GBT20485.13-2007振动与冲击传感器校准方法激光干涉法冲击绝对校准.pdf 20页

'ICS17．160J04a亘中华人民共和国国家标准GB／T20485．13--2007／IS016063-13：2001振动与冲击传感器校准方法第13部分：激光干涉法冲击绝对校准Methodsforthecalibrationofvibrationandshocktransducers--Part13：Primaryshockcalibrationbylaserinterferometry2007-07-02发布(IS016063—13：2001，IDT)2007-12-01实施宰瞀髁鬻瓣警矬赞星发布中国国家标准化管理委员会及111 目次前言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯-1范围⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯“2规范性引用文件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”3测量不确定度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”4仪器设备要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯-·4．1总则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯--4．2基于砧体(刚体)运动的冲击机⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯--4．3基于细长棒中波传播的冲击机⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯“4．4冲击机和激光干涉仪的隔振块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”4．5激光器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”4．6干涉仪⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4．7示波器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4．8带计算机接口的波形记录仪⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4．9带数据处理程序的计算机⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4．10滤波器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4．11其他要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5环境条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6优选的加速度及脉冲持续时间⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7．1测量步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7．2数据采集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7．3数据处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8校准结果报告⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯附录A(规范性附录)校准中测量不确定度的表述⋯⋯⋯·附录B(资料性附录)程序介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·附录C(资料性附录)复灵敏度幅值和相移计算的替代方法参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·GB／T20485．13--2007／15016063-13：2001ⅢⅣ11l124569m坨坫¨ 前言GB／T20485．13--2007／ISO16063-13：2001GB／T20485<<振动与冲击传感器的校准方法》主要由以下几大类组成：——第1类：基本概念；——第2类：绝对法校准(如：激光干涉法振动绝对校准、激光干涉法冲击绝对校准等)}——第3类：比较法校准(如：振动比较法校准、冲击比较法校准等)，——第4类：环境模拟校准(如：磁灵敏度、声灵敏度、基座应变灵敏度、横向振动灵敏度等)；本部分是GB／T20485<<振动与冲击传感器的校准方法》第2类中的一个部分。