電容式加速度傳感器校準(zhǔn)規(guī)范

JJF1918—20211電容式加速度傳感器校準(zhǔn)規(guī)范1范圍本規(guī)范適用于電容式加速度傳感器(以下簡(jiǎn)稱加速度計(jì))的校準(zhǔn)。2引用文件本規(guī)范引用了下列文件:JJG2054—2015振動(dòng)計(jì)量器具檢定系統(tǒng)表JJF1156—2006振動(dòng)沖擊轉(zhuǎn)速計(jì)量術(shù)語(yǔ)及定義GB/T20485.11—2006振動(dòng)與沖擊傳感器校準(zhǔn)方法第11部分:激光干涉法振動(dòng)絕對(duì)校準(zhǔn)GB/T20485.16—2018振動(dòng)與沖擊傳感器校準(zhǔn)方法第16部分:地球重力法校準(zhǔn)GB/T20485.21—2007振動(dòng)與沖擊傳感器校準(zhǔn)方法第21部分:振動(dòng)比較法校準(zhǔn)IEC60747-14-4:2011半導(dǎo)體器件分立器件第14-4部分:半導(dǎo)體感應(yīng)器(Semi-conductordevices—Disc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概述電容式加速度傳感器廣泛用于振動(dòng)沖擊測(cè)量。電容式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)一般采用彈簧質(zhì)量系統(tǒng),由固定質(zhì)量塊和敏感質(zhì)量塊組成,形成平板電容。質(zhì)量塊受慣性力作用運(yùn)動(dòng)改變平板電容值。通過(guò)檢測(cè)電容變化的大小,測(cè)量出敏感軸加速度的大小和方向。4計(jì)量特性4.1靜態(tài)特性靜態(tài)靈敏度。4.2動(dòng)態(tài)特性a)參考靈敏度;b)靈敏度頻率響應(yīng);c)靈敏度幅值線性度。JJF1918—202125校準(zhǔn)條件5.1環(huán)境條件環(huán)境溫度:采用絕對(duì)法校準(zhǔn)時(shí)為(23±3)℃;采用比較法校準(zhǔn)時(shí)為(23±5)℃。相對(duì)濕度:不大于75%。電源電壓波動(dòng)量不應(yīng)超過(guò)額定值的±10%。實(shí)驗(yàn)室及周圍環(huán)境應(yīng)無(wú)強(qiáng)振源,無(wú)強(qiáng)電磁場(chǎng)的干擾。5.2測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)及其他設(shè)備5.2.1分度頭角度測(cè)量范圍:0°~360°;角度最大允許誤差:±0.1°;水平零位誤差:±0.05°。5.2.2振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置絕對(duì)法振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置或比較法振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置。振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置的測(cè)量不確定度見(jiàn)表1。表1振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置的測(cè)量不確定度名稱頻率范圍測(cè)量不確定度(k=2)UrelUφ絕對(duì)法振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置0.005Hz≤f<0.1Hz3%2°0.1Hz≤f≤5kHz1%1°比較法振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置0.1Hz≤f<20Hz5%3°20Hz≤f<2kHz2%2°2kHz≤f≤5kHz3%3°5.2.3直流電壓表直流電壓的最大允許誤差:±0.05%×讀數(shù)。5.2.4適調(diào)放大器放大器的激勵(lì)電壓最大允許誤差:±0.5%;頻率響應(yīng)不超過(guò)±0.5%;非線性誤差不超過(guò)±0.1%。6校準(zhǔn)項(xiàng)目和校準(zhǔn)方法6.1校準(zhǔn)項(xiàng)目校準(zhǔn)項(xiàng)目見(jiàn)第5章。6.2校準(zhǔn)方法6.2.1外觀要求及其他技術(shù)指標(biāo)加速度計(jì)上應(yīng)標(biāo)有清晰的型號(hào)、出廠編號(hào)和商標(biāo),以及振動(dòng)靈敏軸方向。加速度計(jì)JJF1918—20213殼體應(yīng)無(wú)明顯的機(jī)械損傷,安裝表面應(yīng)無(wú)毛刺及其他瑕疵,加速度計(jì)安裝表面應(yīng)平整光滑。加速度計(jì)制造廠應(yīng)給出其量程范圍、工作溫度范圍、沖擊極限和供電電壓等技術(shù)指標(biāo)。