ГОСТ ИСО 5347-1-96 Вибрация. Калибровка датчиков вибрации и удара. Часть 1. Первичная вибрационная калибровка методами лазерной интерферометрии

ГОСТ ИСО 5347-1-96

Группа Т88.2

МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ

Вибрация

КАЛИБРОВКА ДАТЧИКОВ ВИБРАЦИИ И УДАРА

Часть 1. Первичная вибрационная калибровка методами лазерной интерферометрии

Vibration. Calibration of vibration and shock pick-ups. Part 1. Primary vibration calibration by laser interferometry

ОКС 17.160
ОКСТУ 0008

Дата введения 1997-07-01

Предисловие

1 РАЗРАБОТАН Техническим комитетом по стандартизации ТК 183

ВНЕСЕН Госстандартом России

2 ПРИНЯТ Межгосударственным Советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол N 9-96 от 12 апреля 1996 г.)

За принятие проголосовали:

3 Настоящий стандарт представляет собой полный аутентичный текст международного стандарта ИСО 5347-1-87 "Вибрация. Калибровка датчиков вибрации и удара. Часть 1. Первичная вибрационная калибровка методами лазерной интерферометрии"

4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

5 Постановлением Государственного комитета Российской Федерации по стандартизации, метрологии и сертификации от 17 марта 1997 г. N 98 межгосударственный стандарт ГОСТ ИСО 5347-1-96 введен в действие непосредственно в качестве государственного стандарта Российской Федерации с 1 июля 1997 г.

Введение

Настоящий стандарт распространяется на линейные акселерометрические датчики, главным образом пьезоэлектрического типа (далее - акселерометры), и устанавливает методы первичной калибровки акселерометров с помощью лазерной интерферометрии и технические характеристики используемой при этом аппаратуры.

Курсивом выделены примечания, позволяющие использовать стандарт в расширенных амплитудном и частотном диапазонах.

1 ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Настоящий стандарт устанавливает методы калибровки акселерометров, а в случае их использования в областях, попадающих в сферу государственного метрологического контроля и надзора, - методы поверки в диапазоне частот 20-5000 Гц и диапазоне амплитуд ускорения 10-1000 м/с (в зависимости от частоты).

Допускаемая погрешность калибровки:

±0,5% на опорной частоте (160 или 80 Гц), опорной амплитуде (100 или 10 м/с) и опорной настройке усилителя;

±1% для частот до 1000 Гц включительно;

±2% для частот свыше 1000 Гц.

Примечание - Методы калибровки и технические характеристики применяемой аппаратуры, устанавливаемые стандартом, могут быть использованы в диапазонах частот и амплитуд ускорения, выходящих за рамки указанных. При этом погрешность калибровки, рассчитываемая по формулам, приведенным в приложении А, может иметь другие, нежели указанные, числовые значения.

2 НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ

В настоящем стандарте использована ссылка на

МИ 2060-90 ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений длины в диапазоне 1·10 - 50 м и длин волн в диапазоне 0,2 - 50 мкм.

3 АППАРАТУРА

3.1 Аппаратуру следует использовать при окружающих условиях, соответствующих требованиям, указанным в разделе 4.

3.2 Генератор частоты и индикатор, имеющие следующие характеристики:

- допускаемую погрешность по частоте - ±0,01% показания;

- нестабильность частоты - не менее ±0,01% показания за время измерения;

- нестабильность амплитуды - не менее ±0,01% показания за время измерения.

3.3 Комплекс, состоящий из усилителя мощности и вибратора, имеющий следующие характеристики:

- суммарный коэффициент нелинейных искажений - не более 2%;

- поперечное ускорение, ускорение от изгиба акселерометра и ускорение от качания акселерометра должны быть, по возможности, минимальными и не превышать (в сумме) 10% значения ускорения в основном направлении (в частотном диапазоне свыше 1000 Гц допускается 20%);

- шум - не менее чем на 70 дБ ниже выходного сигнала;

- нестабильность амплитуды ускорения - не более 0,05% показания за время измерения.

