【国家标准(GB)】 振动与冲击传感器校准方法 第12部分：互易法振动绝对校准

ICS17.160
中华人民共和国国家标准
GB/T20485.12—2008/IS016063-122002代替GB/T13823.18—1997
振动与冲击传感器校准方法
第12部分：互易法振动绝对校准Method for the calibration of vibration and shock transducers-Part 12: Primary vibration calibration by the reciprocity method(ISO16063-12:2002，IDT)
2008-03-03发布此内容来自标准下载网
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家标准化管理委员会
2008-08-01实施
GB/T20485.12—2008/ISO16063-12:2002前言
规范性引用文件
测量不确定度
仪器设备要求
频率发生器和显示器或计数器
功率放大器和振动台
振动台的隔振块
复电压比测量仪
电阻器
试验质量块组
失真度测量仪
示波器
空气处理装置
环境条件
优先选用的加速度幅值和频率值操作步骤
8.1总则…
8.2实验
9灵敏度的计算
附录A（规范性附录）不确定度的计算目
附录B（资料性附录）互易法理论在机电传感器校准中的应用参考文献
GB/T20485.12—2008/IS016063-12:2002GB/T20485《振动与冲击传感器校准方法》预计结构由基本概念、绝对法校准、比较法校准和环境模拟校准等大类以及以下儿部分组成：第1部分：基本概念；
第11部分：激光干涉法振动绝对校准；第12部分：互易法振动绝对校准；第13部分：激光于涉法冲击绝对校准；-第15部分：激光干涉法角振动绝对校准；第21部分：振动比较法校准；
第22部分：冲击比较法校准。
本部分是GB/T20485的第12部分。本部分等同采用IS016063-12：2002《振动与冲击传感器校准方法第12部分：互易法振动绝对校
准》（英文版）。
本部分等同翻译ISO16063-122002。为便于使用，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；
一用小数点“”代替作为小数点的逗号“，”；-对ISO16063-12：2002中引用的其他国际标准，有被等同采用为我国标准的，用我国标准代替对应的国际标准，未被等同采用为我国标准的直接引用国际标准。本部分代替GB/T13823.18-1997《振动与冲击传感器的校准方法互易法校准》。
与GB/T13823.18--1997相比，主要修改内容如下：标准名称“互易法校准”改为“互易法振动绝对校准”原标准中规定的频率范围40Hz～1250Hz改为40Hz～5000Hz，并对仪器设备要求做了相应的调整；
校准环境条件中室温由20℃士5℃改为23℃士3℃；校准频率的选择改为按照1/3倍频程；增加了加速度计复灵敏度辐角（相移）的计算内容；附录A不确定度计算采用新方法等；增加了第3章测量不确定度和第4章符号；附录A中增加了A.1.2和A.2.2复灵敏度辐角（相移)校准的不确定度计算；增加了附录B互易法理论在机电传感器校准中的应用。本部分的附录A为规范性附录，附录B为资料性附录。本部分由全国机械振动、冲击与状态监测标准化技术委员会提出并归口。本部分起章单位：中国计是科学研究院、安徽大学。本部分主要起草人：于梅、杨丽峰、葛立峰。本部分所代替标准的历次版本发布情况为：-GB/T13823.18--1997.