本部分等同采用ISO16063—13：2001<<振动与冲击传感器校准方法第13部分：激光干涉法冲击绝对校准》(英文版)。本部分等同翻译ISO16063—13：2001。为使用方便，本部分作了如下编辑性修改：——“国际标准的本部分”一词改为“本部分”。——删除国际标准的前言。——用小数点“．”代替作为小数点的逗号“，”。——对IsO16063—13：2001中引用的其他国际标准，有被采用为我国标准的，用我国标准代替对应的国际标准，未被采用为我国标准的直接引用国际标准。本部分的附录A为规范性附录，附录B、附录C为资料性附录。本部分由中国计量科学研究院提出。本部分由全国机械振动与冲击标准化技术委员会归口。本部分起草单位：中国航空工业第一集团公司北京长城计量测试技术研究所、中国计量科学研究院。本部分主要起草人：李新良、曾吾、于梅、孙桥。本部分为首次制定。Ⅲ GB／T20485．13--2007／IS016063-13：2001引言按照定义，冲击灵敏度s“由加速度计输出峰值和输入加速度峰值关系来决定。s“不是一个唯一的量，是随着冲击脉冲持续时间、冲击波形、被校传感器的带宽、配套信号适调仪的频响而变化。在频域计算某一个频率点对应的复灵敏度可以确定加速度计的线性。本部分提出了计算复灵敏度幅值s。和相移△吼的数据处理程序，再计算冲击灵敏度s。“(见附录c)。本部分给出了运动的时间历程的绝对法测量运动的方法，从根本上不同于GB／T20485．1介绍的速度改变冲击校准法。因此，得到的冲击灵敏度不同于后者得到的冲击校准因子，但和I$O5347—4(将转换为ISO16053—22)所得到的校准因子一致。Ⅳ 1范围GB／T20485．13--2007／IS016063-13：2001振动与冲击传感器校准方法第13部分：激光干涉法冲击绝对校准本部分规定了用激光干涉法测量冲击过程时间一位移信号对直线加速度计进行绝对法冲击校准的仪器设备和操作程序。该方法适用的冲击脉冲持续时间范围为0．05ms～lOms，峰值范围为102n1／s2～105rn／s2(与脉冲持续时间有关)，给出的是冲击灵敏度。2规范性引用文件下列文件中的条款通过GB／T20485的本部分的引用而成为本部分的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本部分。然而，鼓励根据本部分达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本部分。GB／T20485．1振动与冲击传感器校准方法第1部分：基本概念(Iso16063—1：1998，IDT)GB／T20485．1l一2006振动与冲击传感器校准方法第1l部分：激光干涉法振动绝对校准(IS016063—11：1999，IDT)ISO5347—22：1997振动与冲击传感器校准方法第22部分：加速度计共振测试通用方法3测量不确定度冲击灵敏度的测量不确定度：——在设定参考加速度峰值i03m／s2，参考冲击脉冲持续时间2ms和放大器参考增益时，为读数的l％；——对所有冲击峰值、脉冲持续时间，不超过读数的2％。上述规定适用于高精度等级传感器(例如，参考标准加速度计)的校准，这样的校准应仔细操作以确保给出的全部不确定度分量应足够小到符合相应的规定(不确定度的分量参看附录A)。特别是由传感器或冲击机的固有模态激发的频谱能量应比校准频率范围内的频谱能量要小得多，传感器固有频率的测试按照ISO5347—22：1997进行。通常应避免使用第1章、第6章中给出的相对短持续时间的脉冲。本部分的所有使用者应按照附录A编制实际的不确定度分量表。注：根据GB／T20485．1，测量不确定度表示为测量的扩展不确定度(简称不确定度)。4仪器设备要求4．1总则为了满足第1章中的测量范围及达到第3章中的不确定度要求，本章给出了所需仪器设备的推荐技术指标。4．2基于砧体(刚体)运动的冲击机该冲击机是用一个能自由移动的锤(弹体)来撞击安装有加速度计的砧体(目标)。锤撞击砧体后，砧体能够自由直线加速，同时锤被自动锁住。为获得期望的脉冲宽度和脉冲波形，在锤和砧之间应安装钢弹簧或缓冲垫(由橡胶、纸等某种可实现脉冲波形的材料制成)，所得冲击脉冲应是一个近似半正弦、半正弦平方或高斯(Gaussian)的加速度波形。锤和砧的共振频率至少为IO／T，T为脉冲持续时间。】 GB／T20485．13--2007／ISO16063—13：2001为了避免冲击机结构共振的影响，锤和砧应尽量与结构隔离。锤和砧的安装中心线间距最大值为±o．2mm。砧应由对称力支撑，而非对称力支撑会导致其旋转、偏离于直线运动。安装加速度计的表面的粗糙度，用算术平均偏差Ra表示，其值小于l,um。表面平面度的要求是：在对应于任何被校准传感器的最大安装表面内，该表面应包容在距离为5,um两个平行平面之间。联接传感器用的螺纹孔与安装表面的垂直偏差应小于10pm，即该孔的轴线允许在一个直径为10pm的柱体区域内，并且柱面的高度与孔的深度相同。