Поверхность, к которой крепят акселерометр, не должна вызывать его деформации.

3.4 Сейсмический блок вибратора и лазерного интерферометра (единый блок) должен иметь массу, по крайней мере, в 2000 раз больше суммарной массы движущегося элемента вибратора, крепления и акселерометра.

Сейсмический блок должен быть вывешен на слабодемпфированных пружинах, если вибрация пола оказывает заметное влияние на работу интерферометра или акселерометра; резонансная частота сейсмического блока с пружинами в вертикальном и горизонтальном направлениях должна находиться в пределах 1-2 Гц.

Примечание - Допускаются другие соотношения между массами, если приняты специальные меры, помимо указанных, направленные на демпфирование блока вибратора и лазерного интерферометра.

3.5 Лазер гелий-неонового типа; в лабораторных условиях (давление воздуха 100 кПа, температура 23 °С и относительная влажность 50%); длина волны 0,6328 мкм.

Если лазер имеет устройство ручной или автоматической атмосферной компенсации, оно может быть выключено.

Примечание - Одночастотный стабилизированный лазер должен быть калиброван по длине волны в соответствии с МИ 2060.

3.6 Интерферометр типа Майкельсона с фотодетектором для детектирования интерференционной картины; частотный диапазон 0-15 МГц.

Примечание - Допускается применение модифицированного интерферометра Майкельсона, а также интерферометров с другими интерференционными схемами, в частности использующими трехгранные уголковые отражатели.

3.7 Счетчиковая аппаратура (метод 1, частотный диапазон 20-800 Гц), имеющая следующие характеристики:

- диапазон частот - 10 Гц - 20 МГц;

- допускаемая погрешность - ±0,01% показания.

Наряду со счетчиком импульсов может быть использован счетчик отношения с аналогичной погрешностью.

3.8 Перестраиваемый полосовой фильтр или спектроанализатор (метод 2, частотный диапазон 1000-5000 Гц), имеющие следующие характеристики:

- диапазон частот - 100-10000 Гц;

- ширина полосы - менее 12% центральной частоты;

- наклон - не менее 24 дБ на октаву;

- отношение сигнал/шум - не менее чем на 70 дБ ниже максимального сигнала;

- динамический диапазон - не менее 60 дБ.

3.9 Аппаратура для детектирования нуля (метод 2 - в случае, если не используется спектроанализатор); диапазон частот 30-5000 Гц. Диапазон частот должен быть достаточным для детектирования шума выходного сигнала полосового фильтра.

3.10 Аппаратура для измерения истинного среднего квадратического значения выходного сигнала акселерометра, имеющая следующие характеристики:

- диапазон частот - 20-5000 Гц;

- допускаемая погрешность - ±0,01% показания; при частотах ниже 40 Гц - 0,1% показания.

Для получения значения амплитуды напряжения его среднее квадратическое значение должно быть умножено на .

3.11 Аппаратура для измерения нелинейных искажений в диапазоне 0-5%, имеющая следующие характеристики:

- диапазон частот - 5 Гц - 10 кГц;

- допускаемая погрешность - ±10% показания.

3.12 Осциллограф (является необязательным) для контроля формы кривой сигнала акселерометра, имеющий диапазон частот 5-5000 Гц.

3.13 Другие требования

Для достижения погрешности калибровки 0,5% акселерометр и усилитель акселерометра следует рассматривать как одно целое и калибровать совместно.

Конструкция акселерометра должна быть жесткой. Порог чувствительности акселерометра к механическим напряжениям корпуса должен быть менее 0,2·10 м/с; поперечная чувствительность акселерометра должна быть не более 1%; нестабильность чувствительности акселерометра совместно с усилителем должна быть не более 0,2% показания в течение года.

4 ОКРУЖАЮЩИЕ УСЛОВИЯ

Калибровку следует проводить при окружающих условиях:

- температура воздуха - (23±3) °С;

- атмосферное давление - (100±5) кПа;

- относительная влажность воздуха - (50±25)%.

