角運(yùn)動(dòng)傳感器(角沖擊絕對(duì)法)校準(zhǔn)規(guī)范

1角運(yùn)動(dòng)傳感器(角沖擊絕對(duì)法)校準(zhǔn)規(guī)范本規(guī)范適用于采用角沖擊激勵(lì)方式對(duì)角運(yùn)動(dòng)傳感器(包括角加速度、角速度和角位(脈寬20ms～100ms)、角位移0.5°~100°(脈寬30ms～150ms)范圍內(nèi)的校準(zhǔn)。GB/T20485.13—2007振動(dòng)與沖擊傳感器校準(zhǔn)方法第13部分：激光干涉法沖GB/T20485.15—2010振動(dòng)與沖擊傳感器校準(zhǔn)方法第15部分：激光干涉法角凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本規(guī)范；凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本規(guī)范。3.1半正弦角沖擊脈沖half-sineangularshockpulse時(shí)間歷程曲線近似為半正弦波的角運(yùn)動(dòng)脈沖。3.2角脈沖持續(xù)時(shí)間durationofangularshockpulse簡(jiǎn)單角沖擊脈沖的運(yùn)動(dòng)量上升到某一設(shè)定的最大值的分?jǐn)?shù)值和下降到該值的時(shí)間間隔，對(duì)實(shí)測(cè)脈沖通常取最大值的0.1倍作為設(shè)定值，對(duì)理想脈沖設(shè)定值取為零。角運(yùn)動(dòng)傳感器用于測(cè)量各種角運(yùn)動(dòng)(包括角位移、角速度和角加速度)。常用的角運(yùn)動(dòng)傳感器有壓電式、微機(jī)械式、光纖式等，依據(jù)其感受的角運(yùn)動(dòng)量的不同分為角位移傳感器、角速度傳感器(如陀螺)和角加速度傳感器。采用本規(guī)范所規(guī)定的校準(zhǔn)方法進(jìn)行角運(yùn)動(dòng)傳感器校準(zhǔn)時(shí)，被校傳感器的計(jì)量特性見2量程范圍帶寬靈敏度非線性度1角加速度500°/s2~15000°/s22角速度3角位移0.5°~100°注：以上指標(biāo)不作為合格性判別，僅提供參6校準(zhǔn)條件6.1校準(zhǔn)環(huán)境條件6.1.1環(huán)境溫度，(23±5)℃。6.1.3周圍無(wú)強(qiáng)電磁場(chǎng)，無(wú)腐蝕性氣體或液體，無(wú)強(qiáng)震源6.1.4供電電潤(rùn)頻裊(50±1)Hz,電用(380±38)V、(220±22v6.2校準(zhǔn)庸標(biāo)準(zhǔn)器及配套設(shè)備6.2.1動(dòng)態(tài)角運(yùn)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置標(biāo)準(zhǔn)囊置量要由角沖擊合、激勵(lì)擇制系統(tǒng)、角沖擊測(cè)量系統(tǒng)(光柵測(cè)量素統(tǒng)或激光干涉測(cè)量系統(tǒng))、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、氣源系統(tǒng)基等組成。如圖1所示。采集處理被校被校傳感器測(cè)量激勵(lì)測(cè)量控制系統(tǒng)角沖擊臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)裝置可給出三種角沖擊激勵(lì)方式，主要技術(shù)指標(biāo)見表2。1角加速度脈沖持續(xù)時(shí)間角加速度測(cè)量范圍500°/s2~15000°/s2角加速度峰值測(cè)量不確定度(k=2)32角速度脈沖持續(xù)時(shí)間角速度測(cè)量范圍角速度峰值測(cè)量不確定度(k=2)3角位移脈沖持續(xù)時(shí)間角位移測(cè)量范圍0.5°~100°角位移峰值測(cè)量不確定度(k=2)角沖擊臺(tái)主要由電機(jī)、光柵、旋轉(zhuǎn)軸、氣浮軸承、安裝臺(tái)面、支撐殼體等組成。電機(jī)為永磁無(wú)刷力矩電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)子直接安裝在旋轉(zhuǎn)軸上，定子安裝在支撐殼體上。旋轉(zhuǎn)軸在氣浮軸承支持下運(yùn)動(dòng)。激勵(lì)控制系統(tǒng)可控制角沖擊臺(tái)給出沖擊角位移、沖擊角速度可采用光柵測(cè)量系統(tǒng)或激光干涉測(cè)量系統(tǒng)。