动态力传感器校准方法冲击力法校准

动态力传感器校准方法冲击力法校准

国家标准 GB/T37776一2019 动态力传感器校准方法冲击力法校准 Meth0dsforthecalibrationofdynamicforeetransducers- Calbrationyshoekforee 2019-08-30发布 2020-03-01实施 国家市场监督管理总局 发布 币国国家标准化管理委员会国家标准
GB/37776一2019 前 言 本标准按照GB/T1.1一2009给出的规则起草 本标准由全国机械振动、冲击与状态监测标准化技术委员会(SAC/TC53)提出并归口 本标准起草单位:航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所、计量科学研究院、苏 州东菱振动试验仪器有限公司,浙江省计量科学研究院 本标准主要起草人:曹亦庆、李善明孟峰、何旋、杨军,徐曼、曾利民
GB/37776一2019 动态力传感器校准方法冲击力法校准 范围 本标准规定了使用冲击力法对动态力传感器进行校准的方法和操作程序 本标准适用于冲击力峰值为20N~200kN,冲击力脉冲持续时间为0.5ms10ms范围内所给出 的动态力传感器冲击力灵敏度的校准 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的 凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文 件 凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件 GB/T22982010机械振动、冲击与状态监测词汇(ISO204l;2009,IT) GB/T76652005传感器通用术语 GB/T13823.202008振动与冲击传感器的校准方法加速度计谐振测试通用方法 ISO5347-22:1997,IDT) GB/T20485.12008振动与冲击传感器校准方法第1部分:基本概念(IsO16063-1:1998. DT GB/T20485.13一2007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 (ISO16063-13:2001,IDT GB/T20485.22-2008振动与冲击传感器校准方法第22部分;冲击比较法校准(I1sO16063 22:2005,lDT 术语及定义 GB/T22982010,GB/T7665一2005,GB/T20485.1一2008界定的以及下列术语和定义适用于 本文件 3.1 有效质量efeetivemass 作用于力传感器敏感面上的,在冲击运动过程中以自身惯性力参与加载的所有部件质量的总和 注:主要包括质量块、连接附件和测量传感器等 测量不确定度 4.1采用绝对法复现冲击加速度运动 冲击力灵敏度的测量不确定度 -在设定参考冲击力峰值10kN,参考冲击力脉冲持续时间2s和放大器参考增益时,为读数 的2%; -对所有冲击力峰值、脉冲持续时间,不超过读数的10%
GB/T37776一2019 4.2采用比较法复现冲击加速度运动 冲击力灵敏度的测量不确定度: -在设定参考冲击力峰值10kN,参考冲击力脉冲持续时间2ms和放大器参考增益时,为读数 的5%; -对所有冲击力峰值、脉冲持续时间,不超过读数的10% 上述规定适用于高精度等级的动态力传感器的校准,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相应的规定(不确定度的分量参见附录A) 特别是由传感器或冲击力发生装置 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 GB/T13823.202008进行 通常应避免使用GB/T13823.202008第1章和第6章中给出的相对短 持续时间的脉冲 本标准的所有使用者参照附录A编制实际的不确定度分量表 5 仪器设备要求 5.1总则 为了满足第1章中的测量范围及达到第4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 5.2落锤式冲击力发生装置 5.2.1工作原理 落锤式冲击力发生装置工作原理:从一定高度沿铅垂方向自由下落的刚性质量块,与安装于底座上 的动态力传感器进行撞击,撞击过程中产生的冲击运动,通过质量块转换为冲击力激励传递给动态力传 感器 落锤式冲击力发生装置如图1一图2所示 激光干涉仪 质量块 导向机构 力传感器 缓冲垫 底座 地基系统 图1落锤式冲击力发生装置示意图(配套激光干涉仪复现冲击加速度