5 ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ АМПЛИТУД И ЧАСТОТ

Шесть значений амплитуд ускорения и шесть значений частоты должны быть выбраны из следующих рядов:

Ускорение (только для метода 1):

10-20-50-100-250-500 м/с.

Опорное ускорение - 100 м/с (или 10 м/с).

Частота:

20-40-80-160-315-630-1250-2500-5000 Гц.

Опорная частота - 160 Гц (или 80 Гц).

6 МЕТОД 1 (МЕТОД СЧЕТА ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ ПОЛОС) ДЛЯ ДИАПАЗОНА ЧАСТОТ 20-800 Гц

6.1 Процедура

После надлежащей настройки интерференционного устройства определяют опорный коэффициент преобразования на предпочтительной частоте 160 Гц (или 80 Гц), при предпочтительном ускорении 100 м/с (или 10 м/с) и стандартном положении переключателя диапазонов усилителя путем измерения частоты полос с помощью счетчика полос (3.7) [используют метод счета интерференционных полос в соответствии с рисунком 1] либо путем измерения отношения частот вибрации и интерференционных полос с помощью счетчика отношения (3.7). Затем определяют коэффициент преобразования при других значениях ускорений и частот. Результаты должны быть выражены как отклонение в процентах от опорного коэффициента преобразования.

1 - вибратор; 2 - усилитель мощности; 3 - генератор частоты и индикатор; 4 - плоское зеркало; 5 - интерферометр; 6 - акселерометр; 7 - фотодетектор; 8 - оптический фильтр; 9 - лазер; 10 - только для счета отношения; 11 - счетчик (или счетчик отношения); 12 - усилитель; 13 - вольтметр; 14 - измеритель нелинейных искажений; 15 - осциллограф

Рисунок 1 - Измерительная система для метода счета интерференционных полос (метод 1)

Для каждой пары ускорения и частоты должны быть измерены нелинейные искажения, поперечное ускорение, ускорения от изгиба и от качания акселерометра, шум, значения которых должны быть в пределах, указанных в 3.3.

6.2 Представление результатов (см. также Б.1 приложения Б)

По результатам измерения частоты интерференционных полос вычисляют амплитуду ускорения акселерометра, м/с, по формуле

и коэффициент преобразования по формуле

,

где - амплитуда выходного сигнала акселерометра, В;

- частота вибратора, Гц;

- число периодов (интерференционных полос) за период времени, намного больший периода вибрации, - число периодов, деленное на время, т.е. частота полос, Гц.

Если используют счетчик отношения, амплитуду ускорения , м/с, вычисляют по формуле

,

а коэффициент преобразования - по формуле

,

где - отношение частоты полос к частоте вибрации, измеренное за период времени, по крайней мере в 100 раз больший, чем период вибрации.

Значение коэффициента преобразования следует сопровождать указанием погрешности калибровки и доверительным уровнем, которые вычисляют в соответствии с приложением А.

Должен быть использован доверительный уровень 99% (или 95%).

7 МЕТОД 2 (МЕТОД МИНИМУМОВ) ДЛЯ ДИАПАЗОНА ЧАСТОТ 800-5000 Гц

7.1 Процедура

С помощью полосового фильтра с центральной частотой, равной частоте сигнала акселерометра, фильтруется сигнал фотодетектора. Этот отфильтрованный сигнал имеет ряд минимумов, соответствующих определенным амплитудам перемещения акселерометра и приведенных в таблице 1.

Таблица 1 - Амплитуды перемещения для минимумов

После установки частоты амплитуду вибратора регулируют, начиная с нулевого значения до достижения максимума отфильтрованного сигнала фотодетектора и далее до его минимального значения. Это минимальное значение - первый минимум отфильтрованного сигнала - соответствует амплитуде перемещения 0,193 мкм. Амплитуды перемещения для других минимумов указаны в таблице 1. Измерительная система для метода минимумов изображена на рисунке 2.