它以圓柱光柵為測(cè)量目標(biāo)，光柵的主要a)刻劃線數(shù)：≥36000線/周；當(dāng)采用光柵測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)如圖2所示。采用激光干涉的測(cè)量系統(tǒng)如圖3所示.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)讀數(shù)頭圖2光柵測(cè)量系統(tǒng)圖要求能夠同步多路采集標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)(激光干涉信號(hào)或光柵讀數(shù)頭信號(hào))和被校傳b)A/D位數(shù)不低于12位。4數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)7校準(zhǔn)項(xiàng)目和校準(zhǔn)方法7.1校準(zhǔn)項(xiàng)目校準(zhǔn)項(xiàng)目見表3。項(xiàng)目名稱127.2校準(zhǔn)方法7.2.1參考靈敏度及重復(fù)性7.2.1.1推薦參考點(diǎn)a)角加速度傳感器：脈沖脈沖持續(xù)時(shí)間10ms,峰值8500°/s2;b)角速度傳感器：脈沖持續(xù)時(shí)間80ms,峰值100°/s;c)角位移傳感器：脈沖持續(xù)時(shí)間150ms,峰值20°。7.2.1.2校準(zhǔn)前準(zhǔn)備a)調(diào)整儀器設(shè)備，使其處于規(guī)定的工作狀態(tài)；b)將被校傳感器剛性安裝在角沖擊臺(tái)的臺(tái)面上，使角運(yùn)動(dòng)傳感器敏感軸與角沖擊臺(tái)軸線平行；c)被校傳感器按說(shuō)明書要求預(yù)熱、通電；d)標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)入控制模式。按被校傳感器測(cè)量參數(shù)類型，控制角沖擊臺(tái)給出不同的激勵(lì)方式；e)選定參考點(diǎn)；f)校準(zhǔn)時(shí)，在同一參考點(diǎn)重復(fù)測(cè)量10次，計(jì)算10次的平均值和實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差。7.2.1.3數(shù)據(jù)處理參考靈敏度可由式(1)給出：5式中：S;——第i次測(cè)量的靈敏度，V/(°/s2);n——總測(cè)量次數(shù)，n=10。參考靈敏度重復(fù)性可由式(2)給出：式中：s——參考靈敏度重復(fù)性，V/(°/s2)。7.2.2靈敏度非線性校準(zhǔn)7.2.2.1推薦校準(zhǔn)點(diǎn)推薦校準(zhǔn)點(diǎn)見表4。角加速度傳感器角速度傳感器角位移傳感器推薦脈寬推薦脈寬推薦脈寬7.2.2.2校準(zhǔn)前準(zhǔn)備b)選定校準(zhǔn)點(diǎn)可參考表4;c)至少在全量程范圍內(nèi)，在某一脈寬下均勻選擇不少于6個(gè)測(cè)量點(diǎn)，每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)重復(fù)測(cè)量3次。7.2.2.3數(shù)據(jù)處理以角加速度傳感器為例，傳感器輸入輸出的線性模型可由式(3)給出：式中：S——角加速度傳感器靈敏度，V/(°/s2)ü:——第i個(gè)測(cè)試點(diǎn)3次測(cè)量輸出平均值，V;?:——第i個(gè)測(cè)試點(diǎn)3次測(cè)量輸入平均值，(“/s2);6用擬合方程表示的傳感器輸入輸出關(guān)系可由式(6)給出式中：u;——第i測(cè)試點(diǎn)的擬合輸出，V。傳感器輸入輸出逐點(diǎn)靈敏度非線性度偏差可由式(7)給出：式中：a;第i測(cè)試點(diǎn)的靈敏度非線性度偏差，V/(°/s2)。傳感器靈敏度非線性度可由式(8)給出：式中：γ——靈敏度非線性度，%。8校準(zhǔn)結(jié)果校準(zhǔn)結(jié)果應(yīng)在校準(zhǔn)證書上反映。