高低温振动传感器校准规范.docx

中华人民共和国国家计量技术规范JJFXXXX-XXXX高低温振动传感器校准规范CaIibrationSpecificationofHigh-1owTemperatureVibrationTransducer（征求意见稿）XXXX-XX-XX 实施XXXX-XX-XX发布JJF xxxxxxxx高低温振动传感器校准规范CalibrationSpecificationofHigh-IowTemperatureVibrationTransducer归口单位：全国振动冲击转速计量技术委员会主要起草单位：参加起草单位：本规范委托全国振动冲击转速计量技术委员会负责解释本规范主要起草人:参加起草人:引言Il1范围22引用文件23术语24概述2536校准条件35.1 环境条件35.2 测量标准及其他设备37校准项目和校准方法57.1校准项目7. 2校准方法5错误味定义书签。8校准结果表达99复校时间间隔9附录A10附录B错误!未定义书签。引言JJF1071-2010国家计量校准规范编写规则、JJF1001-2011通用计量术语及定义和JJF1059-2012测量不确定度评定与表示共同构成支撑本规范制定工作的基础系列规范。本规范参照了ISOI6063-34MethodsforthecalibrationofvibrationandshocktransducersPart34:TestingofsensitivityatfixedtemperaturesXGB/T20485.11振动与冲击传感器的校准方法第11部分：激光干涉振动绝对校准、GB/T20485.21振动与冲击传感器的校准方法第21部分：振动比较法校准，并结合我国高低温振动传感器的生产、使用和校准现状进行制定。本规范为首次制定。高低温振动传感器校准规范1范围本规范适用于频率范围IoHZ3000Hz、加速度范围Ims2l（X）ms2温度范围-190。C800。C的高低温振动传感器的校准。2引用文件本规范引用下列文件：JJG233-2008压电加速度计JJG834-2006动态信号分析仪JJG298-2015标准振动台JJF1156振动冲击转速计量术语及定义GB/T20485.1振动与冲击传感器的校准方法第1部分：基本概念GB/T20485.11振动与冲击传感器的校准方法第11部分：激光干涉振动绝对校准GB/T20485.21振动与冲击传感器的校准方法第21部分：振动比较法校准ISO16063-34MethodsforthecalibrationofvibrationandshocktransducersPart34:Testingofsensitivityatfixedtemperatures凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于该规范；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3. 1温度响应temperatureresponse高低温振动传感器复灵敏度在给定频率上的稳态温度的函数。注1：温度响应在振动传感器额定频率范围内的规定频率点测量。注2：一般情况下，实验室环境温度（23±5C）定义为参考温度。4概述高低温振动传感器主要采用压电式、压阻式等不同原理，可用于不同的温度范围的振动测量。用于极端温度环境振动测量的高低温振动传感器通常采用压电原理，结构为中心压缩式，敏感元件一般为锯酸锂等具有耐高低温特性的压电材料。高低温振动传感器主要用于高低温条件下的振动测量，例如航空发动机振动测试、运载火箭低温燃料增输送系统管路测试和各类热振动和热模态实验等。5计量特性5.1温度响应5.1.1温度响应的灵敏度幅值高低温振动传感器温度响应的灵敏度幅值在工作温度范围内一般不超过±15%。5. 1.2温度响应的灵敏度相移高低温振动传感器温度响应的灵敏度相移在工作温度范围内一般不超过±5。6校准条件5.1 环境条件6. 1.1环境温度：（23±5）°C；7. 1.2相对湿度:75%;6.1.3校准装置应安放牢固，必要时需要采取相应的隔振措施；实验室及周围环境无强振源，无强电磁场的干扰。