1 - усилитель мощности; 2 - генератор частоты и индикатор; 3 - вибратор; 4 - плоское зеркало; 5 - интерферометр; 6 - акселерометр; 7 - фотодетектор; 8 - оптический фильтр; 9 - лазер; 10 - частотный анализатор; 11 - полосовой фильтр, настроенный на частоту вибратора; 12 - вольтметр; 13 - усилитель; 14 - вольтметр; 15 - измеритель нелинейных искажений; 16 - осциллограф

Рисунок 2 - Измерительная система для метода минимумов (метод 2)

7.2 Представление результатов (см. также Б.1 приложения Б)

Амплитуду ускорения , м/с, вычисляют по формуле

,

а коэффициент преобразования - по формуле

,

где - амплитуда выходного сигнала акселерометра, В;

- амплитуда перемещения для минимума в соответствии с таблицей 1, мкм;

- частота вибратора, Гц.

Полученные этим методом коэффициенты преобразования используют для расчета отклонений от опорного коэффициента преобразования, полученного на частоте 160 Гц (80 Гц) и при ускорении 100 м/с (10 м/с) методом 1 (см. раздел 6).

Значение коэффициента преобразования следует сопровождать указанием погрешности калибровки и доверительным уровнем, которые вычисляют в соответствии с приложением А.

Должен быть использован доверительный уровень 99% (или 95%).

ПРИЛОЖЕНИЕ А
(обязательное)

РАСЧЕТ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ

А.1 Расчет общей (суммарной) неопределенности

Общую (суммарную) неопределенность калибровки для установленного доверительного уровня (для настоящего стандарта 99 или 95%) рассчитывают по формуле

,

где - случайная неопределенность;

- систематическая неопределенность.

Случайную неопределенность для установленного доверительного уровня рассчитывают по формуле

,

где - дисперсия (отклонение) от среднего арифметического значения результатов единичных измерений в серии измерений;

- число измерений;

- коэффициент распределения Стьюдента, соответствующий установленному доверительному уровню и числу измерений.

Систематическая погрешность должна быть исключена или компенсирована. Остаточную неопределенность рассчитывают по формуле

,

где 2,0 для доверительного уровня 95% (95%) или

2,6 для доверительного уровня 99% (99%);

- абсолютная погрешность коэффициента преобразования при фиксированных частотах, амплитудах и положениях переключателей усилителя, В·с/м (см. А.2).

А.2 Расчет абсолютной погрешности коэффициента преобразования при фиксированных частотах, амплитудах и положениях переключателей усилителя

А.2.1 Расчет для метода 1

Абсолютную погрешность коэффициента преобразования при фиксированных частотах, амплитудах и положениях переключателей усилителя рассчитывают по формуле

а при использовании счетчика отношения - по формуле

где - коэффициент преобразования, В·с/м;

- амплитуда выходного сигнала акселерометра, В;

- абсолютная погрешность вольтметра акселерометра, В;

- частота вибратора, Гц;

- абсолютная погрешность частоты вибратора, Гц;

- частота полос, Гц;

- абсолютная погрешность частоты интерференционных полос, Гц;

- абсолютная погрешность детектирования интерференционной полосы, которая представляет собой изменение выходного напряжения акселерометра, соответствующее единице последнего используемого разряда счетчика частоты интерференционных полос, В;

- суммарное искажение, равное , %,

где - истинное среднее квадратическое значение суммарного ускорения, м/с;

- истинное среднее квадратическое значение ускорения при возбуждающей частоте, м/с;

- сумма поперечного ускорения, ускорения от изгиба акселерометра и ускорения от качания акселерометра, м/с;

- наибольшее значение поперечной чувствительности акселерометра, % к амплитуде ускорения в направлении измерения;

- ускорение, вызываемое шумом, м/с;

- погрешность длины волны лазера и интерферометра, % длины волны;

- отношение частоты вибрации к частоте интерференционных полос, измеренное за время, не меньшее 100 периодов вибрации;

- абсолютная погрешность отношения.