校準(zhǔn)證書至少應(yīng)包括以下信息：b)實(shí)驗(yàn)室名稱和地址；c)進(jìn)行校準(zhǔn)的地點(diǎn)(如果與實(shí)驗(yàn)室的地址不同)d)證書的唯一標(biāo)示(如編號(hào)),每頁(yè)及總頁(yè)數(shù)的標(biāo)識(shí)；e)客戶的名稱和地址；f)被校對(duì)象的描述和明確標(biāo)識(shí)；g)進(jìn)行校準(zhǔn)的日期，如果與校準(zhǔn)結(jié)果的有效性和應(yīng)用有關(guān)時(shí)，應(yīng)說(shuō)明被校對(duì)象的接收日期；h)如果與校準(zhǔn)結(jié)果的有效性應(yīng)用有關(guān)時(shí)，應(yīng)對(duì)被校樣品的抽樣程序進(jìn)行說(shuō)明i)校準(zhǔn)所依據(jù)的技術(shù)規(guī)范的標(biāo)識(shí)，包括名稱及代號(hào)；j)本次校準(zhǔn)所用的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的溯源性及有效性說(shuō)明k)校準(zhǔn)環(huán)境的描述；71)校準(zhǔn)結(jié)果及其測(cè)量不確定度的說(shuō)明；m)對(duì)校準(zhǔn)規(guī)范的偏離的說(shuō)明n)校準(zhǔn)證書或校準(zhǔn)報(bào)告簽發(fā)人的簽名、職務(wù)或等效標(biāo)識(shí)；校準(zhǔn)結(jié)果僅對(duì)被校對(duì)象有效的聲明；o)未經(jīng)實(shí)驗(yàn)室書面批準(zhǔn)，不得部分復(fù)制證書的聲明。9復(fù)校時(shí)間間隔建議復(fù)校時(shí)間間隔為1年。送校單位可根據(jù)實(shí)際使用情況自主決定。8附錄A角沖擊校準(zhǔn)原理簡(jiǎn)述角沖擊法校準(zhǔn)角運(yùn)動(dòng)傳感器是在設(shè)定不同的半正弦波的脈沖持續(xù)時(shí)間和峰值的狀態(tài)下，對(duì)角運(yùn)動(dòng)傳感器的輸出進(jìn)行校準(zhǔn)。被校角運(yùn)動(dòng)傳感器剛性安裝在角沖擊臺(tái)臺(tái)面上標(biāo)準(zhǔn)裝置控制系統(tǒng)根據(jù)校準(zhǔn)的要求，控制角沖擊臺(tái)給出相應(yīng)的半正弦激勵(lì)。光柵讀數(shù)頭測(cè)量輸出信號(hào)(或干涉儀測(cè)量輸出信號(hào))u?和u,被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)字化后形成2個(gè)離散信號(hào)系列ü[n]和ü,[n]。被測(cè)目標(biāo)的角位移可由式(A.1)計(jì)算得到：式中：n——0,1,2,3,…,離散信號(hào)系列變量；k——整數(shù)。可采用時(shí)域差分法對(duì)角位移信號(hào)一次差分得到角速度，數(shù)據(jù)處理過(guò)程如圖A.1(a)所示；對(duì)角位移信號(hào)兩次差分得到角加速度，數(shù)據(jù)處理過(guò)程如圖A.1(b)所示。也可用頻域DFT法計(jì)算得到角速度，數(shù)據(jù)處理過(guò)程如圖A.2(a)所示；用頻域9DFT法計(jì)算角加速度數(shù)據(jù)處理過(guò)程如圖A.2(b)所示。j2πfu比較被核傳感器的喻出與械準(zhǔn)裝置的輸出，得到破杠如運(yùn)動(dòng)傳感器的靈敏度。角加速度傳感器靈敏度可由式2)給出：式中üg——角加噓度傳感器輸出的電壓峰值，V;角速度傳感器靈敏度可由式(A.3)給出：S?——角速度傳感器的角沖擊靈敏度，V/(°/s)üs——角速度傳感器輸出的電壓峰值，V;角位移傳感器靈敏度可由式(A.4)給出：ü?——角位移傳感器輸出的電壓峰值，V;附錄B參考靈敏度測(cè)量不確定度評(píng)定示例角運(yùn)動(dòng)傳感器(角沖擊法)校準(zhǔn)不確定度分析以角加速度傳感器靈敏度校準(zhǔn)為例，校準(zhǔn)角速度傳感器和角位移傳感器可參照此方法進(jìn)行。B.1測(cè)量方法參考靈敏度的校準(zhǔn)時(shí)，將被校傳感器剛性安裝在角沖擊臺(tái)的臺(tái)面上，使角運(yùn)動(dòng)傳感器敏感軸與角沖擊臺(tái)軸線平行。標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)入控制模式，按被校傳感器測(cè)量參數(shù)類型，控制角沖擊臺(tái)給出不同的激勵(lì)方式后。校準(zhǔn)時(shí)選定參考點(diǎn)，在同一參考點(diǎn)重復(fù)測(cè)量10次，計(jì)算10次的平均值和實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差。