正弦法力传感器动态特性校准规范

1正弦法力传感器动态特性校准规范本校准规范适用于采用激光干涉法对新制造(或新购置)、使用中、修理后的力传感器(以下简称传感器)和测力仪在力值不大于100kN、频率范围在1Hz～3kHz内GB/T20485.11—2006振动与冲击传感器校准方法第11部分：激光干涉法振文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本校准规范。静态校准时，获得的传感器输出增量与所加力值增器为皮库[仑]每牛[顿](pC/N);对于应变式传感器为毫伏每伏[特]牛[顿]在给定频率的正弦激励下，被校传感器的输出幅值与输入力值之比，按照公式(A.1)表示，单位：对于压电式传感器为皮库[仑]每牛[顿](pC/N);对于应变式传感器为毫伏每伏[特]牛[顿](mV/(V·N))。在给定频率的正弦力激励下，被校传感器的输出与输入力之相位差，单位：3.4传感器端部等效质量equivalentend在校准时，传感器自身的一部分质量产生的惯性力在运25计量特性被校传感器应配有连接电缆及其他必要的附件，还应具有安装尺寸及安装要求、应用环境条件等信息的说明书或其他技术资料。传感器及附件表面不能有影响其性能的瑕疵或机械损伤。传感器壳体上应标有型号和编号、制造厂商、接线标识。在校准频率范围内，传感器在不同力值和频率下获得的动态幅值灵敏度与静态幅值灵敏度(静态无输出的传感器采用参考频率点幅值灵敏度)相对误差一般小于10%;传感器在参考频率点的相位延迟一般小于5°,其他频率点小于15°。6校准条件6.1环境条件其他条件：校准时不得有影响校准结果的振动、噪声、电磁场或其他干扰源。6.2丶校准用仪器设备6.2.1一般要求校准所用的仪器设备应经过计量技术机构检定或校准，满足使用要求，并在有效期内。所采用的校准装置可实现的最佳测量不确定度为：幅值灵敏度：参考频率点1%;其他频率点2%。相位延迟：参考频率点1°;其他频率点3°。6.2.2振动台a)加速度波形失真：小于5%(参考频率点)或小于10%(其他频率点);b)横向运动与纵向运动的加速度幅值之比或小于5%(参考频率点),小于10%(其他频率点);c)加速度值稳定性：在每个频率点校准过程中优于1%;d)振动台地基的质量应不小于振动运动部件质量的1000倍。6.2.3激光干涉仪采用激光干涉仪测量质量块上表面的加速度值。要求加速度测量误差为：±0.05%(参考频率点),±0.1%(其他频率点)。激光干涉仪的地基应与振动台地基分开，以减少振动台及环境振动对测量的干扰。3将质量块通过连接机构与传感器紧密同轴连接(如图1)。质量块采用圆柱体结构，要求圆柱体密度均匀及力学性能稳定。连接机构的材质及质量准确度要求与质量块相b)高度与直径之比值：1～5;c)上表面粗糙度小于R,0.2;d)圆柱度优于0.01mm;e)上下表面平行度优于0.015mm;f)与传感器安装要有一定预紧力(可参考具体传感器对安装力矩的要求),且受力6.2.5控制器b)频率最大允许误差：±0.05%;c)频率稳定度：在测量周期内，应在读数的士0.05%之内；d)幅值稳定度：在测量周期内，应在读数的±0.05%之内。6.2.6数据采集系统a)采样率不低于4MHz;b)A/D位数不低于12位。传感器校准中使用的激励电源输出电压的4h稳定性，应不超过传感器相应技术指校准项目见表1,校准频率点可根据用户要求或合同要求确定。4表1校准项目序号1外观及附件2幅值灵敏度3幅值灵敏度相对误差4相位延迟5直线度7.1外观及附件检查按本规范第5.1条的要求通过目测或手感进行检查，并符合规定。正弦力校准系统如图2,传感器安装在电磁振动台上，质量块连接在传感器上。根据牛顿第二定律，传感器所受的动态力可以按照公式(1)表示为：F=ma公式(1)中，总有效质量m是质量块的质量m₁、传感器与质量块之间的联接机构的质量m₂以及传感器的等效质量m。之和，按照公式(2)计算：如图2,正弦力标准装置采用激光干涉仪测量质量块顶面加速度。传感器信号经过放大后被数据采集系统转换为数字信号。