倾斜摇摆试验台校准规范

JJF1870—20201倾斜摇摆试验台校准规范1范围本规范适用于倾斜摇摆试验台(以下简称试验台)的校准。2引用文件本规范引用了下列文件:JJG948电动振动试验系统JJF1059.1—2012测量不确定度评定与表示JJF1156—2006振动冲击转速计量术语及定义GB/T2423.101—2008电工电子产品环境试验第2部分:试验方法试验:倾斜和摇摆GJB150.23A—2009军用装备实验室环境试验方法第23部分:倾斜和摇摆试验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术语和定义3.1倾斜inclinations包括纵倾、横倾两种形式。纵倾是船舶中纵剖面垂直于静止水面,但是中横剖面与铅锤面成一纵倾角时的浮态。横倾是船舶中横剖面垂直于静止水面,但是中纵剖面与铅锤面成一横倾角时的浮态。3.2摇摆swings有纵摇、横摇、艏摇、纵荡、横荡和垂荡六种形式。横摇、纵摇和艏摇是指船舶绕其纵向、横向和垂向3个坐标轴所做的交变性角位移运动;纵荡、横荡和垂荡是指船舶沿其纵向、横向和垂向3个坐标轴所做的往复性平移运动。4概述倾斜摇摆试验台用于模拟船舶由于海损事故、操纵、装载不平衡和风力造成的倾斜摇摆环境,以及由船舶受风力、海浪等外力作用所造成的正弦摇摆和正弦直线运动等环境。试验台可以模拟产生纵倾、横倾、纵摇、横摇、艏摇、纵荡、横荡和垂荡及其相互耦合的运动。试验台倾斜摇摆方向定义如图1所示。JJF1870—20202图1倾斜摇摆试验台倾斜和摇摆方向X—纵荡;Y—横荡;Z—垂荡;1—横倾/横摇;2—纵倾/纵摇;3—艏摇5计量特性5.1倾斜角度示值误差试验台倾斜角度示值与实际测量倾斜角度的偏差,包括纵倾角度示值误差和横倾角度示值误差。5.2摇摆角度示值误差试验台摇摆角度示值与实际测量摇摆角度的偏差,包括纵摇角度示值误差、横摇角度示值误差和艏摇角度示值误差。5.3摇摆加速度示值误差试验台摇摆加速度示值与实际测量摇摆加速度的偏差,包括纵荡加速度示值误差、横荡加速度示值误差和垂荡加速度示值误差。5.4摇摆周期示值误差试验台摇摆周期示值与实际测量摇摆周期的偏差,包括纵摇、横摇、艏摇、纵荡、横荡和垂荡6种工况的周期示值误差。5.5摇摆波形失真度试验台摇摆波形的谐波失真度,包括纵摇、横摇、艏摇、纵荡、横荡和垂荡6种工况的波形失真度。注:以上计量特性要求可以参照国家标准或国家军用标准相应条款给出的技术指标要求。6校准条件6.1环境条件6.1.1温度:(20±15)℃。6.1.2相对湿度:不大于90%。6.1.3实验室及其周围环境应无强振动和冲击源,无强电磁场、强声场的干扰。6.2测量标准及其他设备6.2.1动态信号分析仪主要用于摇摆幅值、周期和波形失真度的测量。技术指标满足以下要求:JJF1870—20203a)频率范围:0.1Hz~10kHz;b)电压测量不确定度:0.5%(k=2);c)时间测量不确定度:0.1%(k=2)。6.2.2数字电压表主要用于倾斜测量。技术指标满足以下要求:a)直流电压范围:-100V~+100V;b)电压测量不确定度:0.1%(k=2)。6.2.3具有零频响应的加速度计选用具有零频响应的高灵敏度加速度计(以下简称加速度计),例如变电容式加速度计、应变加速度计和伺服加速度计等。技术指标满足以下要求:a)频率范围:DC~60Hz;b)频率响应:在DC~60Hz范围内小于2%;c)横向灵敏度:不大于3%;d)测量不确定度:2.0%(k=2)。6.2.4倾角传感器主要用于倾斜测量。技术指标满足以下要求:a)角度测量范围:±70°;b)测量不确定度:0.1°(k=2)。6.2.5转角传感器主要用于艏摇测量。技术指标满足以下要求:a)频率范围:0.1Hz~60Hz;b)转角测量范围:±20°;c)测量不确定度:2.0%(k=2)。