1范围
GB/T20485.12-2008/IS016063-12:2002振动与冲击传感器校准方法
第12部分：互易法振动绝对校准本部分规定了使用互易法和SI国际单位制对加速度计进行绝对校准所用的仪器设备及操作程序。本部分适用于频率范围40Hz~5kHz、加速度幅值（取决于频率）范围10m/s~100m/s?的直线加速度计的校准，本部分基于电动振动台的线圈作为互易传感器的情况。与被校传感器配套使用的信号适调仪或放大器具有良好特性时，可以使用本部分描述的方法进行传感器灵敏度校准。为了达到本部分第3章规定的测量不确定度，应该采用传感器与信号适调仪或放大器配套进行校准（在本部分中，把传感器与信号适调仪或放大器的组合简称为“加速度计”）。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（不包括期误的内容）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/T20485.1一2008振动与冲击传感器校准方法第1部分：基本概念（ISO16063-1：1998,IDT）ISO266声学优选频率
3测不确定度
在参考频率160Hz和参考幅值100m/s50m/s2、20m/s2，10m/s2时，传感器复灵敏度模（幅值)测量的不确定度不大于0.5%，辐角（相移）测量的不确定度不大于1°，在整个校准的频率和幅值范围内，灵敏度幅值测量的不确定度不大于1%，灵敏度相移测量的不确定度不大于2°要求使用本部分的所有用户根据附录A进行不确定度估算，提供测量不确定度的文件资料。根据GB/T20485.12008，测量不确定度表述为测量的扩展不确定度（简称为不确定度\）。4符号
表1中列出了本部分使用的通用符号。对于公式中使用的特殊符号，在公式的下方对其进行了定义。
表1通用符号
振动频率
试验质量块序数（n=0表示无质量块）序号为n的试验质量块的质量
复电压
复电压比
复电导纳
GB/T20485.12—2008/ISO16063-12:2002符
表1(续）
最小二乘拟合的复截距
最小二乘拟合的复斜率
被校加速度计的复灵敏度
仪器设备要求
5.1总则
加速度灵敏度的模（幅值）
加速度灵敏度的辐角(相移）
复数的实部
复数的虚部
复数的模或绝对值
复数的辐角
V/(m·s\)
在关注的整个频率范围内，传感器的壳体在结构上应是刚性的。在计算传感器复灵敏度模和辐角的扩展不确定度时，应考虑加速度计（传感器与信号适调仪或放大器组成的套组）的基座应变灵敏度、横向灵敏度及灵敏度稳定性（参照附录A）。5.2频率发生器和显示器或计数器所用仪器应满足下列性能指标：频率不确定度：不大于0.01%；
频率稳定性：在每一个测量周期内不超过0.01%；b)
幅值稳定性：在每一个测量周期内不超过0.01%。c)
5.3功率放大器和振动台
在各种测量环境下，所用仪器均应满足下列性能指标：a)
总谐波失真：不大于2%；
横向、弯曲及摇摆加速度：应符合灵度测量不确定度的相关要求（在所关注的整个频率范围内，其典型值应小于主轴方向加速度的10%）；加速度计输出的信噪比：不小于30dB；c
加速度幅值稳定性：在每一个测量周期内不超过0.05%。d)
5.4振动台的隔振块
为了减小振动台支撑结构对振动台运动产生的反作用力，振动台应安装在一个大的刚性隔振质量块上，以显著降低对校准结果不确定度的影响。隔振块的质量应至少是振动台运动部分质量的2000倍。适合此用途的隔振块有花岗岩、钢制蜂窝状的光学平台等。若校准环境中存在明显的地面振动，陷振块应使垂直与水平方向的悬挂共振频率均小于2Hz。5.5复电压比测量仪
所用设备应满足下列性能指标：频率范围：40Hz~5kHz;
复电压比模（幅值）的不确定度：不大于0.1%；c）复电压比辐角（相移）的不确定度：不大于0.1°5.6电阻器
在校准频率和功耗范围内，电阻器电阻测量的不确定度应不大于0.05%。2
GB/T20485.12—2008/1S016063-122002由于电流是通过标准电阻的阻抗值确定的，所以应确保其阻抗值不受电感与热效应的影响。5.7试验质量块组
试验质量块应：
a）覆盖至少5个近似等间隔的测试范围，而最大的试验质量块应约为振动台运动部分质量的0.5至1倍；
b）质量测量的不确定度不大于0.05%。推荐试验质量块选用长宽比约为1的立方体或圆柱体。可利用公式c/（2L）来估算试验质量块呈刚体特性时的最高频率，其中c为试验质量块材料中的声速，L为质量块的长度。质量块表面粗糙度的技术要求及连接件机械加工公差都应满足或不大于被校传感器校准时的安装要求。如果在高频段进行校准，这些要求应更为严格。为了提高试验质量块自身的固有频率，质量块应选相对较硬的材料加工，如碳化钨。
实际上，在测量电导纳时所做的大量不同的测量会导致驱动线圈产生热效应。因此，在选用试验质量块的数量和尺寸时，应在减小统计不确定度和增大测量不确定度之间折衷考虑。5.8失真度测量仪
失真度测量仪总谐波失真的范围为0.01%~5%，并应满足下列性能指标：a）频率范围：40Hz5kHz;
b）不确定度：不大于失真度测量值的10%。5.9示波器
示波器可以用来观测加速度计和电动式动圈的信号波形，它是可选设备。5.10
空气处理装置
该装置应确保环境条件满足第6章中的要求。6环境条件