振动控制器输出盒数据采集系统数据采集系统信号发生器滤波器振动合届量块图2正弦力标准装置57.2.2校准前准备a)被校传感器在校准试验环境下放置时间应在8h以上，使其温度与校准条件的b)按照说明书要求接连正弦力校准系统和被校传感器的导线，打开仪器电源，通电预热30min。7.2.3校准点选择a)校准频率点一般不少于10点，其中至少包括参考频率点f.,或根据用户要求b)校准力值一般在传感器量程的20%～80%间任意选一点，或根据用户要求c)在每个校准频率点，对质量块上表面进行5点加速度测量，取加速度的平均值作为质量块上表面的加速度值。测量点分布如图3所示，1点为中点，2～5点在半径为求配合良好(可以根据实际情况在接触面之间涂抹少量的润滑剂),且有足够的预紧力(对于采用螺纹配合方式安装的传感器，应满足传感器说明书对安装力矩的要求),以保面的中心轴线与传感器和质量块的中轴线重合，以尽量减少偏心负荷和倾斜负荷的b)按7.2.4要求在振动台台面上安装被校传感器，调整激光干涉测量系统，使其c)将振动台功率放大器的增益调至最低后开启其电源。调整振动台控制器输出参考频率点f,正弦信号，逐渐调整其输出值和振动台功率放大器的增益，使校准系统产生(100～500)m/s²的加速度值。待振动台工作稳定后，同步采集激光干涉仪和传感6器的测量数据，每次对测量数据的采集时间应不小于10个振动周期，在同一状态重复测量10次。测量结束后，逐渐将振动台功率放大器增益调至最低。d)选定质量块，使系统可以产生校准力值。按7.2.4要求在被校传感器上安装质量块。按7.2.3选定的频点，从低频至高频依次进行校准。e)调整振动控制器的参数，使校准系统输出规定的频率和力值，待振动台工作稳定后，进入下一步程序。f)调整激光干涉测量系统，使其测量点位于质量块上表面中心处(1点),同步采集激光干涉仪和传感器的测量数据，每次对测量数据的采集时间应不小于10个振动周期，在同一状态重复测量10次，共采集10组数据。依次调整激光干涉测量系统测量位置至2～5点，重复上述测量过程，记录实验数据。g)在每个频率点下重复e)～f),依次完成所有频率点的校准。h)逐渐将振动台功率放大器增益调至最低。i)如需更换质量块，则卸除原质量块，选定另一质量块，按7.2.4要求进行安装，按7.2.5e)～h)的方法完成校准。j)如果需要对传感器的直线度进行校准，则在参考频率点选择5～8个正弦力峰值进行校准，各正弦力峰值点应尽量均匀分布。7.2.6数据处理7.2.6.1计算质量块上表面加速度的幅值及初始相位a)数据采集卡同时采集Um和Um信号，得到其离散数据构成的序列U。[t;]和U[t₁],i=0,1,2,…,n。对这两个序列进行处理，可以求出位移随时间变化的曲线。这一软件处理过程如图4所示。首先对Um[t;]和Um[t;]信号相乘，再进行低通滤波，得到一序列U₁[t₁]。对U[t₁]信号相位延时π/2,再与U。[t;]信号相乘，然后进行低通滤波，得到一序列U₂[t;]。位移计算相位U₁[t₁]和U₂[t₁]是两个正交信号序列，对其进行处理，可以按照公式(3)求出激光干涉信号相位qma[t;]:在开始计算qMd[t₀]时，设k为零。依次计算其他点的相位时，当出现图5中由A向7B或由D向E过渡的情况，k加1;反之，k减1。为使k的计算正确，应保证足够的采样速率。相位位移s[t;]为：式中：λ——干涉仪的激光波长。b)对于正弦振动，位移序列s[t;]是正弦波，它可以按照公式(4)表示为：式中，i=0,1,2,…,N,其中N为样本点数减1;w=2πf,其中f为振动频按附录C的方法计算A,B,C值。c)正弦振动位移的幅值s和初始相位φ,按照公式(5)和公式(6)计算：d)正弦振动加速度的幅值a和初始相位g,按照公式(7)和公式(8)计算：e)平均加速度幅值a和平均初始相位Q,按照公式(9)和公式(10)计算：87.2.6.2计算质量块上的等效加速度的幅值整个质量块上的等效加速度a。按照公式(11)计算：式中：a——质量块上表面的平均加速度，m/s²;k₀——加速度修正因子；p——质量块的密度，kg/m³;E——质量块的弹性模量，N/m²;7.2.6.3计算传感器输出的幅值及初始相位a)对于正弦振动，传感器输出电压序列u[t;]是正弦波，样本点数为N+1,它可以按照公式(13)表示为：w=2πf,f为振动频率；A.,B,C₄——传感器输出正弦信号的相关常数。