А.2.2 Расчет для метода 2

Абсолютную погрешность коэффициента преобразования , В·с/м, при фиксированных частотах, амплитудах и положениях переключателей усилителя рассчитывают по формуле

,

где - коэффициент преобразования, В·с/м (см. 7.2);

- амплитуда выходного сигнала акселерометра, В;

- абсолютная погрешность вольтметра акселерометра, В;

- разрешающая способность в минимуме, равная изменению выходного сигнала акселерометра, при котором показания вольтметра, используемого для индикации минимума, изменяются от наименьшего значения перед минимумом до наименьшего значения после минимума, В;

- суммарное искажение, равное , %,

где - истинное среднее квадратическое значение суммарного ускорения, м/с;

- истинное среднее квадратическое значение ускорения при возбуждающей частоте, м/с;

- сумма поперечного ускорения, ускорения от изгиба акселерометра и ускорения от качания акселерометра, м/с;

- наибольшее значение поперечной чувствительности акселерометра, % амплитуды ускорения в направлении измерения;

- ускорение, вызываемое шумом, м/с;

- частота вибратора, Гц (см. 7.2);

- абсолютная погрешность частоты вибратора, Гц.

А.3. Расчет общей абсолютной погрешности коэффициента преобразования и неопределенности для полного амплитудного и частотного диапазонов

Абсолютная погрешность коэффициента преобразования , рассчитываемая в соответствии с А.2.1 или А.2.2, имеет место для фиксированных частот, амплитуд и положений переключателей усилителя. Общую погрешность коэффициента преобразования , В·с/м, и неопределенность для полного амплитудного и частотного диапазонов рассчитывают по формуле

где - коэффициент преобразования, В·с/м (см. 6.2 или 7.2);

- абсолютная погрешность коэффициента преобразования для опорной частоты, амплитуды и фиксированных положений переключателей усилителя, рассчитанная в соответствии с А.2.1 или А.2.2, В·с/м;

- отклонение амплитудно-частотной характеристики усилителя, % коэффициента преобразования;

- отклонение амплитудно-частотной характеристики акселерометра, % коэффициента преобразования;

- нелинейность амплитудной характеристики усилителя, % коэффициента преобразования;

- нелинейность амплитудной характеристики акселерометра, % коэффициента преобразования;

- погрешность от нестабильности цепи усилителя и погрешность импеданса источника, % коэффициента преобразования;

- погрешность от нестабильности акселерометра, % коэффициента преобразования;

- погрешность усиления по диапазону усилителя (погрешности усиления для различных настроек усилителя), % коэффициента преобразования;

- погрешность, вызванная воздействием окружающих условий на усилитель, % коэффициента преобразования;

- погрешность, вызванная воздействием окружающих условий на акселерометр, % коэффициента преобразования.

ПРИЛОЖЕНИЕ Б
(обязательное)

ФОРМУЛЫ ДЛЯ РАСЧЕТА УСКОРЕНИЯ

Б.1 Процедура 1

Длина волны главной линии спектра излучения неона принята равной 0,632815 мкм при давлении 100 кПа.

В интерферометре перемещение, соответствующее расстоянию между двумя соседними полосами (максимальной или минимальной интенсивностями),

.

Количество максимумов для одного периода вибрации

,

где .

Ускорение ,

где - частота вибратора, Гц;

- частота интерференционных полос, Гц.

Б.2 Процедура 2

Регулируя амплитуду вибрации до уровня, при котором амплитуда составляющей спектра, частота которой равна частоте вибрации, становится равной нулю, амплитуду перемещения и амплитуду ускорения определяют по следующим формулам:

;

,

где - аргументы, соответствующие различным нулям функции Бесселя, приведенные в таблице Б.1.

Таблица Б.1 - Значения для нулей функции Бесселя

Электронный текст документа
и сверен по:

М.: ИПК Издательство стандартов, 1997