校准应在以下环境条件中进行：a）室内温度：(23土3)℃；
b）相对湿度：不大于75%。
7优先选用的加速度幅值和频率值校准使用的加速度幅值和频率应从以下序列中选择：a）加速度：10m/s20m/s.50m/s2、100m/s；参考加速度：100m/s50m/s20m/s2或10m/s；b）
频率：在40Hz～5kHz范围内，按照GB/T3240规定的标准的1/3倍频程选择。c
d）参考频率：160Hz。
在校准大加速度幅值时，驱动线圈产生的热效应将导致较大的幅值校准不确定度。8操作步骤
8.1总则
互易法校准机电式传感器是利用被校传感器机电端口间的双向线性关系。为了对两只传感器进行绝对校准，实验共需3只传感器，其中一只仅作为振动传感器，一只仅作为振源，另外一只具有互易性，既作为振动传感器又作为振源（振动发生器）。通常，互易传感器的机电耦合方式可以是电动式或压电式。然而，在互易法振动校准的实际应用中，电动式传感器被更广泛地用作互易传感器。因此，本部分描述的方法都是基于将电动振动台的线圈作为互易传感器。安装被校传感器时应靠近该线圈仅作为振源的传感器可以是一个第二激振器，它与装有互易传感器和加速度传感器的运动部件机3
GB/T20485.12—2008/ISO16063-12:2002械联接，或是安装在同一运动部件上的第二线圈（参见利用第二激振器或第二线圈实现校准系统的参考文献）。如果使用第二激振器，可通过一个短螺栓与运动部件刚性联接，另外还应将互易传感器与第二激振器完全隔离，并保证运动部件的直线运动不因第二振源的存在而受到影响。若第二振源是电动式的，应注意防止两个电动元件间相互联接对校准结果不确定度带来不利影响。图1和图2是基于互易法的一个可实现的校准系统方框图，图中有安装在带有互易传感器的振动台内的加速度传感器，以及表示为第三激振器的第二振动源。校准频率点应远远低于装有互易传感器和支撑被校传感器运动部件的固有频率。使用具有很高谐振频率的三向加速度计可以确定横向和轴向的谐振频率。运动部件与刚体运动的偏离可通过测量运动部件安装表面的相对运动确定。理想的是通过安装在试验夹具上的三向加速度计来测量横向和轴向谐振。加速度计与试验夹具质量之和等于确定Y。一Y。时的最大质量块的质量。当运动部件上装有被测传感器和确定Y。一Y。时的最大质量块时，加速度计校准时典型的上限频率应为运动部件谐振频率的0.25倍。应避免在出现次谐振的频率点进行校准。不应将悬挂系统和结构引起的这些次谐振视为由运动部件固有频率引起的谐振。用互易传感器作为振源（激振器）和振动传感器（速度线圈）来得到测量结果（分别参见8.2.1和8.2.2）。对于第1种情况，要求在运动部件上加质量块和不加质量块两种条件下进行测量。重要的是应在均匀的温度场中，用磁隙中同一静态位置的互易传感器线圈完成这些测量。在温度场中，温度变化量上限的典型值应在1℃到2℃之间。用互易线圈两端的直流偏置电压可以对互易传感器的静态位置偏移量进行修正。理想的情况下，装置应只在一个点上接地以避免地回路的形成。测量互易线圈和标准电阻两端电压时，应尽量靠近电压电源以减小噪声的引入。在测量电压比U，（参见8.2.2)过程中，可以拆除或短接标准电阻器。然而，如果短接标准电阻，在高频校准时应检验电感效应是否对测量结果不确定度产生了影响。
设置好仪器设备后，在160Hz和参考加速度幅值下进行校准，然后在其他选定的频率点和加速度幅值下进行校准。测量结果用复灵敏度的模（幅值），复灵敏度的辐角（相移），或复灵敏度的模（幅值）和辐角（相移）表述。对于每一个校准频率点对应的加速度，其失真、横向振动（弯曲和摇摆加速度）、交流声及噪声都应满足第3章中给定的不确定度要求。在进行校准时，未用的仪器设备不应与测量装置连接。
8.2实验
8.2.1实验1:复电导纳Y(驱动线圈的电流与加速度计开路输出电压复数比）的测量用互易电动线圈作为驱动线圈（振源），由复电压比（U.）除以标准电阻（R）的方法测量复电导纳，式中Ua是标准电阻两端的电压降（u.）与加速度计输出的开路电压（ua）之比（见图1)，即：Y=-Ua/R=(u./ua)(1/R)
在运动部件上加质量块与不加质量块两种情况下得到一系列的测量值。在下面的公式中，不加质量的复电导纳用Y。表示，加试验质量m，的复电导纳用Y。表示。当测量U。时，加速度计与标准电阻应处于相同的地电势，实验1应在使用的所有加速度幅值下进行校准。
8.2.2实验2：复开路电压比U.（加速度计输出电压与速度线圈输出电压的复开路电压比）的测量用互易电动线圈作为速度线圈（振动传感器），使用一个外部振源或一个运动部件上的第二个激励线圈来驱动运动部件（见图2），测量加速度计输出电压（u）与可动线圈输出电压（u。）的复开环电压比。电压比(U,一uz/u.)是在运动部件上无质量块的条件下测定的。在测量U、时，加速度计与互易线离应处于相同的地电势。9灵敏度的计算
见方程(1)～(10)与附录B。
F(m,Y.,Yo)
GB/T20485.12—2008/ISO16063-12.2002m
-（1)
在每个校准频率和加速度幅值下，利用测量的m，Y，和Y。值，通过对（1）式最小二乘拟合，得到F(m，Y，，Y。）的复截距与斜率。在下面的拟合公式中，可以使用不加权（w.一1)或加权的统计方法：w.mg
E(w,m)ERe(
w(wm)-[(wm)
Z(w.ma)Zm(.)