GB/37776一2019 加迷度传感器 质量块 导向机构 力传成器 缓冲垫 底座 地基系统 图2落锤式冲击力发生装置示意图(配套冲击加速度标准套组复现冲击加速度 冲击力法校准装置的工作原理是基于牛顿第二定律,通过复现冲击加速度的方式,对动态力传感器 进行校准 在发生装置撞击过程中,根据与动态力传感器撞击的有效质量,及激光干涉仪或冲击加速度 标准套组复现的冲击加速度峰值,按照式(1)计算冲击力 F=Ma 式中: F 力传感器受到的动态力,单位为牛(N); M 包括质量块,加速度传感器,连接机构等运动部件在内的有效质量,单位为千克(kg); 冲击加速度,单位为米每二次方秒(m/s) 冲击力发生装置为了能够满足动态力传感器频率响应范围的要求,在对动态力传感器进行校准时， 应对校准的冲击脉冲持续时间提出一定的要求且施加的冲击力幅值-时间历程曲线应是一个近似半正 弦的脉冲曲线 为了满足这些要求,应在质量块和动态力传感器之间添加一些如橡胶、牛皮等材质制成 的缓冲垫 缓冲垫采用弹性材料制造,且其质量应不超过质量块质量的1/10 5.2.2质量块 质量块应满足以下要求: a 为了保证校准结果的准确可靠,在撞击过程中所产生的冲击脉冲曲线尽量平滑,质量块的固有 频率应满足至少5/T的要求,T为冲击脉冲的持续时间 b 冲击力发生装置的质量块在撞击过程中的横向运动比不超过10%,质量块上加速度不均匀度 不超过3% 质量块与动态力传感器撞击时的接触面半径不小于动态力传感器受力面半径的2倍 5.3冲击加速度测量系统 5.3.1激光干涉仪 当采用绝对法复现冲击加速度运动时,应采用激光干涉仪 激光干涉仪的类型、工作原理及技术指 标应符合GB/T20485.13一2007中4.6的要求 5.3.2冲击加速度标准套组 当采用比较法复现冲击加速度运动时,应采用冲击加速度标准套组,其灵敏度校准不确定度不超过 3%(k=2
GB/T37776一2019 5.4数据采集处理系统 5.4.1数字存储示波器 用于采集并存储冲击加速度测量系统及动态力传感器输出的电信号,内有数据处理的程序,能够对 信号进行微积分、,滤波等处理 示波器类型、工作原理及技术指标应符合GB/T20485.13一2007中4.7" 的要求 5.4.2数据采集单元 数据采集单元技术指标应符合GB/T20485.13一2007中4.8与4.9及GB/T20485,22一2008中 5.5与5.6的要求 5.5滤波器 冲击加速度测量系统及动态力传感器的输出信号采用的模拟滤波器,及数据处理中采用的数字滤 波器,其工作原理及技术指标应符合GB/T20485.132007中4.10及GB/T20485.222008中5.7的 要求 5.6隔振地基 落锤式冲击力发生装置支撑结构的反冲力对其他测量仪器会产生过大影响,应单独安装在具有隔 振作用的隔振地基上 隔振地基承载力应满足冲击力发生装置工作需求,地基变形量应不影响校准精 度 冲击加速度测量系统与发生装置分别安装在不同的隔振地基上,隔振地基应保证测量系统感受的 振动量值不超过冲击力脉冲持续时间内质量块冲击加速度峰值的0.1% 5.7动态力传感器的安装 安装动态力传感器时应满足下列要求 为保证质量块与动态力传感器撞击时的对中性,质量块与动态力传感器安装中心线尽量重合 a b) 动态力传感器安装面的粗糙度;用算术平均偏差表示,其值不超过0.8Mm. 动态力传感器安装表面的平面度;最大安装表面包容在距离为5m的两个平行平面之间 c d 动态力传感器安装用的垂直度;联接螺纹孔与安装表面的垂直偏差不超过104m,即该孔的轴 线允许在一个直径为104的柱体区域内,并且柱面的高度与孔的深度相同 5.8其他要求 质量块、垫块及连接机构应具有一定的刚性,以保证在撞击过程中,质量块的变形不影响动态力传 感器的校准不确定度 对动态力传感器校准时,建议动态力传感器和与之配套的信号适调仪作为一个整体进行校准 对 于实际使用过程中带有预紧力的动态力传感器,校准时施加的预紧力应符合传感器生产厂家的要求,或 经确认使用状态与校准状态下预紧力的不同对测量结果影响极小,也可不予考虑 6 环境条件 校准应在下列环境条件下进行: 室温:(23士5)C; a D)相对湿度;<85%.
GB/37776一2019 推荐的力值 冲击力值的标称值(峰值)(N)建议从以下序列中优先选取: 20,50,100,200,500,1000,2000,5000,10000,20000,50000,100000,200000. 冲击力脉冲持续时间的选择,应考虑质量块,被校动态力传感器的固有频率,及与之配套的信号适 调仪的频率响应范围 8 方法 8.1测量程序 动态力传感器的安装面应清洁、,平滑,并满足4.8的安装要求 建议选用螺栓的连接方式 使用激光干涉仪测量质量块运动加速度,应将激光干涉仪调整至最佳工作状态激光干涉仪的测量 光束,质量块中心及动态力传感器灵敏轴中心应处于一条中心线上 使用冲击加迷度标准套组测量质 量块的冲击加速度时,冲击加速度传感器灵敏轴的中心应与质量块的中心及动态力传感器灵敏轴的中 心处于一条轴线上 对被校动态力传感器进行校准时,需根据其校准力值范围设置信号适调仪的增益及放大倍数;并根 据冲击脉冲持续时间确定高通滤波器的下限频率和低通滤波器的上限频率(高通滤波器下限频率为 0.008/T低通滤波器上限频率为10/T) 8.2数据采集 8.2.1冲击加速度脉冲曲线 使用激光干涉仪复现冲击加速度脉冲曲线,其数据采集参照GB/20485.13一2007中的7.2进行 使用冲击加速度标准套组复现冲击加速度脉冲曲线,其数据采集参照GB/T20485.22一2008中的 8.2进行 动态力传感器输出信号 8.2.2 参照GB/T20485.222008中8.2的要求进行 8.3数据处理 8.3.1冲击加速度脉冲曲线复现 采用激光干涉仪复现冲击加速度脉冲曲线,参照GB/T20485.13一2007中的8.3进行数据处理,得 到冲击加速度脉冲曲线 采用冲击加速度标准套组复现冲击加速度脉冲曲线,直接由标准套组测量得到冲击加速度脉冲 曲线 8.3.2冲击力脉冲曲线复现 根据与动态力传感器撞击的有效质量,及复现的冲击加速度脉冲曲线,按照式(1)计算冲击力 8.3.3动态力传感器灵敏度计算 动态力传感器灵敏度用传感器输出峰值与冲击力峰值之比计算,如式(2)所示
