加速度过载传感器校准规范

JJF2038—20231加速度过载传感器校准规范1范围本规范规定了加速度过载传感器[频率范围为(0~100)Hz]校准项目和校准方法,适用于在给定加速度变化率小于100m/s3情况下的加速度过载传感器校准。2引用文件本规范引用了下列文件:JJF1116—2004线加速度计的精密离心机校准规范JJF1675—2017惯性技术计量术语及定义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JJF1675—2017确立的以及下列术语、定义和符号适用于本规范。3.1加速度过载传感器accelerationoverloadsensor一种能够测量或承受一定范围内加速度的仪表。3.2通断类加速度过载传感器accelerationoverloadswitch在一定的加速度作用下会闭合或者断开的一种加速度过载传感器。又称加速度过载开关。3.3横向灵敏度比transversesensitivityratio加速度过载传感器横向灵敏度与灵敏轴方向的灵敏度的百分比。它表征加速度过载传感器的质量优劣。3.4工作阈值workingthreshold通断类加速度过载传感器从一种状态变成另一种状态(即从闭合变成断开或者从断开变成闭合)所需的最小加速度。又称工作值。注:当给定的加速度大于等于该最小加速度时,通断类加速度过载传感器都会发生状态改变。4概述4.1分类加速度过载传感器按照其原理不同可以分为两类:一类是通断类加速度过载传感器,当给其施加一定的加速度时,该加速度过载传感器会闭合(原状态是断开)或者断开(原状态是闭合);另一类是在全测量范围范围内有连续的电流或者电压等信号输出,通过数据采集器对该过载传感器的输出信号进行采集和处理,可以拟合得到其标度因数(也称灵敏度)、非线性度、二阶非线性系数等参数,为方便描述,这里称为非通断类加速度过载传感器。非通断类加速度过载传感器又可以分为应变式、压阻式、变电容式和伺服加速度计JJF2038—20232等类型。4.2用途加速度过载传感器主要用于记录运动载体可承受的过载加速度,也用于一些触发类控制和低精度惯性控制。5计量特性按照通断类和非通断类两种类型,加速度过载传感器的主要计量特性有所不同,如表1所示。表1加速度过载传感器的主要计量特性序号计量特性备注1测量范围适用于非通断类加速度过载传感器2标度因数3零偏4非线性度5二阶非线性系数6横向灵敏度比7工作阈值适用于通断类加速度过载传感器8工作阈值分辨力9工作阈值重复性10导通电阻11绝缘电阻6校准条件6.1校准环境条件1)环境温度:(23±5)℃;2)相对湿度:20%~85%;3)周围无强电磁场,无强震源,无腐蚀性气体。6.2校准用设备校准用设备及其技术指标如表2所示。表2校准用设备及推荐技术指标序号校准用设备技术指标用途1精密离心机0.1级测量范围非线性度二阶非线性系数横向灵敏度比JJF2038—20233表2(续)序号校准用设备技术指标用途1精密离心机0.1级工作阈值工作阈值分辨力工作阈值重复性2加速度计重力场法校准装置5等零偏标度因数3振动台频率:20Hz~2kHz峰值加速度:500m·s-2横向灵敏度比4导通电阻测试仪测量范围:0.1mΩ~600mΩ0.2级导通电阻5绝缘电阻测试仪测量范围:0.010MΩ~500.000MΩ测量误差:±5%绝缘电阻7校准项目和校准方法7.1校准项目校准项目见表3。表3校准项目一览表序号项目名称校准方法1非通断类加速度过载传感器测量范围7.2.1.12非线性度7.2.1.23二阶非线性系数7.2.1.34零偏7.2.1.55标度因数7.2.1.46横向灵敏度比7.2.1.67通断类加速度过载传感器工作阈值7.2.2.18工作阈值分辨力7.2.2.29工作阈值重复性7.2.2.310导通电阻7.2.2.411绝缘电阻7.2.2.57.2校准方法7.2.1非通断类加速度过载传感器7.2.1.1测量范围JJF2038—20234在加速度过载传感器名义测量范围内选择不少于5个校准点(必须包括名义测量范围上下限点),控制精密离心机到设定的校准点,采集加速度过载传感器的输出,并取其平均值,然后控制精密离心机到下一个设定的校准点,并采集加速度过载传感器的输出,取其平均值,直到完成全部校准点的控制和采集。