注1：当砧(或砧和锤)安装在空气轴承上时，应满足上述要求(见图1和参考文献[1])。图1所示的冲击机可以产生半正弦平方加速度波形。注2。按照ISO5347·4t1993进行比较冲击校准的传统冲击机(见参考文献[2]和[3])，不可能产生能用激光干涉法精确测量的运动。l——冲击机(4．2)}2——弹簧单元l3——空气轴承冲击锤(钢，直径30minx长200ram)；4——垫f5——空气轴承砧体(钢．直径30rnm×长200turn)I6——加速度计}7——放大器，8——数字波形记录仪(4．8)l9——激光器(4．5)；10——干涉仪(4．6)}11——光电接收器(4．6)}12--隔振块1(4．4)I13——隔振块2(4．4)。图1基于砧体(刚体)运动的冲击校准测量系统实例(加速度峰值范围102m／s,z一5×103m／s2)4．3基于细长棒中波传播的冲击机该冲击机主要由一个可运动部件构成，例如，被加速的钢球(弹体)撞击和棒连接的缓冲件(如另一个相同直径的钢球)，而棒的另一端面安装了加速度计。这里．棒以柔性支撑来避免冲击机结构共振的2 GB／T20485．13--2007／ISO16063-13：2001影响。钢球和棒应尽量安装在同一直线上以满足第3章中的不确定度要求。为达到第3章中所述不确定度，在测量期间，即数据采集的最重要时间段(最大值：lms)，应尽量保证由加速度计安装表面引起的相对于直线运动的偏差最小。冲击机应具备数据采集的触发功能。安装加速度计的表面的粗糙度，用偏差的算术平均Ra表示，小于1Ixm。表面平面度的要求是：在对应于任何被校准传感器的最大安装表面内，该表面应包容在距离为5pm两个平行平面之间。连接传感器用的螺纹孔与安装表面的垂直偏差应小于10／．Lm，即该孔的轴线允许在一个直径为10pm的柱体区域内，并且柱面的高度与孔的深度相同。棒的尺寸设计(见参考文献[4]、Is])应考虑以下两个因素：校准单端安装加速度计时，激光光束必须能够射到棒的端面；保证足够的时间长度。最大冲击持续时间和可用数据采集测量时间是从主脉冲开始时刻到该脉冲在安装表面发生反射的时刻之间的时间长度(例如，如图2所示，棒长2m时，时间间隔0．8ms)。1——冲击机}2——阀门(压缩空气)f3——空气腔I4——碰撞球对(tr径50mm)，5——硅橡胶；6——铝管l7——o形环，8——棒(钛金属，直径25nlm．长2000mm)；9——加速度计l10--放大器}1l——数字波形记录仪(4．8)I12——应变片I13——桥路放大器；14——触发单元，15——干涉仪(4．6)}16——激光器(4．5)t17——光电接收器(4．6)。圈2基于细长棒中应力波传播的冲击校准测量系统实例(加速度峰值范圈103m／s2—105m／s2) GB／T20485．13--2007／IS016063-13：2001图2是一个基于应力波在细长棒中传播的冲击机的实例。为了获得触发信号，在棒的柱面对称位置上贴两个应变片。带有两个钢球的冲击激励装置(图2所示)可产生所需加速度波形，用高斯函数的微分(即高斯速度脉冲)来描述(见参考文献[6])。这种装置的优点是：在多次冲击校准中，具有良好的重复性；在不同加速度峰值上冲击频谱的频谱分量变化相对小(见参考文献[13])。为满足不同校准条件，也可使用与图2尺寸不同的棒。通常，棒内轴向位移是径向位置和频率的复杂函数，而频率取决于棒的材料特性和直径。这样，对于被校传感器可能会带来和频率有关的基座应变，或增加校准的不确定度，或二者都有。4．4冲击机和激光干涉仪的隔振块为了避免大地脉动引起的相对运动，以及冲击激励源支撑结构的反冲力对校准结果产生过大的影响，冲击机和干涉仪应安装在起隔振作用的同一个或两个不同的大质量块上。4．5激光器应使用发红光的氨氖激光器。在实验室条件下(即：大气压为100kPa，温度23℃，相对湿度50％)，激光波长为0．63281pm。如果激光器具有手动或自动气压补偿，应将其设置为零或关闭。另外，还可以选择其他已知稳定波长的单频激光器。4．6干涉仪应选用改进型迈克尔逊(Michelson)激光干涉仪，正交信号输出，带有两只频响满足所需带宽的光电接收器。所需带宽根据最大速度。。，由下式得到：，。，一口。；×3．16×106In-1⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(1)改进的迈克尔逊干涉仪的结构见图3。四分之一波片将人射的线偏振光分成偏振方向相互垂直、相位差为90。的两个测量光束。在与线偏振参考光束发生干涉后，两个正交偏振光束由光学器件[例如：沃尔斯顿(Wollaston)棱镜或偏振分光镜]分开，并由两个光电二极管检测。1——激光器，2——偏振片，3——分光镜·4——参考镜I5——模拟质量块(测量反射镜)6——加速度计}7——袄尔斯顿棱镜，8——光电接收器。圈3正交输出的激光干涉仪 GB／T20485．1312007／ISO16063·13：2001改进的迈克尔逊干涉仪的两路输出幅值的偏移量应小于-L5％，相对幅值偏差应小于士5％，与90。