GB/T37776一2019 U S 厂 式中 S 动态力传感器灵敏度,单位为皮库每牛(pC/N)或毫伏每牛(mV/N). Up动态力传感器输出电信号峰值,单位为皮库(pC)或毫伏(mV Fp冲击力峰值,单位为牛(N 其中传感器输出峰值及冲击力峰值的处理方法有两种,分别参照GB/T20485.22一2008中的 8.3.2.1,8.3.2.2进行处理 校准结果报告 在校准结果报告中,除校准方法外,至少应对下列校准条件和特性参数给予说明 a 环境条件 环境空气温度、湿度 b)安装方法: 安装方式; 安装力矩; 安装预紧力(如适用 所有适调器设置 增益; 滤被器截止赖率 d 校准结果: 冲击力幅值和脉冲持续时间; 动态力传感器灵敏度 测量的相对扩展不确定度,如果包含因子人不等于2,给出人的值
GB/37776一2019 录 附 A 资料性附录 动态力传感器灵敏度幅值校准不确定度的评定 A.1给定冲击力峰值,冲击脉冲持续时间,放大器增益设置和滤波器截止频率时的灵敏度幅值s.的相 对扩展不确定度U.(s. U.(S.)按式(A.1)和式(A.2)计算 U.(sm)=ku.(Sn A.l ue(S)-“ -->网 式中,包含因子及=2 按照冲击加速度复现的方法不同,分为采用激光干涉仪和采用冲击加速度 传感器,不确定度分量分别参见表A.1和表A.2 表A.1采用激光干涉仪测量 引人灵敏度不 标准不确定度分量 序号 不确定度来源 确定度的分量 u(.r u,y u.a(Up 力传感器输出电压峰值测量 u(Sh u(Up,F) 电压滤波对力传感器输出电压峰值的影响 u.(S,h M(Up,D 电压干扰对力传感器输出电压峰值的影响 u.(Sh 横向、摇摆和弯曲对力传感器输出电压峰值的影响如质 u(S u(Up,T 量块横向运动) 干涉仪校准不确定度对加速度峰值的影响 uap,u u(Sh 干涉仪信号滤波对加速度峰值的影响 l6(S u(ap,F 电压干扰对加速度峰值的影响 u(Sh uraP, 运动干扰对加速度峰值的影响如:测量光束、质量块中心 与传感器灵敏轴中心不同轴;加速度计参考平面与干涉仪 u(ap, ux(S 光点之间的相对运动 相位干扰对加速度峰值的影响 M(ap,即 u,(S 10 u(S， 其他干涉技术对加速度峰值的影响(干涉仪功能》 4(ap,Re m 质量块加速度分布不均匀度的影响 u(S ureap (ap.UN 12 u(Fp,B 缓冲垫的影响 1a(S 13 质量测量的影响 S u(m “ 对灵敏度测量的其他影响(如;质量块共振激励的影响;重 14 Mm(SRR 复测量中的随机影响;算术平均值的实验标准偏差,持续 u(S 时间不同的影响
GB/T37776一2019 表A.2采用冲击加速度传感器直接测量 引人灵敏度不 标准不确定度分量 序号 不确定度来源 确定度的分量 u(.工 4y u(Up.v 力传感器输出电压峰值测量 uS 电压滤波对力传感器输出电压峰值的影响 u(Up,F) ua(S u.(UpD 电压干扰对力传感器输出电压峰值的影响 usS u(Up,T l(S 横向、摇摆和弯曲对力传感器输出电压峰值的影响 加速度传感器灵敏度指定点的合成标准不确定度对加速 usS ulaP,s 度峰值的影响 加速度传感器灵敏度幅值稳定性对加速度峰值的影响 4(S uraP. 横向、摇摆和弯曲对加速度传感器输出加速度峰值的影响 u(s 4(aP,T 横向灵敏度 安装参数(力矩,电缆固定、附加质量,安装面平面度等)对 usS r(aP,F 加速度峰值的影响 温度和其他环境参数对加速度峰值的影响 u,S 4ap,p 质量块加速度分布不均匀度的影响 10 u(ap,tN ui(S 11 u.(Fp.n 缓冲垫的影响 ui(S. 12 质量测量的影响 M1z(Sh u(m 对灵敏度测量的其他影响如:质量块共振激励的影响;质 13 量块与传感器的不对中;重复测量中的随机影响;算术平 u(S山.,RE us(Sh 均值的实验标准偏差,持续时间不同的影响 A.2冲击力峰值和冲击脉冲持续时间整个范围的灵敏度幅值Sh的相对扩展不确定度U(sh. 按照式(A.l)计算的灵敏度幅值的相对扩展不确定度U.(S临),只对校准的冲击力峰值、冲击脉冲 持续时间,放大器增益和滤波器截止频率的设置有效 在连续校准过程中的任何时间间隔里,应按 式(A.3)和式(A.4)计算冲击力峰值和冲击脉冲持续时间整个范围的灵敏度幅值S.的相对扩展不确 定度 (A.3 U(Sh.)=ku.em(Sh u.(Sh, />S" u(Sh.= (A.4 S S.h, 式中,包含因子k=2 按照冲击加速度复现的方法不同,分为采用激光干涉仪和采用冲击加速度 传感器,不确定度分量分别参见表A.3和表A.4