6.2测量标准及其他设备6.2.1激光干涉仪技术指标推荐满足以下要求：a）频率范围：IoHZ3000Hz；b）加速度测量不确定度：0.5%（公2）（参考点），1.0%（公2）（全频段）；c）相位测量不确定度：0.5o（A=2）（参考点），1.0°（A=2）（全频段）。6.2.2参考传感器套组使用的参考传感器套组应按激光干涉绝对法进行校准并给出不确定度，其温度响应不超过±5%。方法2使用的参考传感器套组应按方法1进行校准并给出不确定度；方法3使用的参考传感器套组应按照JJG233-2008压电加速度计进行校准并给出不确定度。6.2.3动态信号分析仪具有双通道FFT分析功能、传递函数测量功能主要技术指标推荐满足以下要求：a）频率范围：IOHz-IOkHz;b）电压范围：O10V；c）幅值测量不确定度：0.2%（A=2）；d）相位差测量不确定度：0.2o（A=2）O其他技术指标推荐满足JJG834-2006动态信号分析仪的A级要求。6.2.4数据采集系统数据采集系统的幅值分辨力、采样率和存储量应满足需求。用于高低温振动传感器输出幅值的分辨力应不小于16位，用于干涉仪正交信号输出的分辨力应不小于12位。高低温振动传感器输出信号的模-数转换可采用与干涉仪输出信号模-数转换相同或较低的采样速率，同时应确保干涉仪采样信号采用同一系统时钟同步采样。6.2.4标准振动台系统包括信号源、标准振动台、功率放大器和配套的陶瓷振动传递机构，标准振动台可以按垂直或水平方向安装，技术指标推荐满足以下要求：a）频率范围：IOHZ5000Hz；b）加速度范围：Im/s？lOOm/s*陶瓷振动传递机构应选择导热系数低，刚度高的材料，被测高低温振动传感器安装在陶瓷杆的顶部，并伸入温度试验箱中，底部固定在振动台上。为了反射激光，安装传感器的表面应进行光学抛光、安放镜面、镀铭或其它适当方式。6.2.5高低温试验箱高低温试验箱应有一个激光测量孔，试验箱侧面应有另一个孔，以便将电缆从被测传感器馈送至外部调节放大器。需要提供适当的密封装置以保持腔室温度。设备的设计需考虑传感器电缆的夹紧，以减少电缆应变和摆动。系统的设计还应确保激光测量孔玻璃窗上没有冷凝和结冰，陶瓷杆上的反射面不会影响激光干涉仪的振幅测量。对于包含正、负温度的温度范围，最好先进行正温度试验，然后干燥试验箱，再进行负温度试验，以免结冰和结霜。温度试验系统的技术指标推荐满足以下要求：a）温度范围：-190。C80（TC;b）温度波动度：±2。C（工作区）；c）温度均匀度：±2（工作区）。注1：工作区域是指试验箱中能将温度维持在规定的容差范围内的那一部分空间；注2：上述的温度范围和温度均匀性±2不是强制性要求。试验箱需满足所需的温度范围，在某些情况下温度均匀性±2是推荐性的。6. 3校准条件的选择推荐在以下频率、加速度和温度，选取至少六个点，要均匀覆盖传感器的温度和频率范围。频率：按照1/3倍频程选择倍、12.5、16、20、25、31.5、40、50、63、80、100、125、160>200、250、315、400、500、630、800、1000、1250、1600、2000、2500、3000；加速度：lms2>2ms2>5ms2>10ms2>20ms2>50ras2>100m/S2；温度：-190.-150,-120,-1000C.-70、-50、-40、-25、-10.0、5、40、70、100oCs1550Cs200、500、400、500、600、700、800oCo在加热和制冷过程中应特别注意，当温度超过传感器的最高（或最低）工作温度时，超调量不得超过59。试验箱应采用逐步的方式升温或降温。在振动台和试验箱之间使用连接陶瓷杆的情况下，应注意避免在陶瓷杆发生大横向运动的频率下测试。当被校传感器和参考传感器以肩并肩方式安装时，应评估振动台的摇摆谐振，消除这些频率和激振参数，两个传感器应得到相同的激振参数。夹具（连接杆组合）的最低共振频率应远大于测试频率上限。7校准项目和校准方法6.1 校准项目校准项目见第5章。6.2 校准方法7. 2.1校准前准备高低温振动传感器上应标有清晰的型号、出厂编号及灵敏轴方向，必要时应标出最大横向灵敏度方向。高低温振动传感器安装面应无影响安装刚度的划痕及其他瑕疵。为了保证使用和校准条件的一致性，传感器、其电缆和适调放大器将被视为一个整体一起测试。校准的加速度范围、频率范围、温度范围、优选的频率点和加速度幅值可与用户协商选择，或者按高低温振动传感器使用要求或出厂指标选择。