按附录C的方法计算A,B,C值。b)传感器输出的幅值u和初始相位q。按照公式(14)和公式(15)计算：c)传感器输出的平均幅值立和平均初始相位9,按照公式(16)和公式(17)计算：其中j表示质量块上表面第j个测量点。7.2.6.4计算端部等效质量根据在参考频率f,下的测量结果计算传感器的端部等效质量。根据公式(1)、公式(2)和公式(11),力值与加速度幅值的关系可以按照公式(18)表示为：其中，在参考频率点，传感器的灵敏度S按照公式(19)表示：9将(18)、(19)合并为：(20)中，S与m。是未知数。在参考频率点，分别采用2个质量块进行测量，获得2组数据，将其代入公式(20),求解出S与m。值。7.2.6.5计算传感器幅值灵敏度在各校准频率点，由7.2.6.1和7.2.6.3得到的a和u数据，用公式(20)分别计算出所在频点的幅值灵敏度。7.2.6.6计算传感器幅值灵敏度相对误差在各校准频率点，幅值灵敏度S与静态幅值灵敏度(静态无输出的传感器采用参考频率点幅值灵敏度)S,的相对误差按照公式(21)表示为：7.2.6.7计算传感器相位延迟在各校准频率点，由7.2.6.1和7.2.6.3得到的q₂和φ,各频点传感器的相位延迟△φ按照公式(22)表示为：7.2.6.8计算传感器的直线度根据7.2.5j),以参考频率点采用的各力值校准点获得的校准数据为基础，直线度按照公式(23)计算：式中i=1,2,…,M,其中M为力值校准点个数，F;与u;分别为第i个力值校准点的标准力值与传感器输出。最后，取绝对值最大的L;对应的数值作为传感器的直线度。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。经校准的传感器，发给校准证书或校准报告，加盖校准印章。传感器的复校时间间隔建议为1年，在恶劣工况下使用后应进行校准。由于复校时间间隔的长短是由传感器的使用情况、使用者、传感器本身质量等诸因素所决定的，因此，送校单位也可根据实际使用情况自主决定复校时间间隔。附录A测量不确定度评定示例A.1幅值灵敏度测量不确定度评定A.1.1数学模型传感器的灵敏度S:式中：U——传感器输出电压，V;m₁——质量块的质量，kg;m₂——传感器与质量块之间的联接机构的质量，kg;m₄——传感器的等效质量，kg;a₀——质量块上表面的平均加速度，m/s²;k₀——加速度修正因子。A.1.2测量不确定度来源传感器幅值灵敏度的测量不确定度来源见表A.1。i不确定度来源不确定度分量1质量块质量称量的不确定度分量2连接件质量称量的不确定度分量34加速度测量不确定度分量5加速度分布测量不确定度分量67台面输出失真度引起的加速度测量不确定度分量8电压测量不确定度分量9多次测量重复性不确定度分量A.1.3测量不确定度评定幅值灵敏度测量的合成不确定度的平方为：u²(S)=(c₁)²u²(m₁)+(cz)²u²(m₂)+(c₃+(c₁)³u²(a)+(cs)²u²(k₀)+(c确定度平方为：式中：因此，幅值灵敏度测量的相对扩展不确定度为：Um(S)=ku(S)=k√u},m+u2.w+u3.m+ui.m+u².u+A.2相位延迟测量不确定度评定A.2.1数学模型传感器相位延迟：式中：9u,9r——分别为传感器输出电压和激励力的相位。合成方差：u²(φ)=(c₁)²u²(qu)+(c₂)²u²A.2.2测量不确定度来源GB/T20485.11—2006表4,相位移测量不确定度除了来源于加速度校准之外，仅增加1项，即质量块上表面的加速度相位与质量块所产生力的相位之差的不确定度。不确定度分量见表A.2,其中u₁是在GB/T20485.11—2006表4基础上的新增项。