7校准项目和校准方法为满足不同的倾斜和摇摆试验标准的要求,试验台应在空载条件下进行其计量特性的校准,试验台的校准可以根据试验台的实际特性指标及用户要求选择本规范中适用的项目进行。7.1校准项目校准项目如表1所示。表1校准项目表序号项目校准设备1倾斜角度示值误差数字电压表,加速度计或倾角传感器2摇摆角度示值误差动态信号分析仪,加速度计,转角传感器3摇摆加速度示值误差动态信号分析仪,加速度计4摇摆周期示值误差动态信号分析仪,加速度计,转角传感器5摇摆波形失真度动态信号分析仪,加速度计,转角传感器JJF1870—202047.2校准方法7.2.1倾斜角度示值误差将试验台台面置于水平位置,将加速度计或倾角传感器安装在试验台台面中心,加速度计的敏感轴垂直于重力加速度的方向和倾斜的轴线;倾角传感器的旋转轴垂直于重力加速度且平行于倾斜的轴线。按图2所示连接设备,在试验台倾斜角度范围内选取3~5个校准角度(推荐纵倾角度为±5°、±7.5°、±10°、±30°;横倾角度为±10°、±15°、±22.5°),操作试验台按照设定角度倾斜,使用数字电压表的直流挡位读取加速度计或倾角传感器的输出。分别记录倾斜角度测量值和试验台的倾斜角度示值,按公式(1)计算倾斜角度示值误差δθi:δθi×100%(1)式中:i测量次数;θSi—试验台倾斜角度示值,(°);θMi—由加速度计或倾角传感器测得的倾斜角度值,(°);δθi—试验台倾斜角度示值误差,%。加速度计测量倾斜角度的方法:试验台台面置于水平位置时,测量得到此时的加速度计的直流输出为V0(通常为加速度计的偏置电压),试验台倾斜后,测量得到加速度计的直流输出为V。加速度计测得的倾斜角度按公式(2)计算:(2)θ°arcsin(2)式中:θ—加速度计测量的倾斜角度值,(°);V0—加速度计的敏感轴方向垂直于重力加速度方向时的直流输出,mV;V—试验台倾斜后加速度计的直流输出,mV;g—当地重力加速度,m/s2;S—加速度计的灵敏度,mV/(m/s2)。图2倾斜校准系统示意图JJF1870—202057.2.2摇摆角度示值误差将试验台台面置于水平位置,将加速度计或转角传感器安装在试验台台面中心,加速度计的敏感轴垂直于重力加速度和摇摆的轴线;转角传感器的旋转轴平行于重力加速度。按图3所示连接设备,在试验台摇摆角度范围内选取校准角度(推荐纵摇角度为±5°、±10°、±30°,周期为3s、5s、7s;横摇角度为±22.5°、±30°、±45°、±60°,周期为5s、7s、10s;艏摇角度为±4°,推荐的周期为10s)。操作试验台按照设定角度摇摆,使用动态信号分析仪的交流耦合方式读取加速度计或转角传感器的输出值。分别记录摇摆角度测量值和试验台的摇摆角度示值,按公式(3)计算摇摆角度示值误差δφi:δφi×100%(3)式中:δφi—试验台摇摆角度示值误差,%;i测量次数;φSi—试验台摇摆角度示值,(°);φMi—由加速度计或转角传感器测得的摇摆角度值,(°)。加速度计测量摇摆(纵摇和横摇)角度的方法为:试验台摇摆后,使用动态信号分析仪的交流耦合方式测量加速度计的交流输出峰值VP。加速度计测得的摇摆角度按公式(4)计算:(4)(4)式中:φ—加速度计测量的摇摆角度值,(°);VP—加速度计输出的峰值(正峰值或负峰值),mV;g—当地重力加速度,m/s2;S—加速度计的灵敏度,mV/(m/s2)。图3摇摆校准系统示意图JJF1870—202067.2.3摇摆加速度示值误差将试验台台面置于水平位置,将加速度计安装在试验台台面中心,加速度计的敏感轴平行于摇摆的运动方向。按图3所示连接设备,在试验台摇摆加速度范围内选取校准加速度(在摇摆周期范围内,推荐使用纵荡加速度为5m/s2;横荡加速度为6m/s2;垂荡加速度为6m/s2、10m/s2),操作试验台按照设定加速度摇摆,使用动态信号分析仪读取加速度计的输出。