7. 2.2温度响应方法1：使用激光干涉仪校准该方法采用正弦逼近法，适用于频率范围为IOHZ3kHz,温度范围为T90C800的高低温振动传感器温度响应校准。按图1连接仪器设备，室温下按制造商手册中推荐的力矩安装被测传感器将高低温振动传感器刚性安装在陶瓷杆顶端，在此条件下测试的传感器复灵敏度（参考温度下）可以与其他温度点进行比较。开启温度试验系统，设定校准温度，温度到达设定值后，当工作区温度波动度达到±2时，开启振动台，在选定的参考频率和加速度下测量被校高低温振动传感器的灵敏度幅值和相移。为了减小弯曲、倾斜和横向运动带来的误差，可以在被测传感器的底座周围进行多次测量，将平均测量值用于加速度计算。改变温度并重复上述步骤，可以得到被测传感器的温度响应。在固定温度点，通过改变频率可测量被测传感器在固定温度点的复灵敏度频率响应。图中:1一标准振动台5控温传感器9功率放大器2陶瓷杆6激光干涉仪10信号发生器3高低温振动传感器7数据采集系统4高低温试验箱8适调放大器图1高低温振动传感器绝对法校准示意图（方法1）方法2：参考传感器置于温度试验箱内的比较法该方法采用与参考传感器比较的方式，适用于频率范围为IOHZlkHz,温度范围为-70500的高低温振动传感器温度响应校准。按图2连接仪器设备，室温下按制造商手册中推荐的力矩安装被测传感器将高低温振动传感器刚性安装在陶瓷杆顶端，在此条件下测试的传感器复灵敏度（参考温度下）可以与其他温度点进行比较。开启温度试验系统，设定校准温度，温度到达设定值后，当工作区域温度波动度达到±2时，开启振动台，在选定的参考频率和加速度下与参考传感器比较来测量被校传感器的灵敏度幅值和相移。改变温度并重复上述步骤，可以得到被测传感器的温度响应。在固定温度点通过改变频率可测量被测传感器在固定温度点的复灵敏度频率响应。图中:1一标准振动台2陶瓷杆3参考传感器4高低温振动传感器5高低温试验箱6控温传感器7适调放大器8动态信号分析仪9功率放大器10信号发生器图2高低温振动传感器比较法校准示意图（方法2）方法3：参考传感器置于温度试验箱外的比较法该方法适用于频率范围为IOHZlkHz,温度范围为T90°C800°C的高低温振动传感器温度响应校准。按图3连接仪器设备，使用制造商推荐的扭矩值将高低温振动传感器刚性安装在陶瓷杆顶端。在室温下通过与参考传感器的比较，对高低温振动传感器进行测试。在选定的频率和幅值下记录高低温振动传感器的灵敏度幅值（校准系数So）及高低温振动传感器和参考传感器输出之间的相移00。开启温度试验系统，设定校准温度，温度到达设定值后，当工作区域温度波动度达到±2时，开启振动台，在选定的参考频率和加速度下测量被校高低温振动传感器的灵敏度（校准系数St）及被测传感器和参考传感器输出之间的相移叫。改变温度并重复上述步骤，可以得到被测传感器的温度响应。灵敏度幅值的温度响应按照公式（1）计算，灵敏度相移的温度响应按照公式（2）计算。图中:1一标准振动台2参考传感器3陶瓷杆4高低温振动传感器5高低温试验箱6控温传感器7适调放大器8动态信号分析仪9功率放大器10信号发生器图3高低温振动传感器比较法校准示意图（方法3）按公式（1）在选定频率和振幅下计算被测传感器灵敏度SrE的变化，即测试温度相对于室温下的校准系数的百分比偏差：Srel=×100%(1)So式中：Srel一被测传感器灵敏度幅值在测试温度上相对于室温的相对偏差；St被测传感器在固定温度点的校准系数；So一被测传感器在室温的校准系数。按公式(2)在选定频率和振幅下计算被测传感器在测试温度相对于室温的相移偏差0c=0c-0o(2)式中：0c被测传感器相移在测试温度上相对于室温的绝对偏差；0c一一在测试温度点被测传感器与参考传感器之间的相移；00一一在室温下被测传感器与参考传感器之间的相移。7校准结果表达校准原始记录格式参照附录B,按本规范要求校准后的高低温振动传感器出具校准证书，校准证书格式参照附录C,高低温振动传感器校准结果测量不确定度评定示例见附录A.8复校时间间隔高低温振动传感器复校时间间隔一般不超过12个月。由于复校时间间隔的长短是由仪器的使用情况、使用者、仪器本身质量等诸多因素所决定，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。