满足产品技术指标要求的amax和amin为该加速度过载传感器测量范围的上限、下限。7.2.1.2非线性度1)将精密离心机上的分度装置回转轴调整到垂直位置,加速度过载传感器通过安装夹具固定在工作台上,使加速度过载传感器的输入基准轴与分度装置的回转轴垂直,并在回转过程中处于水平位置;2)将精密离心机的分度装置置于0°,加速度过载传感器的输入基准轴处于精密离心机工作半径方向,使加速度过载传感器和测试仪器、设备处于工作状态;3)获得工作半径(常用反算半径法,也可以通过测量计算得到);4)根据标准加速度点计算精密离心机转速,设置转速点[推荐转速点数n>4(m+2),其中m是模型方程系数的个数],按转速点调整精密离心机转速,使精密离心机转动,转速稳定后,在每个转速点上连续测量加速度过载传感器的输出值;5)精密离心机达到加速度过载传感器的测量范围上限后,逐点降低精密离心机转速,调整精密离心机分度装置上的加速度过载传感器安装夹具,绕精密离心机半径方向旋转180°,重复3)和4)。6)校准结果处理:计算在精密离心机升速和减速过程中加速度过载传感器在每个测试点的输出值Ei。把测量所得的加速度输出值数据序列Ei相对于实际给定的加速度∧序列用最小二乘法做线性拟合,直线上对应拟合点值为Ei,按式(1)、式(2)计算其非线性度。δE=maxEi-i(1)NL×100%(2)式中:δE—残差绝对值的最大值;NL—非线性度;amax—加速度过载传感器的测量范围上限值;amin—加速度过载传感器的测量范围下限值。7.2.1.3二阶非线性系数1)校准过程同7.2.1.2。2)数据处理计算精密离心机升速和减速过程中加速度过载传感器在每个测试点的输出值Ei,把加速度过载传感器输出值数据序列相对于给定的加速度作三阶多项式拟合,可分离出二阶非线性系数K2等(详细过程参考JJF1116—2004《线加速度计的精密离心机校准JJF2038—202357.2.1.4标度因数在重力场内进行多点翻滚法测试,以分离加速度过载传感器模型方程的各项系数,包括零偏、标度因数等。对于多点翻滚法中校准点数的选取,通常为四点法或八点法。1)加速度计重力场法校准装置转轴处于水平位置,并将加速度计重力场法校准装置转到0°位置,加速度过载传感器安装到加速度计重力场法校准装置上,输入基准轴位于水平方向,摆基准轴的正向垂直向上,输出基准轴与加速度计重力场法校准装置转轴平行。2)加速度过载传感器上电预热,输出稳定后记录加速度过载传感器的输出(稳定时间参照加速度过载传感器的具体技术条件要求,每次采集数据量不少于5个,取平均,下同);3)按角度增量θn=360/n转动加速度计重力场法校准装置,各转角依次为θn、、mθn(m=0,1,2,…,n-1),在每一角位置上记录加速度过载传感器的4)将加速度计重力场法校准装置旋转到360°,然后再反向旋转加速度计重力场法校准装置,按角度θn依次递减到0°,依次记录每一角位置上加速度过载传感器的输出值;5)分别计算加速度计重力场法校准装置正转和反转时各位置输出值的平均值Em。6)数据处理按照式(3)计算标度因数:K1=Emsinmθn+Emsin3mθn(3)式中:K1—标度因数;Em—加速度过载传感器在各位置时输出值的平均值;7.2.n5角度增量,θn=360/n,n=4或者8等。1)校准过程同7.2.1.4。2)校准结果处理按照式(4)计算零偏:K0=Em+Emcos2mθn(4)式中:K0—零偏。7.2.1.6横向灵敏度比方法一:精密离心机法61)将被校准加速度过载传感器刚性安装在精密离心机专用工装上。如图1所示，测量加速度过载传感器输出，记为V₁。2)控制精密离心机到被校准加速度过载传感器的最大加速度a,测量加速度过载传感器输出，记为V₂。3)加速度过载传感器横向灵敏度按式(5)计算：式中：V₂——被校准加速度过载传感器在精密离心机最大加速度时输出，mV;V₁——被校准加速度过载传感器在精密离心机静止时输出，mV;a——被校准加速度过载传感器的轴向加速度，m·s-2。4)停止精密离心机，绕被校准加速度过载传感器的灵敏度轴顺时针转动一个角度(在360°范围内以30°或45°为增量逐次旋转)。5)重复1)～4),直到转动360°。找出横向振动灵敏度最大值的方向，并做标记，得到其最大横向灵敏度STmax。