分别记录摇摆加速度测量值和试验台的摇摆加速度示值,按公式(5)计算纵摇摆度示值误差δai:(5)δai=aSMi×100%(5)式中:δai—试验台摇摆加速度示值误差,%;i测量次数;aSi—试验台摇摆加速度示值,m/s2;aMi—由加速度计测得的摇摆加速度值,m/s2。7.2.4摇摆周期示值误差将试验台台面置于水平位置,按图3所示连接设备。按照7.2.2和7.2.3的规定安装加速度计和转角传感器,选择摇摆的角度、加速度和周期。操作试验台按照设定值摇摆,通过动态信号分析仪读取传感器的输出波形。分别记录摇摆周期测量值和试验台的摇摆周期示值,按公式(6)计算摇摆的摇摆周期的示值误差δti:(6)δti×100%(6)式中:δti—试验台摇摆周期示值误差,%;i测量次数;tSi—试验台摇摆周期显示值,s;tMi—由加速度计或转角传感器测得的摇摆周期值,s。摇摆周期测量的数据读取方法如图4所示。图4周期读取方法JJF1870—20207根据角度测量波形的峰值读取n(n≥5)个周期的间隔为Δt,那么单个摇摆周期tMi=Δt/n。7.2.5摇摆波形失真度将试验台台面置于水平位置,按图3所示连接设备。按照7.2.2和7.2.3的规定安装加速度计和转角传感器,选择摇摆的角度、加速度和周期。操作试验台按照设定值摇摆,通过动态信号分析仪对传感器的输出波形的谐波失真度进行测量。波形失真度一般取5次谐波,按公式(7)计算: γ×100%(7)式中:γ—摇摆的波形失真度,%;φ2、φ3、φ4、φ5—被测信号的2、3、4、5次谐波的幅值,(°)或m/s2;φ1—被测信号的基波幅值,(°)或m/s2。8校准结果表达校准结束后出具校准证书。校准证书应准确、客观地报告校准结果,校准结果以校准数据、校准曲线等形式给出。校准证书应包含委托方的要求、说明校准结果所必需的和所用方法要求的全部信息。校准证书至少应包含以下信息: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),每页及总页数的标识;e)客户名称和地址;f)被校设备的名称、制造厂、型号规格、编号;g)进行校准的日期;h)校准所依据的技术规范的标识,包括名称及代号;i)本次校准所使用的测量标准的溯源性及有效性说明;j)校准环境的描述,包括温度和相对湿度;k)校准结果及其测量不确定度的说明;l)校准证书签发人的签名、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,不得复制证书的声明。9复校时间间隔倾斜摇摆试验台的复校时间间隔一般为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、仪器本身质量等因素决定的,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。JJF1870—20208附录A摇摆角度测量不确定度评定实例A.1测量模型使用加速度计测量摇摆角度,角度量值由加速度计的输出确定,它的计算由公式(A.1)得到。在不确定度分析中只需要分析各分量对于加速度计输出的影响。(A.1)(A.1)式中:φ—加速度计测量的摇摆角度值,(°);VP—加速度计输出的峰值(正峰值或负峰值),mV;g—当地重力加速度,m/s2;S—加速度计的灵敏度,mV/(m/s2)。在选择的测量角度、周期和放大器挡位等分量产生的相对扩展不确定度按照公式(A.2)计算:A.2标准不确定度k·uc,rel=k·u,rel+u,rel+…+u,rel(A.2)对倾斜摇摆试验台进行摇摆角度测量时,其测量不确定度评定的不确定度主要来源如下。A.2.1测量重复性引入的不确定度分量对倾斜摇摆试验台进行摇摆角度测量时,A类方法评定的不确定度主要来源于测量的重复性。