名义角度的偏差应小于士5。。为确保这些允差。要采用适当的方法调整两路干涉信号的偏移量、幅值大小及相角。干涉仪的测量光束和砧、棒或砧棒轴在一条直线上，以满足第3章中的测量不确定度的要求。如果传感器是单端形式的，砧、棒或砧棒端面应该抛光，以满足测量光束反射需要．如果是背靠背传感器，其顶面也应该抛光，避免使用反射镜。在大加速度峰值测量时，需要带宽很宽。例如，在测量冲击峰值为105m／s2、脉冲持续时间为200／zs的冲击过程(加速度波形见4．3)，干涉仪输出信号频率最大值为32MHz，详见参考文献[6]。也可以用其他合适的双光束干涉仪代替(改进)迈克尔逊干涉仪，例如，(改进)马赫一泽德(Math—Ze—hnder)干涉仪。4．7示波器如果4．8不包括示渡器功能，应该有一个DC～50MHz或上限频率更高的示渡器检查干涉仪和加速度计的输出信号波形。4．8带计算机接口的波形记录仪采用带计算机接口的波形记录仪，该记录仪具有模一数转换功能，并能存储干涉仪的两路正交输出信号及加速度计的输出信号。其幅值分辨力、采样率及存储容量应足够大，在校准的幅值范围内，满足第3章中规定的不确定度。通常，用于加速度计输出的幅值分辨力应不小于lo比特，用于干涉仪正交输出信号的分辨力应不小于8比特。加速度输出测量的典型幅值分辨力应该不小于10比特，用一个两通道的波形记录仪记录干涉仪的输出信号，同时另一个波形记录仪(具有更高的分辨力和更低的采样率)记录加速度计的输出信号。示例；在加速度峰值为2500m／s。、脉冲持续时间为2ms的条件下校准加速度计．采样频率为50MHz(存储容量应1M字节，才能满足3个通道存储需要)或更高。4．9带数据处理程序的计算机应使用带有数据处理程序的计算机，其程序应按照7．3中描述的计算过程编制。4．10滤波器加速度计和干涉仪输出信号均用模拟滤波器滤波。为了避免混叠和(或)抑制噪声，该滤波应具有适合的幅频和相频响应，以满足测量不确定度要求(见第3章)。数据处理程序中的数字滤波器也应满足上述要求，见7．3。对干涉仪输出信号进行滤波时。应考虑参考文献[63介绍的误差。4．”其他要求在校准中为获得较小测量不确定度(如1％)，加速度计和放大器应作为一个整体一起进行校准。加速度计应具有刚性结构。在计算测量不确定度时，应考虑基座应变灵敏度、横向灵敏度及加速度计／放大器套组的稳定性(见附录A)。校准一个背靠背参考加速度计的灵敏度(幅值和／或相移)时，应加装一个模拟质量块，其质量与使用背靠背参考加速度计通过比较法校准(见ISO16063—22)的加速度计质量相同。测量光点位于模拟质量块的顶部(外表面)或参考加速度计的上表面。如果检测模拟质量块顶部运动，质量块的顶部应具有抛光的表面，测量光点的位置应靠近该表面的几何中心。如果质量块的运动不能视为刚体运动，应考虑其顶部与底部表面的相对运动。另一方面，也可以通过模拟质量块上的纵向通孔测量参考加速度计的顶端运动。用于比较法冲击校准的一些传统冲击机，被校加速度计的运动是通过背靠背参考加速度计的基准面传递的，两个加速度计固定为一个刚性结构。在这种情况下，背靠背的参考加速度计在进行冲击运动校准时检测紧靠加速度计的运动部位(如，棒的端面)。5 GB／T20485．13--2007／ISO16063-13：20015环境条件校准应在以下环境条件下进行a)室内温度：23℃±3℃；b)相对湿度：最大75％。6优选的加速度殛脉冲持续时间加速度(峰值)和冲击脉冲持续时间应按以下系列值优先选用：a)加速度值，m／s2：100，200，500，1000，2000，5000，10000，20000，50000，100000。b)冲击脉冲持续时间，ms；0．05，0．1，0．2，0．5．1，2，5，10。注意：冲击校准脉冲持续时间要比厂家提供的最窄冲击脉冲持续时间要长一些，以避免损坏被校加速度计。7方法7．1测量步骤按照图1、图2、图3所示安装。调整激光干涉仪(见图3)，使其输出为两路相位正交的信号“，和地，允差满足4．6的规定。在做校准之前，应测量干扰量如交流声和噪声，其值应尽量小以满足校准不确定度要求。把干涉仪(4．6)调整到最佳状态、设置放大器档位后，应优选推荐(见第6章)加速度峰值和脉冲持续时间，按7．2和7．3进行校准。注1：Fh数字信号处理程序和参考文献[7]、[8]所给出的特定的外差干涉技术可以产生允差满足4．6所述的正交信号，可实现比零差技术更小的不确定度。适当的外差技术在宽带(见4．6)干涉信号的光电传输中具有特殊的优势，但成本比零差技术高。注2：在测量时变加速度信号．采用下列手段时就无须产生正交信号t单通道输出的迈克尔逊干涉仪·一台时间间隔分析仪和从测得的位移值及对应时同来确定加速度值的特定数学方法(见GB／T20485．1f详见参考文献[9])。7．2数据采集应该设置低通滤波器和高通滤波器(如使用)的截止频率，使低、高通滤波对校准结果的干扰影响在允差范围以内(见参考文献[6])。采样率的设置应满足奈奎斯特(Nyquist)定律，使最高频率小于采样频率的二分之一。在一个测量周期t。