nm;当在主分量i的第m个负荷点时，影响分量j取多个试验点逐级加载来进行组合试验时，取试验过程中组合加载与独立加载时i分量该负荷点输出偏差最大的进程平均示值来进C.2灵敏系数按照不确定度传播律，Cs;;的合成标准不确定度按公式(C.2)计算：ue(Csi)=√c²(θcjm)×u²(θcjm)+c²(0m)×u²(0;m)(C.2)灵敏系数按公式(C.3)和(C.4)计算：C.3不确定度来源分析C.3.1u(θcim)的来源如下：a)组合加载时，示值重复性引入的测量不确定度u₁;b)组合加载时，力标准装置引入的测量不确定度uz;c)组合加载时，指示仪表分辨力引入的测量不确定度ug。C.3.2u(θ:m)的来源如下：a)示值重复性引入的测量不确定度u₄;b)力标准装置引入的测量不确定度us;c)指示仪表的分辨力引入的测量不确定度us。C.4测量不确定度评定C.4.1组合加载时，传感器示值引入的不确定度u(0cjm)评定如下：a)重复性测量引入的相对标准不确定度按式(C.5)计算：uiel——示值重复性引入的相对测量不确定度，%;△θcjm——多分量力传感器多次校准数据的极差mV;b₄——根据测量次数查表得到的系数；b)力标准装置引入的相对测量不确定度按式(C.6)计算：uzra——力标准机引人的相对测量不确定度，%;Ug——校准装置的相对扩展不确定度，%;c)指示仪表的示值分辨力引入的相对测量不确定度指示器分辨力为r,假设其服从均匀分布，则相对标准不确定按式(C.7)计算u₃rel——指示仪表的示值分辨力引入的相对测量不确定度，%。ura(θcim)按式(C.8)计算：uza(θcjm)=√uxa²+uza²+usa²C.4.2单分量加载时，传感器示值引入的不确定度u(0m)评定如下：a)重复性测量引入的相对标准不确定度按式(C.9)计算：u₄red——示值重复性引入的相对测量不确定度，%;b₄——根据测量次数查表得到的系数；b)力标准装置引入的相对测量不确定度按式(C.10)计算：