设定摇摆角度为5°、30°和60°,摇摆周期为5s,对倾斜摇摆试验台的摇摆角度重复测量10次,使用贝塞尔函数法进行不确定度评定,测量结果与不确定度评定结果如表A.1所示。表A.1重复性测量数据及其引入的不确定度测量次数5°时测量结果/(°)30°时测量结果/(°)60°时测量结果/(°)15.130.460.425.230.459.935.230.660.145.430.260.455.230.460.265.230.159.875.329.960.585.030.560.290.2%30.8%2表A.1(续)0.2%30.8%2测量次数5°时测量结果/(°)30°时测量结果/(°)60°时测量结果/(°)95.230.260.1105.230.460.3平均值5.2030.3160.19不确定度分量u1,5,rel=0.64%u1,30,rel=0.22%u1,60,rel=0.12%A.2.2加速度计灵敏度校准引入的不确定度分量测量使用加速度计灵敏度校准的不确定度为2.0%,其引入的标准不确定度按正态分布,包含因子k=2,由加速度计灵敏度校准引入的不确定度分量为u2,rel,则u2,rel=1.0%A.2.3加速度计频率响应偏差引入的不确定度分量测量使用加速度计频率响应偏差为1.0%,其引入的标准不确定度按正态分布,包含因子k=2,由加速度计灵敏度校准引入的不确定度分量为u3,rel,则u3,rel=0.50%A.2.4加速度计幅值线性度引入的不确定度分量测量使用加速度计幅值线性度为0.1%,其引入的标准不确定度按正态分布,包含因子k=2,由加速度计灵敏度校准引入的不确定度分量为u4,rel,则u4,rel=0.05%A.2.5加速度计输出电压测量引入的不确定度分量加速度计输出电压测量误差约为0.2%,其引入的标准不确定度按均匀分布,包含u5,rel==0.115%因子k=3,由加速度计输出电压测量不准引入的不确定度分量为u5u5,rel==0.115%A.2.6倾斜摇摆试验台横向运动引入的不确定度分量倾斜摇摆试验台横向运动对加速度计电压输出造成的影响约为0.8%,其引入的标u6,rel,则u6,rel==0.57%准不确定度按反正弦分布,包含因子k=2,由横向运动引入的不u6,rel,则u6,rel==0.57%A.2.7加速度计安装引入的不确定度分量加速度计安装对其输出造成的影响约为1.0%,其引入的标准不确定度按正态分布,包含因子k=2,由加速度计安装误差引入的不确定度分量为u7,rel,则u7,rel=0.50%JJF1870—2020100.1%2A.2.8温度对加速度计灵敏度影响引入的不确定度分量0.1%2温度变化对加速度计灵敏度造成的影响约为0.1%,其引入的标准不确定度按均匀k=3,由温度对加速度计灵敏度影响引入的不确定度分量为0.1%3u8,rel=0.1%3=0.058%A.2.9交流声和噪声引入的不确定度分量的不确定度分量为u9,rel,则u9,rel==0.071%0.1%的不确定度分量为u9,rel,则u9,rel==0.071%A.2.10重力加速度引入的不确定度分量当地重力加速度的测量和引用对测量结果会产生影响,重力加速度取4位有效数由当地重力加速度引入的不确定度分量为u10,rel,则字,其四舍五入误差为0.01%,其引入的标准不确定度按均匀分布由当地重力加速度引入的不确定度分量为u10,rel,则u10,rel=A.3合成标准不确定度0.01%3=0.006%摇摆角度测量结果的不确定度分量独立无关,故摇摆角度测量结果的合成标准不确定度为:当摇摆角度为5°时:当摇摆角度为3el=u,5,rel+u,5,rel+…+u,5,rel=1.50%当摇摆角度为60°时:uc,30,rel=u,30,