按式(6)计算加速度过载传感器的横向灵敏度比。TSR——横向灵敏度比，%;STmax——被校准加速度过载传感器的最大横向灵敏度，mV/(m·s-2)S₂——被校准加速度过载传感器的轴向灵敏度，mV/(m·s-2)。方法二：振动法1)将被校准加速度过载传感器刚性安装在横向灵敏度校准装置(如振动台)台面7中心，如图2所示。2)在参考幅值和频率(推荐选8Hz)下激振，并测试加速度过载传感器灵敏轴方3)在相同的幅值和频率下沿垂直于灵敏轴方向起振，并使被校准加速度过载传感动(在360°范围内以30°或45°为增量逐次旋转),找出横向振动灵敏度最大值的方向，按式(6)计算加速度过载传感器的横向灵敏度比。图2振动法安装示意图按照被校准加速度过载传感器的名义工作阈值，根据1)适用于加速度上升段推荐从低于其名义工作阈值10%开始选择校准点，依次增大加速度，逐渐逼近名2)适用于加速度下降段推荐从高于其名义工作阈值10%开始选择校准点，依次降低加速度，逐渐逼近名根据上面选定的校准点，控制精密离心机到设定的校准点传感器闭合(加速度过载传感器初始状态是断开，下同)或者断开(加速度过载传感器初始状态是闭合，下同),则记录该校准点对应的加速度值，并停止精密离心机；否则，被校准加速度过载传感器闭合或者断开时精密离心机给定用7.2.2.1方法对加速度过载传感器进行测试，记录所测得的工作阈值为G,根据1)控制精密离心机加速度到G—△G,检查加速度过载传感器是否闭合或者断开。JJF2038—202382)若加速度过载传感器没有出现闭合或者断开,则增加ΔG,重复1)。3)若加速度过载传感器出现闭合或者断开,控制精密离心机加速度到G,检查加速度过载传感器是否闭合或者断开。4)若加速度过载传感器没有出现闭合或者断开,则重复2)。5)若加速度过载传感器出现闭合或者断开,则重复1)、3),共3次。取满足要求的ΔG为加速度过载传感器工作阈值分辨力。7.2.2.3工作阈值重复性用7.2.2.1方法对加速度过载传感器进行测试,记录所测得的工作阈值,重复测量n(n≥6)次。对每个工作阈值计算该次测试结果的平均值G及残差ui,见式(7)。式中:ui—残差; 式中:ui—残差; G—测量的工作阈值平均值;gi—每次测量的实际显示值。按公式(8)求出加速度过载传感器工作阈值重复性σ。 σ=u(8)式中:n—测量的次数;σ—重复性。7.2.2.4导通电阻连接加速度过载传感器每测试接点两端到导通电阻测试仪,控制精密离心机加速度到加速度过载传感器工作阈值,测量并记录导通电阻值。7.2.2.5绝缘电阻连接加速度过载传感器每测试接点两端到绝缘电阻测试仪,测量并记录每测试接点两端的绝缘电阻值。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。校准证书或报告至少应包括以下信息:a)标题:“校准证书”或“校准报告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)证书或报告的唯一标识(如编号),每页及总页数的标识;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JJF2038—20239接收日期;h)校准所依据的技术规范的标识,包括名称及代号;i)校准装置的溯源性及有效性标识;j)校准环境的描述;k)校准结果说明;l)校准证书或校准报告签发人的签名、职务或等效标识;m)校准结果仅对被校对象有效的声明;n)未经实验室书面批准,不准部分复制证书的声明。9复校时间间隔建议复校时间间隔为1年。送校单位可根据实际使用情况自主决定。JJF2038—202310附录A校准证书内页格式证书编号:校准环境条件温度:℃相对湿度:%地点:其他:序号校准项目校准结果测量不确定度校准员:核检员:JJF2038—202311附录B加速度过载传感器测量不确定度评定示例B.1标度因数测量不确定度评定B.1.1测量模型Eksin3kθnk=0K1=EksinkθEksin3kθnk=0式中:K1—标度因数;Ek—加速度过载传感器在各位置时输出值的平均值;这里以四点法为例,取n=4,则式(B.1)可以简化为式(B.2):θn—角度增量,这里以四点法为例,取n=4,则式(B.1)可以简化为式(B.2):K1(E90-E270)式中:E90—加速度过载传感器在90°时输出值的平均值;E27加速度过载传感器在270°时输出值的平均值。