B.2測(cè)量模型參考靈敏度可由式(B.1)給出：S——傳感器靈敏度；u——傳感器輸出幅值；8——角加速度幅值。傳遞公式可由式(B.2)給出：式中，如果u(u)和u(8)皆為相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度，則有：B.2.1角加速度傳感器輸出電壓幅值的測(cè)量不確定度u(u)a)由數(shù)據(jù)采集器測(cè)量電壓引入的不確定度uai數(shù)據(jù)采集器校準(zhǔn)證書給出的測(cè)量不確定度U=1×10-?(k=2),測(cè)量電壓引入的不確定度ui?可由式(B.3)給出：b)信號(hào)分析軟件及噪聲引入的測(cè)量不確定度uiz含信號(hào)分析軟件對(duì)半正弦信號(hào)幅值計(jì)算準(zhǔn)確度的影響以及測(cè)量系統(tǒng)電噪聲的影響。采用標(biāo)準(zhǔn)半正弦信號(hào)對(duì)ADC和信號(hào)分析軟件的進(jìn)行校準(zhǔn)，其不確定度為：傳感器輸出電壓幅值的測(cè)量不確定度u(ü)可由式(B.4)給出u(u)=√ua+u2z=0.2%B.2.2角加速度幅值的測(cè)量不確定度u(δ)標(biāo)準(zhǔn)裝置角加速度幅值測(cè)量擴(kuò)展不確定度2.0%,包含因子k=2,對(duì)應(yīng)的不確定度B.2.3測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性引入的不確定度u(s)某型角加速度傳感器參考靈敏度校準(zhǔn)結(jié)果見表B.1。V靈敏度%123456789則測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度可由式(B.6)給出B.3合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度可由式(B.7)給出：u.(S)=√u2(i)+u2(6)+u2(S)=B.4擴(kuò)展不確定度擴(kuò)展不確定度可由式(B.8)給出：U?=kuc(S)=2.2%(k=2)附錄C傳感器靈敏度測(cè)量不確定度評(píng)定示例C.1測(cè)量方法調(diào)整儀器設(shè)備，使其處于規(guī)定的工作狀態(tài)；將傳感器剛性安裝在角沖擊臺(tái)的臺(tái)面上，使角運(yùn)動(dòng)傳感器敏感軸與角沖擊臺(tái)軸線平行；被校傳感器按說(shuō)明書要求預(yù)熱、上電；標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)入控制模式。按被校傳感器測(cè)量參數(shù)類型，控制角沖擊臺(tái)給出不同的激勵(lì)方式；選定校準(zhǔn)點(diǎn)，至少在全量程范圍內(nèi)，在某一脈寬下均勻選擇不少于6個(gè)測(cè)量點(diǎn)，每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)重復(fù)測(cè)量3次。采用最小二乘法擬合成直線求得傳感器的靈敏度。C.2測(cè)量模型以角加速度傳感器為例，傳感器輸入輸出的線性模型可由式(C.1)給出：式中：S——角加速度傳感器靈敏度，V/(°/s2);u;——第i個(gè)測(cè)試點(diǎn)3次測(cè)量輸出平均值，V;??——第i個(gè)測(cè)試點(diǎn)3次測(cè)量輸入平均值，°/s2;v:——擬合誤差(殘差),V。C.3最小二乘法擬合根據(jù)最小二乘法和式(C.1)的假設(shè)條件，輸出量u。,S及它們的估計(jì)方差和協(xié)方差是在殘差平方和最小時(shí)得到。由式(C.1)求出殘差的平方和見式(C.2): 為使達(dá)到最小值，必須使式(C.2)對(duì)u。和S的偏導(dǎo)同時(shí)為零，即和這就可導(dǎo)出ü。和S的計(jì)算公式(C.3)～式(C.9),s2(uo)和s2(S)是它們的實(shí)驗(yàn)方差，r(uo,S)=s(uo,S)/s(üo)s(S)是估計(jì)的相關(guān)系數(shù)，其中s(u?,S)是估計(jì)的協(xié)方差。C.4結(jié)果計(jì)算對(duì)某角加速度傳感器校準(zhǔn)的結(jié)果見表C.1。1一0.018232一0.012843456789應(yīng)用式(C.3)～式(C.9)可得到：u?=0.025406V,s(uo)=0.014850VS=0.000453V/(°/s2)