角运动传感器(角冲击绝对法)校准规范

1角运动传感器(角冲击绝对法)校准规范本规范适用于采用角冲击激励方式对角运动传感器(包括角加速度、角速度和角位(脉宽20ms～100ms)、角位移0.5°~100°(脉宽30ms～150ms)范围内的校准。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/T20485.15—2010振动与冲击传感器校准方法第15部分：激光干涉法角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。3.1半正弦角冲击脉冲half-sineangularshockpulse时间历程曲线近似为半正弦波的角运动脉冲。3.2角脉冲持续时间durationofangularshockpulse简单角冲击脉冲的运动量上升到某一设定的最大值的分数值和下降到该值的时间间隔，对实测脉冲通常取最大值的0.1倍作为设定值，对理想脉冲设定值取为零。角运动传感器用于测量各种角运动(包括角位移、角速度和角加速度)。常用的角运动传感器有压电式、微机械式、光纤式等，依据其感受的角运动量的不同分为角位移传感器、角速度传感器(如陀螺)和角加速度传感器。采用本规范所规定的校准方法进行角运动传感器校准时，被校传感器的计量特性见2量程范围带宽灵敏度非线性度1角加速度500°/s²~15000°/s²2角速度3角位移0.5°~100°注：以上指标不作为合格性判别，仅提供参6校准条件6.1校准环境条件6.1.1环境温度，(23±5)℃。6.1.3周围无强电磁场，无腐蚀性气体或液体，无强震源6.1.4供电电润频袅(50±1)Hz,电用(380±38)V、(220±22v6.2校准庸标准器及配套设备6.2.1动态角运动标准装置标准囊置量要由角冲击合、激励择制系统、角冲击测量系统(光栅测量素统或激光干涉测量系统)、数据采集处理系统、气源系统基等组成。如图1所示。采集处理被校被校传感器测量激励测量控制系统角冲击台标准装置可给出三种角冲击激励方式，主要技术指标见表2。1角加速度脉冲持续时间角加速度测量范围500°/s²~15000°/s²角加速度峰值测量不确定度(k=2)32角速度脉冲持续时间角速度测量范围角速度峰值测量不确定度(k=2)3角位移脉冲持续时间角位移测量范围0.5°~100°角位移峰值测量不确定度(k=2)角冲击台主要由电机、光栅、旋转轴、气浮轴承、安装台面、支撑壳体等组成。电机为永磁无刷力矩电机，电机转子直接安装在旋转轴上，定子安装在支撑壳体上。旋转轴在气浮轴承支持下运动。激励控制系统可控制角冲击台给出冲击角位移、冲击角速度可采用光栅测量系统或激光干涉测量系统。它以圆柱光栅为测量目标，光栅的主要a)刻划线数：≥36000线/周；当采用光栅测量系统时，测量系统如图2所示。采用激光干涉的测量系统如图3所示.数据采集系统读数头图2光栅测量系统图要求能够同步多路采集标准输出信号(激光干涉信号或光栅读数头信号)和被校传b)A/D位数不低于12位。4数据采集系统7校准项目和校准方法7.1校准项目校准项目见表3。项目名称127.2校准方法7.2.1参考灵敏度及重复性7.2.1.1推荐参考点a)角加速度传感器：脉冲脉冲持续时间10ms,峰值8500°/s²;b)角速度传感器：脉冲持续时间80ms,峰值100°/s;c)角位移传感器：脉冲持续时间150ms,峰值20°。7.2.1.2校准前准备a)调整仪器设备，使其处于规定的工作状态；b)将被校传感器刚性安装在角冲击台的台面上，使角运动传感器敏感轴与角冲击台轴线平行；c)被校传感器按说明书要求预热、通电；d)标准装置进入控制模式。按被校传感器测量参数类型，控制角冲击台给出不同的激励方式；e)选定参考点；f)校准时，在同一参考点重复测量10次，计算10次的平均值和实验标准偏差。7.2.1.3数据处理参考灵敏度可由式(1)给出：5式中：S;——第i次测量的灵敏度，V/(°/s²);n——总测量次数，n=10。参考灵敏度重复性可由式(2)给出：式中：s——参考灵敏度重复性，V/(°/s²)。7.2.2灵敏度非线性校准7.2.2.1推荐校准点推荐校准点见表4。角加速度传感器角速度传感器角位移传感器推荐脉宽推荐脉宽推荐脉宽7.2.2.2校准前准备b)选定校准点可参考表4;c)至少在全量程范围内，在某一脉宽下均匀选择不少于6个测量点，每一个测量点重复测量3次。7.2.2.3数据处理以角加速度传感器为例，传感器输入输出的线性模型可由式(3)给出：式中：S——角加速度传感器灵敏度，V/(°/s²)ü:——第i个测试点3次测量输出平均值，V;Ö:——第i个测试点3次测量输入平均值，(“/s²);6用拟合方程表示的传感器输入输出关系可由式(6)给出式中：u;——第i测试点的拟合输出，V。传感器输入输出逐点灵敏度非线性度偏差可由式(7)给出：式中：a;第i测试点的灵敏度非线性度偏差，V/(°/s²)。传感器灵敏度非线性度可由式(8)给出：式中：γ——灵敏度非线性度，%。8校准结果校准结果应在校准证书上反映。