-wmZIm
w,(w.m)-[(wm)
式中：
ZwERe(
-Eum.ZRe(
w(w,m)-[(wm)
w(wim)-[(wm)
函数F（ma，Y，Y。）的复截距，单位为千克欧姆（kgQ）；β一函数F(mY.,Y。)的复斜率，单位为欧姆(Q)；试验质量块m，的序数；
测量时使用的试验质量块m。的统计加权因子；施加的试验质量块，单位为千克（kg)；运动部件上有试验质量块m，时测得的电导纳，单位为西门子(S)；运动部件上无试验质量块时测得的电导纳，单位为西门子（S）。（2）
（3）
（4）
（5）
注：根据加速度计校准方法，可能不需要计算斜率，也不需要计算裁距的实部和虚部而只需计算其幅值见公式(8)～(10)(见参考文献[17)。
从下面公式可以得到以频率函数表示的加速度计复灵敏度的模和辐角。对于在振动台运动部件上固定安装有标准参考传感器（用于通过比较法来校准其他传感器）的情况，被校加速度计灵敏度随施加在运动部件上的机械阻抗变化，可通过下面公式得出：s.l
Li-B(Y.-Y.)
Pargj2li-B(Y.-Y.)]
式中：
（6）
（7）
-在频率f下加速度计复灵敏度的模（幅值），单位为伏每米负二次方秒[V/（m·s-3）1；Is.I
在频率f下加速度计复灵敏度的辐角（相移），单位为度(\)；j——虚数的单位,=—1;
一振动频率，单位为赫兹(Hz)；U，一用互易传感器作为速度线圈时，在频率f下测得的复开路电压比：一频率f处函数F(ma，Y。,Y。)的复截距，单位为于克欧姆(kg2)；β频率f处函数F(ma，Y.，Y。)的复斜率，单位为欧姆(Q)；Y一一使用在振动台运动部件上附加的专用传感器，在频率f下测得的导纳，单位为西门子；Y。
在振动台运动部件上无附加质量时，在频率f下测得的导纳，单位为西门子(S)。5
GB/T20485.12-—20D8/IS016063-12:2002对于从运动部件上拆除标准参考传感器的情况，被校加速度计灵敏度可通过下列公式得到：[s.]=
Vi2元f
Nj2元f
公式(8)和(9)中的符号与公式（6)和(7)中的定义相同。-（8)
（9）
在较低的频率点上（典型值是小于1kHz频率点），β约为0Q，arg(U,)约为90，arg(Ua)约为0°，当这些条件都满足时，加速度计复灵敏度的模简化为：Is.