i标准不确定度不确定度来源不确定度分量1(模数转换的分辨率和时钟准确度)2电压滤波对传感器输出电压相位测量的影响(频率带宽的限制)3电压扰动对传感器输出电压相位测量的影响(如：交流声和噪声)4测量的影响(横向灵敏度)5干涉仪正交输出信号扰动对位移相位测量的影响(如：偏移、电压幅值偏差、与90°名义角度差的偏差)6干涉仪信号滤波对位移相位测量的影响(频率带宽的限制)7电压扰动对位移相位测量的影响(如：光电测量回路中的随机噪声)8干扰运动对位移相位测量的影响(如：漂移；加运动)9相位扰动对位移相位测量的影响(如：干涉仪信号的相位噪声)其他干涉效应对位移相位测量的影响(干涉仪的功能)质量块上表面的加速度相位与质量块所产生的力相位之差的不确定度影响中的随机影响；算术平均值的实验标准偏差)A.2.3测量不确定度评定在选定校准频率、振幅、放大器增益和截止频率条件下，相位延迟测量的扩展不确定度U(△φ)的计算，按照以下公式进行：(1)1～10项的测量不确定度根据GB/T20485.11—2006,采用其中的“方法3”进行加速度测量，在参考频率点80Hz,测量值的扩展不确定度为0.5°;其他频点，测量值的扩展不确定度不超过1°。因此以其规定的最低指标为基础评定传感器校准的相位延迟测量不确定度，即将表中的1～10项的测量不确定度用该标准中给定值来表示。在参考频点：在其他频点：质量块上表面的加速度相位与质量块所产生的力相位之差可以用有限元方法计算，并且进行修正。经修正后得到不确定度un(△φ)。(3)ui₂(△φ)属于相位延迟多次测量重复性的不确定度。A.3举例说明：A.3.1幅值灵敏度测量不确定度评定(1)质量称量不确定度分量以4kg质量块为例，m₁≈4439g,质量块与传感器连接件质量m₂≈70g,传感器端部等效质量m₂≈75g。其中m₁与m₂可以通过高精度电子秤直接测量，它们的测量扩展不确定度为0.02g(k=3),因此：传感器端部等效质量m。可以在动态力的测量过程中获得，它的标准测量不确定度(2)加速度测量不确定度分量本规范中选择GB/T20485.11—2006中的“方法3”测量加速度，其相对扩展不确定度为0.2%(k=2),因此：(3)质量块加速度分布测量不确定度分量加速度分布修正因子k₀用于消除质量块加速度分布给动态力值测量造成的影响，可以根据质量块的力学常数与几何参数获得。它对动态力测量造成的相对不确定度分量大小为：us,m=0.3%(A.15)(4)振动台横向偏摆引起的加速度测量不确定度分量在参考频率，要求振动台横向偏摆不超过T=5%,可知加速度偏差为1-1/√1+T=0.125%。假设为均匀分布，则其引入的不确定度分量为：在其他频率，要求振动台横向偏摆不超过T=10%,(5)台面输出失真度引起的加速度测量不确定度分量在参考频率，要求台面加速度失真最大不超过5%。假设为均匀分布，则其引入的相对不确定度分量为：在其他频率，要求振动台横向偏摆不超过10%,则：(6)电压测量不确定度分量以采用12位数据采集卡为例，电压输出波形测量的相对扩展不确定度为0.1%(k=2),那么:(7)多次测量重复性的不确定度分量幅值灵敏度是在不改变其他实验条件的前提下，进行10次测量获得的平均值，在参考频率，其标准偏差小于0.5%,因此在其他频率，其标准偏差小于2%,因此根据以上不确定度分量的实际数据，可以获得系统在参考频率80合成标准不确定度为：Hz和160Hz的u(S)=√(μ₁m)+(u₂g)²+(u₂m)²+(u₂m)²+(u2m)²+(um)³+(u,,m)²+(u而参考频点的扩展不确定度(k=2)为：在其他频点的合成标准不确定度(k=2)为：uem(S)=√(u₁m)²+(uzm)+(u₂m)²+(v₄m)³+(usm)³+(uem)+(u?m)+(u而在其他频点的扩展不确定度为：A.3.2相位延迟测量不确定度评定(1)激光干涉方法相位测量不确定度分量u;(△q)根据本规范采用的加速度测量方法，即GB/T20485.11—2006中的“方法3”,由于激光干涉加速度测量引入的相位不确定度为：参考频点：Ue,ef(△φ)=0.25°(A.23)其他频点：ua(△φ)=0.5°(A.24)(2)质量块上下表面相位差引起的相位延迟测量不确定度分量u₂(△φ)质量块上表面的加速度相位与质量块所产生的惯性力之间的相位差不大于0.2°,即：u₂(△φ)=0.2°(A.25)(3)多次测量重复性的不确定度分量u₃(△φ)传感器相位延迟是在不改变其他实验条件的前提下，进行10次测量获得的平均值，其标准偏差小于0.2°,因此根据以上不确定度分量的实际数据，可以获得系统在参考频率80相位延迟测量合成标准不确定度为：ue.(△φ)=√u.(△φ)+