GB/37776一2019 表A.3采用激光干涉仪测量 引人灵敏度不 标准不确定度分量 序号 不确定度来源 确定度的分量 u(.r， u,y 在参考冲击力峰值,脉冲持续时间,放大器增益设置情况 n(U u1(S un 下,计算的电压峰值测量不确定度 放大器跟踪特性(对不同放大器设置的增益和相移的偏 um(Ur.A ua(Sh. 差 s u.a(ULlA 与放大器恒定的幅频特性和线性的相频特性的偏差 (Sh, um(U.Ap) 与力传感器恒定的幅频特性和线性的相频特性的偏差 4S. um(U.，A 放大器幅值线性的偏差 us(S. u(UL.m 力传感器幅值线性的偏差 u(Shm 放大器增益的不稳定性和源阻抗对增益和相移的影响 u(U.A) (Sh. 力传感器灵敏度的不稳定性(幅值和相移 uS u(U.p CUs 环境对放大器增益和相移的影咐 u,(Sh. 10 u(S u.a(UEP 环境对力传感器灵敏度(幅值和相移)的影响 因质量块的不同,冲击力及持续时间的不同等因素导致质 1 u(Up,T, u(Sh. 量块横向运动不同 因质量块的不同,冲击力及持续时间的不同等因素导致加 12 .Sh u12 u(ap,LN, 速度分布不均匀度不同 因缓冲垫的不同,冲击力及持续时间的不同产生的不同 13 uFp,B. u(Sh. 影响 14 不同质量块的测量的不同影响 M(m, M(S.h.t 对灵敏度测量的其他影响如;不同冲击力及持续时间下 15 u(SE., us(S 质量块共振激励的不同影响;不同安装条件下,激光、质量 块与传感器的不对中情况.持续时间不同的影响) 表A.4采用冲击加速度传感器直接测量 引人灵敏度不 标准不确定度分量 序号 不确定度来源 确定度的分量 u(.r, 在参考冲击力峰值、脉冲持续时间、放大器增益设置情况 u.m(U) ui(Sh, 下,计算的电压峰值测量不确定度 适调放大器跟踪特性(对不同放大器设置的增益和相移的 u.(UT. 4g(Sh, 偏差 u(U,l.A 与适调放大器恒定的幅懒特性和线性的相频特性的偏差 u,(Sa. Mm(U.lp) 与传感器恒定的幅频特性和线性的相频特性的偏差 u(Sh)
GB/T37776一2019 表A.4(续) 引人灵敏度不 标准不确定度分量 序号 确定度的分量 不确定度来源 u(.r 放大器幅值线性的影响 4.(Sh u(UL.A 力传感器幅值线性的影响 u (Si u(U.e.p u(UU.A 放大器增益的不稳定性和源阻抗对增益和相移的影响 u(S, u.m(Up) 传感器灵敏度的不稳定性(幅值和相移) 4.(Sh.) u(Ue,.A 环境对放大器增益和相移的影响 u,(S山., 10 u(UE.P 环境对传感器灵敏度幅值和相移)的影响 Miw(Sh. 因质量块的不同,冲击力及持续时间的不同等因素导致质 11 u.(Up.T.) u12(S 量块横向运动对冲击力峰值的不同影响 因质量块的不同,冲击力及持续时间的不同等因素导致加 12 u1S.. tu(ap,IN. 速度分布不均匀度对冲击力峰值的不同影响 因缓冲垫的不同,冲击力及持续时间的不同对冲击力峰值 13 uS nm(F" "p,B1 的不同影响 不同质量块的测量对冲击力峰值的不同影响 Mm(m Mi(Sh. 对灵敏度测量的其他影响如:不同冲击力及持续时间下 质量块共振激励的不同影响;不同安装条件下,加速度传 15 uSRE., uis(S., 感器、质量块与传感器的不对中情况、持续时间不同的 影响 0
GB/37776一2019 参考文献 [1]倪育才.实用测量不确定度评定.第5版.北京,质检出版社,2017. [[2]哈里斯,皮索尔.冲击与振动手册.刘树林等译.第5版.北京:石化出版社有限公司,2007 inertialmassanda digittizer[].Me [3]FuiY.,ValeraJ.Impaetforcemeasurementusinani eas Sci.Technol.,2006,(Vol.17),No.4:863-868. [4]SahooN.,SuryavamshiK.,ReddyK.P.J.,etal.Dynamicforcebalancesforshort-duration hypersonictesting.Fluids:FacilitiesExperiments.2005,(38):606-614 FiYusah.DynamicForceCalibrationMethodsforForceTransducers[A].ltaly:Inslm mentalionandMeasurementTechnologyConferenceCorno.,May2004:l8-20. [6 KobuschM.,linkA.,BussA.,etal.ComparisonofShockandSineForceCalibrationMeth ods.Merida,Mexico:IMEKO20thTC3,3rdTC16andlstTC22InternationalConference Cultivating metrologicalknowledge27thto30thNovember,2007