式中：
IU.1一一用互易传感器作为速度线圈时，在频率下测得的复开路电压比的模（幅值)；lαl一频率f处函数F(mn，Y.，Y。）的复截距的模（幅值）,单位为千克欧姆(kgQ)。其他符号与公式(6)、（7)中的定义相同。（10）
在使用公式（10）时，只需要确定复电压比的模（幅值）和复截距α的模。其中用复导纳微分的模，通过函数F（m，Y.，Y。的最小二乘拟合，可确定复截距α的模。报告校准结果时，应计算总的校准不确定度和相应的包含因子，按照附录A取包含因子一2。1~—额率发生器；
功率放大器；
一额率计数器；
电压比测量仪；
示波器(可选)；
一信号适调仪或电荷放大器；
失真度分析仪；
装有互易传感器的振动台；
传感器；
标准电阻器；
试验质虽块。
图1互易传感器作为振源的实验1测量系统方框图1
频率发生器；
功率放大器；
频率计数器；
电压比测量仪；
示波器(可选）；
信号适调仪或电荷放大器；
失真度分析仪；
装有互易传感器的振动台；
传感器；
第二个摄动源。
GB/T20485.12—2008/IS016063-12.2002图2互易传感器作为振动传感器的实验2测量系统方框图GB/T20485.12—2008/ISO16063-12:2002附录A
（规范性附录）
不确定度的计算
A.1在选定频率、振幅、放大器设置的校准条件下，复灵敏度的模（幅值）的测量扩展不确定度和辐角（相移）的测量扩展不确定度的计算A. 1. 1 U(ISI)的计算
根据GB/T20485.1一2008给出的下面公式，计算选定频率、振幅、放大器设置校准条件下的复灵敏度模（幅值）的测量扩展不确定度UISI）：U(s)=ku.(Js
式中包含因子k=2。
不确定度分量见表A.1。
表A.1确定|S|的不确定度分量
标准不确定度分量
u(frG）
u(uTemp)
u（SRe)
A. 1. 2 U(p)的计算
频率的不确定度
不确定度米源
校准过程中由温度影响引人的参考加速度计的不确定度由失真带来的加速度计复谱输出的模（辐值）的不确定度由振动台运动部件偏离理想运动方向引人的加速度计复输出的模（幅值)的不确定度(如：横向运动，基座应变）质量测量的不确定度
确定加速度计输出与速度线圈输出的复开路电压比的模（幅值）的不确定度
测量复导纳模时电阻的不确定度测量复导纳模时，确定复电压比的模（幅值）的不确定度确定复灵敏度的模（幅值）的其他影响因素的不确定度（如：随机噪声，试验标准差）.(A.1)
..........(A.2)
不确定度分量大小
s(IsI)
us(ist)
us(/s)
ug(IsI)
根据GB/T20485.1一2008给出的下面公式，计算选定频率、振幅、放大器设置校准条件下的复灵敏度辐角（相移）的测量扩展不确定度U(g）：U(g) = ku.(p)
式中包含因子k=2。
不确定度分量见表A.2。
........(A.4)
标准不确定度分量
u(fro）
u(uTemp)
u(m）
u(S）
GB/T20485.12—2008/IS016063-12:2002表A.2确定?的不确定度分量
不确定度来源
额率的不确定度
校准过程中由温度影响引人的参考加速度计的不确定度由失真带来的加速度计复谱输出的辐角的不确定度由振动台运动部件偏离理想运动方向引入的加速度计复输出的辐角的不确定度（如：横向运动，基座应变）质量测量的不确定度
确定加速度计输出与速度线圈输出的复开路电压比的辐角的不确定度
测量复导纳辐角时电阻的不确定度测量复导纳辐角时，确定复电压比辐角的不确定度确定复灵敏度辐角的其他影响因素的不确定度（如：随机噪声，试验标准差）
不确定度分量大小
A.2在整个频率和幅值范围内，复灵敏度的模（幅值）的测量扩展不确定度和辐角（相移）的测量扩展不确定度的计算
A.2.1U(IS.I)的计算
按照A.1.1计算的复灵敏度模（幅值）测量的扩展不确定度U(ISI)，只对特定的频率、振幅、放大器设置校准条件有效。对于整个频率和幅值范围，在任一连续校准的时间间陷内，复灵敏度模（幅值）的测量扩展不确定度U(IS.I)按以下公式计算：U(]s.)=ku(s.)
式中包含因子k=2。
不确定度分量见表A.3。
标准不确定度分量
u(eca)
w(era)
u(err)
u(era)
u(ett)
确定S,的不确定度分量
不确定度来源
在校准频率、振幅、放大器设定的情况下，按照A1.1计算的复灵敏度模（幅值）合成不确定度由参考放大器增益（放大器设置的一项功能)引人的不确定度
参考放大器增益随频率的变化引人的不确定度参考传感器的灵敏度幅值随赖率的变化引人的不确定度参考放大器幅值线性度引入的不确定度参考传感器幅值线性度引入的不确定度-（A.5)
不确定度分量大小
ue(IS)
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