附录A高低温振动传感器的测量不确定度评定示例(方法1)A.1测量模型高低温振动传感器的灵敏度幅值和相移均属于复合量，无法通过直接测量得到，灵敏度是由相关量的函数关系确定。a=(a+4+%)(1)式(1)是基于泰勒级数的一阶近似，被测量A的估计值是由各输入量A的估计值对按数学模型确定的函数关系计算得到。Q=/(4+%+%)(2)按照不确定度传播定律，确定被测量4的的合成标准不确定度分与各不确定度分量(4)的关系如下。一一假，(小2蓝方瓢"由于各输入量之间不相关，根据函数误差理论推导出合成标准不确定度,()可简化为:(4)因此，只要分析各影响量对灵敏度幅值和相移测量不确定度的影响并合成就可以得到系统的校准不确定度。A.2标准不确定度的A类评定用绝对法进行校准，选取温度150C,校准频率为160Hz,校准加速度为IOm/Sz的条件下进行不确定度预评估。(1)测量不确定度的A类评定。选用丹麦B&K公司生产的8305型参考加速度传感器，独立重复测量传感器的电荷灵敏度8次，其结果如表A.1所示。表A.1参考加速度传感器测试数据测量次数12345678灵敏度幅值/pC(ms2)0.12320.12340.12330.12340.12300.12320.12330.1235相移/°-0.14-0.26-0.28-0.22-0.21-0.12-0.17-0.23根据贝塞尔公式计算测量重复性引入的不确定度分量为:灵敏度幅值：=0.13%；相移：=0.020o0A.3标准不确定度的B类评定1)加速度计输出电压的测量的影响加速度计输出电压为交流电压，本系统使用16位的数据采集系统，其电压准确度为0.05%,相位测量准确度为0.05。，二者服从均匀分布，包含因子为百，那么交流电压测量引入的测量不确定度分量为：灵敏度幅值：/=0.029%；相移：l=0.029°o2)电压滤波对加速度计输出电压幅值测量的影响加速度计输出电压受到低通和高通滤波器的影响，由于使用的数据采集器的带宽较宽,对电压测量产生的影响几乎可以忽略不计，估计其引入的幅值测量误差为0.02%,相位测量误差为0.02。，服从均匀分布，包含因子为石，其引入的测量不确定度分量为：灵敏度幅值：4毋2=002%；相移：”“2=0.012。3)横向、摇摆和弯曲加速度对加速度计输出电压测量的影响振动台的横向运动、台面的摇摆和弯曲对于加速度计的输出会产生影响。根据评估，振动台的横向运动比一般不超过5%,台面的摇摆和弯曲一般不超过1%,加速度计的横向灵敏度比一般不超过2%,因此横向和摇摆等因素的影响为(5%+l%)×2%=0.12%,预估其引入的相移测量误差为0.2°,二者均服从矩形分布，取包含因子为3,那么横向、弯曲和摇摆等因素引入的测量不确定度分量为：灵敏度幅值：4i3=Oa%；相移：%83=0°o4)干扰电压对加速度计输出电压测量的影响干扰电压一般为测量系统的信噪比，使用的测量系统信噪比为80dB,其对电压幅值测11量的影响为0.1%,对相位测量误差的影响为0.05°,一般服从均匀分布，包含因子为百,那么干扰电压引入的测量不确定度分量为：灵敏度幅值：wa,4=0.056%；相移：4=0.029oo5）干涉仪正交输出信号扰动对相位调制项幅值测量的影响光电信号的输出幅值和相位差引起的影响，主要源于电路系统的噪声、电压幅值测量偏差及其背景噪声引起，干涉仪的正交信号扰动对干涉仪的相位调制项幅值测量引入的测量不确定度分量为：灵敏度幅值：M,5=0.02%;相移：5=0.02oo6）干涉仪信号滤波对位移测量的影响干涉仪的输出信号为宽频带信号，受到采集系统带宽的影响，对输出信号具有滤波作用，从而影响其位移的解算。本装置使用的数据采集卡的带宽为10MHz,远高于160Hz,10ms2下的原始多普勒频移，估计干涉仪的信号滤波对其测量位移的测量引入的测量不确定度分量为：灵敏度幅值：4,86=°02%;相移：,6=0.02°o7）电压扰动对相位调制项幅值测量的影响由于光电测量回路中的随机噪声，随机噪声主要源于电源的交流电噪声和激光干涉仪光路的热漂移等，电压扰动对干涉仪的相位调制项幅值测量的影响引起的灵敏度幅值测量偏差为0.05%,相移测量偏差为0.05%,一般服从均匀分布，包含因子为6，电压扰动对相位调制项幅值测量的影响引入的测量不确定度为：灵敏度幅值：*b7=003%;相移：%b7=0030°8）干扰运动对相位调制项幅值测量的影响源于激光反射的平面与干涉仪测量光点之间的相对运动，考虑到振动台的横向摇摆等运动，造成反射面与干涉仪光点之间产生相对运动，其引入的加速度幅值测量误差为0.05%,相移测量偏差为0.05。