动态力传感器校准方法冲击力法校准GB/T37776-2019

动态力传感器是测量物体受到的动态作用力的一种重要工具。然而，由于生产过程中的各种原因，这些传感器可能会存在误差，需要进行定期的校准以保证其精度。

冲击力法校准是其中一种常用的校准方法。它通过对传感器施加已知大小的冲击力，测量出传感器反应的信号，并与理论值进行比较来计算误差值。这种方法具有操作简单、精度高等优点，广泛应用于不同领域的力学测量。

GB/T37776-2019标准下的冲击力法校准具体实施过程如下：

• 1. 准备设备：包括冲击装置、振荡器、计时器等。
• 2. 根据冲击装置的特点和传感器的量程选择合适的冲击头，并将其安装在冲击装置上。
• 3. 将传感器安装在测量系统中，并连接振荡器和计时器。
• 4. 调整冲击头的冲击能量，使其符合GB/T37776-2019标准要求。
• 5. 进行多次冲击，记录每次冲击产生的信号，并计算平均值。
• 6. 计算误差值：根据标准规定的公式，将测得的平均值与理论值进行比较，计算出传感器的误差值。
• 7. 处理数据：根据实际需求，对得到的数据进行处理，如绘制误差曲线、生成校准证书等。

总的来说，动态力传感器的冲击力法校准方法操作简单、精度高，是一种非常实用的校准方法。而GB/T37776-2019标准的实施更是使得这种方法的应用更加规范化和科学化。

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