校准证书至少应包括以下信息：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)证书的唯一标示(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，应说明被校对象的接收日期；h)如果与校准结果的有效性应用有关时，应对被校样品的抽样程序进行说明i)校准所依据的技术规范的标识，包括名称及代号；j)本次校准所用的测量标准的溯源性及有效性说明k)校准环境的描述；71)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；校准结果仅对被校对象有效的声明；o)未经实验室书面批准，不得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。8附录A角冲击校准原理简述角冲击法校准角运动传感器是在设定不同的半正弦波的脉冲持续时间和峰值的状态下，对角运动传感器的输出进行校准。被校角运动传感器刚性安装在角冲击台台面上标准装置控制系统根据校准的要求，控制角冲击台给出相应的半正弦激励。光栅读数头测量输出信号(或干涉仪测量输出信号)u₂和u,被数据采集系统数字化后形成2个离散信号系列ü[n]和ü,[n]。被测目标的角位移可由式(A.1)计算得到：式中：n——0,1,2,3,…,离散信号系列变量；k——整数。可采用时域差分法对角位移信号一次差分得到角速度，数据处理过程如图A.1(a)所示；对角位移信号两次差分得到角加速度，数据处理过程如图A.1(b)所示。也可用频域DFT法计算得到角速度，数据处理过程如图A.2(a)所示；用频域9DFT法计算角加速度数据处理过程如图A.2(b)所示。j2πfu比较被核传感器的喻出与械准装置的输出，得到破杠如运动传感器的灵敏度。角加速度传感器灵敏度可由式2)给出：式中üg——角加嘘度传感器输出的电压峰值，V;角速度传感器灵敏度可由式(A.3)给出：S₆——角速度传感器的角冲击灵敏度，V/(°/s)üs——角速度传感器输出的电压峰值，V;角位移传感器灵敏度可由式(A.4)给出：ü₉——角位移传感器输出的电压峰值，V;附录B参考灵敏度测量不确定度评定示例角运动传感器(角冲击法)校准不确定度分析以角加速度传感器灵敏度校准为例，校准角速度传感器和角位移传感器可参照此方法进行。B.1测量方法参考灵敏度的校准时，将被校传感器刚性安装在角冲击台的台面上，使角运动传感器敏感轴与角冲击台轴线平行。标准装置进入控制模式，按被校传感器测量参数类型，控制角冲击台给出不同的激励方式后。校准时选定参考点，在同一参考点重复测量10次，计算10次的平均值和实验标准偏差。B.2测量模型参考灵敏度可由式(B.1)给出：S——传感器灵敏度；u——传感器输出幅值；8——角加速度幅值。传递公式可由式(B.2)给出：式中，如果u(u)和u(8)皆为相对标准不确定度，则有：B.2.1角加速度传感器输出电压幅值的测量不确定度u(u)a)由数据采集器测量电压引入的不确定度uai数据采集器校准证书给出的测量不确定度U=1×10-⁴(k=2),测量电压引入的不确定度ui₁可由式(B.3)给出：b)信号分析软件及噪声引入的测量不确定度uiz含信号分析软件对半正弦信号幅值计算准确度的影响以及测量系统电噪声的影响。采用标准半正弦信号对ADC和信号分析软件的进行校准，其不确定度为：传感器输出电压幅值的测量不确定度u(ü)可由式(B.4)给出u(u)=√ua+u²z=0.2%B.2.2角加速度幅值的测量不确定度u(δ)标准装置角加速度幅值测量扩展不确定度2.0%,包含因子k=2,对应的不确定度B.2.3测量结果的重复性引入的不确定度u(s)某型角加速度传感器参考灵敏度校准结果见表B.1。V灵敏度%123456789则测量重复性引入的不确定度可由式(B.6)给出B.3合成标准不确定度合成标准不确定度可由式(B.7)给出：u.(S)=√u²(i)+u²(6)+u²(S)=B.4扩展不确定度扩展不确定度可由式(B.8)给出：U₁=kuc(S)=2.2%(k=2)附录C传感器灵敏度测量不确定度评定示例C.1测量方法调整仪器设备，使其处于规定的工作状态；将传感器刚性安装在角冲击台的台面上，使角运动传感器敏感轴与角冲击台轴线平行；被校传感器按说明书要求预热、上电；标准装置进入控制模式。按被校传感器测量参数类型，控制角冲击台给出不同的激励方式；选定校准点，至少在全量程范围内，在某一脉宽下均匀选择不少于6个测量点，每一个测量点重复测量3次。采用最小二乘法拟合成直线求得传感器的灵敏度。C.2测量模型以角加速度传感器为例，传感器输入输出的线性模型可由式(C.1)给出：式中：S——角加速度传感器灵敏度，V/(°/s²);u;——第i个测试点3次测量输出平均值，V;Ö₂——第i个测试点3次测量输入平均值，°/s²;v:——拟合误差(残差),V。C.3最小二乘法拟合根据最小二乘法和式(C.1)的假设条件，输出量u。,S及它们的估计方差和协方差是在残差平方和最小时得到。由式(C.1)求出残差的平方和见式(C.2): 为使达到最小值，必须使式(C.2)对u。和S的偏导同时为零，即和这就可导出ü。和S的计算公式(C.3)～式(C.9),s²(uo)和s²(S)是它们的实验方差，r(uo,S)=s(uo,S)/s(üo)s(S)是估计的相关系数，其中s(u₀,S)是估计的协方差。C.4结果计算对某角加速度传感器校准的结果见表C.1。1一0.018232一0.012843456789应用式(C.3)～式(C.9)可得到：u₀=0.025406V,s(uo)=0.014850VS=0.000453V/(°/s²)