B.1.2合成标准不确定度式中:u(K1)=c90u2(E90)+c270u2(E式中:cE90;u(E90)—加速度过载传感器在90°时测量输出引入的不确定度;cE270=-;u(E270)—加速度过载传感器在270°时测量输出引入的不确定度。B.1.3标准不确定度评定B.1.3.1加速度过载传感器测量输出引入的不确定度(B.1)(B.2)(B.3)10-6,包含因子k=2,则:10-6,包含因子k=2,则:2.4×10-6u(E90)=u(E270)=2=1.2×10-6B.1.4合成标准不确定度合成标准不确定度为:B.1.5扩展不确定度uc(K1)=8.5×10-B.1.5扩展不确定度取包含因子k=2,则扩展不确定度为:JJF2038—202312B.2零偏测量不确定度评估B.2.1测量模型U(K1)=k·uc(K1)B.2零偏测量不确定度评估B.2.1测量模型(B.4)1Ek+2Ekcos2kθn(B.4)K0=式中:K0—零偏;K1—标度因数;Ek—加速度过载传感器在各位置时输出值的平均值;θn—角度增量,θn=360/n,n=4或者8或者12等。这里以四点法为例,取n=4,则式(B.4)可以简化为式(B.5):12K1(E90+E12K1(E90+E270)(B.5)B.2.2合成标准不确定度(B.6)式中:u(K0)=c1u2(K1)+c90u2(E90)+c270u2(B.6)式中:E90+E2704K;cE90+E2704K;u(K1)—加速度过载传感器标度因数测量引入的不确定度;cE90;u(E90)—加速度过载传感器在90°时测量输出引入的不确定度;cE270;u(E270)—加速度过载传感器在270°时测量输出引入的不确定度。B.2.3标准不确定度评定B.2.3.1标度因数测量引入的不确定度参考B.1。B.2.3.2加速度过载传感器输出测量引入的不确定度同B.1.3.1。B.2.4合成标准不确定度B.2.5扩展不确定度uc(K0)=1.8×10-B.2.5扩展不确定度B.3,敏=k·uc(K0)=3.6×10-5B.3.1测量模型JJF2038—202313加速度过载传感器横向灵敏度按式(B.7)计算:Sa×100%(B.7)式中:Sa—横向灵敏度,mV/(m·s-2);V2—被校准加速度过载传感器在精密离心机最大加速度时输出,mV;V1—被校准加速度过载传感器在精密离心机静止时输出,mV;a—被校准加速度过载传感器的轴向加速度,m·s-2。找出横向振动灵敏度最大值的方向,并作标记,得到其最大横向灵敏度STmax。按式(B.8)计算加速度过载传感器的横向灵敏度比。TSR=Sax×100%(B.8)式中:TSR—横向灵敏度比,%;STmax—被校准加速度过载传感器的最大横向灵敏度,mV/(m·s-2);SZ—被校准加速度过载传感器的轴向灵敏度,mV/(m·s-2)。B.3.2不确定度分量B.3.2.1加速度计自动测试系统加速度的标准不确定度1)重力加速度的测量误差引入的标准不确定度。通过专业部门测量,重力加速度的测量精度达到10-8m/s2量级,可忽略。2)输入基准轴:u(ai)=g·cosθ·=6.5×10-6·cosθ·g,则:u(ai0°)=u(ai180°)=6.5×10-6gu(ai90°)=u(ai270°)=0(B.9)3)摆基准轴:u(ap)=g·sinθ·u+u0=6.5×10-6·sinθ·g,则:u(ap0°)=0B.3.2.2加速度计输出测量引0-6g(B.10)按B类标准不确定度评定,由Keithley2002数字电压表的测量不确定度:U=2.4×10-6,包含因子k=2,则:1.2×10-6(B.11)B.3.2.3加速度计输出测量重复性引入的标准不确定度采集加速度过载传感器的输出测量重复性引入的不确定度分量u(a);转速通过N次测量得到,按A类评定,不确定度分量u(a)按式(B.12)计算:u(a)=(ai-a0)2i=1N(N-1)=7.4×10-7(B.12)JJF2038—202314式中:i—测量次数(i=1,2,3,…,N);Na0—加速度过载传感器的实测加速度,m/s2,a0=ai;ai