，一般服从均匀分布，包含因子为75,引入的测量不确定度分量为：灵敏度幅值：=0.03%；相移：（出=003。9）温箱的温度波动对加速度测量的影响用于高低温振动校准的温度试验箱的温度波动度为2C,8305每100C灵敏度幅值变化为2%,相移变化为0.1°,可推算出在温度波动2的情况下,灵敏度幅值变化为0.04%,相移变化为0.02°,服从均匀分布，包含因子为百，2的变化为的温度波动引入的测量不确定度分量为：灵敏度幅值：露9=023%;相移：59=0012。10）温箱的温度均匀度对加速度测量的影响用于高低温振动校准的温度试验箱的温度均匀度为±2,8305每100灵敏度幅值变化为2%,相移变化为0.1。，可推算出在温度偏差4的情况下，灵敏度幅值变化为0.08%,相移变化为0.04%服从均匀分布，包含因子为百，温箱温度均匀度引入的测量不确定度分量为：灵敏度幅值：/o二°!%;相移：（。=°023°°11）其他干涉效应对位移测量的影响影响激光干涉仪测量的其他干涉效应包括，入射光反射光不重合、运动干涉、温度变化引起的激光波长变化、激光光线变化等。预估其他干涉效应引入的测量不确定度分量为:灵敏度幅值：wo,ll=0.05%;相移：,=0.05oo12）振动频率的测量振动频率的准确与否关系到正弦逼近解算的准确度，由于解算出的信号为位移信号，换算到加速度信号需要频率信息加入计算，其对灵敏度幅值测量不确定度评估的贡献值为0.03%,其服从均匀分布包含因子为石。振动频率对相移测量并无影响，其引入的测量不确定度为0。因此频率的测量引入的测量不确定度分量为：灵敏度幅值：%,m2=°02%;相移：e®2=0°。综上所述，测量不确定度的B类分量如表A.2所示：表A.2测量不确定度的B类分量序号不确定度来源灵敏度幅值此相移（1加速度计输出电压的测量0.029%0.0292电压滤波对加速度计输出电压幅值测量的影响0.012%0.0123横向、摇摆和弯曲加速度对加速度计输出电压测量的影响0.05%0.034干扰电压对加速度计数出电压测量的影响0.056%0.0295干涉仪正交输出信号扰动对相位调制项幅值测量的影响0.02%0.026干涉仪信号滤波对位移测量的影响（频率带宽的限制）0.02%0.027电压扰动对相位调制项幅值测量的影响0.03%0.038干扰运动对相位调制项幅值测量的影响0.03%0.039温箱的温度波动对加速度测量的影响0.023%0.01210温箱的温度均匀度对加速度测量的影响0.046%0.02311其他干涉效应对位移测量的影响（干涉仪的功能）0.05%0.0512振动频率的测量（频率发生器和指示器）0.02%0灵敏度幅值不确定度的B类评定为：力=JtXLo12%VX=I相移不确定度的B类评定为："=材心=。.11。A.4合成标准不确定度合成标准不确定度计算为：=SfL士UCr=JA+"：R=0.18%灵敏度幅值：cNa'心;相移：%c=*a+*b=611°。A.5扩展不确定度取包含因子h2,扩展不确定度U计算为：z=x=5/-£-U=2XW0.36/ozfc、灵敏度幅值：aac（火=2）；相移:%=2x%c=0.22°(=2)o附录B高低温振动传感器校准原始记录参考格式委托方名称委托方地址被测设备制造者型号编号计量标准名称证书号测量范围不确定度所依据的技术文件温度湿度B.1温度响应（方法1和方法2）频率/Hz加速度ms2温度/C灵敏度灵敏度偏差/%相移/°相移偏差/°B.2温度响应（方法3）校准系数S。：相移0o：频率/Hz加速度ms2温度/C校准系数灵敏度偏差/%相移/°相移偏差/°校准不确定度：校准人：核验人:附录C高低温振动传感器校准证书内页参考格式C.1温度响应（方法1和方法2）频率/Hz加速度ms2温度/C灵敏度pC(ms2)灵敏度偏差/%相移/°相移偏差/0C.2温度响应（方法3）频率/Hz加速度/m/s?温度/C灵敏度偏差/%相移偏差/°校准不确定度：附图（可选）：温度响应曲线