6.2.2靜態(tài)特性6.2.2.1校準(zhǔn)前的準(zhǔn)備將加速度計(jì)安裝于臺(tái)面中心,使加速度計(jì)安裝面和安裝平臺(tái)臺(tái)面保持平行并完全貼合固定,連接適調(diào)放大器和直流電壓表。校準(zhǔn)原理框圖如圖1所示。圖1靜態(tài)特性校準(zhǔn)原理框圖6.2.2.2用重力加速度(±1g)校準(zhǔn)加速度計(jì)敏感軸軸線與重力加速度方向重合時(shí)的靜態(tài)靈敏度的校準(zhǔn)。安裝臺(tái)面置于水平零位,將加速度計(jì)剛性安裝于臺(tái)面中心,使加速度計(jì)的敏感軸軸線與重力加速度矢量方向的夾角為0°(如圖2所示),用直流電壓表測(cè)量加速度計(jì)的輸出直流電壓V0;調(diào)整安裝臺(tái)面至180°(如圖3所示),用直流電壓表測(cè)量加速度計(jì)的輸出直流電壓V180。按公式(1)計(jì)算加速度計(jì)的靜態(tài)靈敏度Sg:(1)Sg(1)式中:Sg—加速度計(jì)的靜態(tài)靈敏度,mV/(m·s-2)V0—安裝平臺(tái)置于水平零位時(shí)測(cè)量的加速度計(jì)的輸出直流電壓值,V;V180—安裝平臺(tái)置于180°時(shí)測(cè)量的加速度計(jì)的輸出直流電壓值,V;g—實(shí)驗(yàn)室選用的重力加速度值(gn或g1),m/s2,見(jiàn)附錄A。圖20°測(cè)量位置的加速度計(jì)安裝示意圖1—加速度計(jì);2—安裝平臺(tái)臺(tái)面;3—重力加速度矢量和加速度計(jì)靈敏度敏感軸軸線之間的夾角JJF1918—20214圖3180°測(cè)量位置的加速度計(jì)安裝示意圖1—加速度計(jì);2—安裝平臺(tái);3—重力加速度矢量和加速度計(jì)靈敏度敏感軸軸線之間的夾角6.2.2.3用重力加速度分量(0g~1g)校準(zhǔn)加速度計(jì)敏感軸軸線與重力加速度方向不重合時(shí),在不同角度的重力分量上的靜態(tài)靈敏度的校準(zhǔn)。把安裝平臺(tái)置于水平零位,加速度計(jì)剛性安裝于臺(tái)面中心,調(diào)整安裝平臺(tái)至夾角+α和-α(如圖4所示),重力加速度矢量和加速度計(jì)靈敏度敏感軸軸線之間的夾角首選角度見(jiàn)表2。測(cè)量加速度計(jì)的輸出直流電壓V+α和V-α,調(diào)整安裝平臺(tái)至180°+α和180°-α,測(cè)量加速度計(jì)的輸出電壓V180+α和V180-α。圖4-30°測(cè)量位置的加速度計(jì)安裝結(jié)構(gòu)示意圖1—加速度計(jì);2—安裝平臺(tái);3—重力加速度矢量和加速度計(jì)靈敏度敏感軸軸線之間的夾角表2首選夾角對(duì)應(yīng)的加速度幅值夾角α重力產(chǎn)生的加速度幅值-30°和+30°+150°和+210°0.8660g1-45°和+45°+135°和+225°0.7071g1±60°+120°和+240°0.5000g1JJF1918—20215按公式(2)計(jì)算加速度計(jì)的靜態(tài)靈敏度Sgα:Sgα=V+α+-αVV180-α(2)式中:Sgα—加速度計(jì)的靜態(tài)靈敏度,mV/(m·s-2);V+α—安裝平臺(tái)置于+α處的加速度計(jì)輸出直流電壓值,V;V-α—安裝平臺(tái)置于-α處的加速度計(jì)輸出直流電壓值,V;V180+α—安裝平臺(tái)置于180°+α處的加速度計(jì)輸出直流電壓值,V;V180-α—安裝平臺(tái)置于180°-α處的加速度計(jì)輸出直流電壓值,V;g—校準(zhǔn)時(shí)使用的重力加速度值,m/s2,見(jiàn)附錄A;α—安裝平臺(tái)傾斜角度,(°)。注:本方法僅限于橫向靈敏度小于5%的電容式加速度傳感器的校準(zhǔn)。6.2.3動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)6.2.3.1參考靈敏度6.2.3.1.1比較法將被檢加速度計(jì)與參考加速度計(jì)背靠背剛性安裝在振動(dòng)臺(tái)中心位置,或?qū)⑴c振動(dòng)臺(tái)內(nèi)裝加速度計(jì)同軸安裝,或與裝在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上附加固定裝置內(nèi)的參考加速度計(jì)同軸安裝。在參考條件下確定被校加速度計(jì)的參考靈敏度幅值和相移。被校加速度計(jì)的輸出電壓與所承受的加速度之比即為參考靈敏度幅值。相移按公式(3)計(jì)算:φ2=φ2=φ2,1+φ1(3)φ2—被測(cè)加速度計(jì)輸出值的相移,(°);φ1—參考加速度計(jì)輸出值的相移,(°);φ2,1—參考加速度計(jì)與被測(cè)加速度計(jì)輸出值之間的相移,(°)。注:參考條件指:頻率(Hz):…,160,80,40,16,8,…加速度(m/s2):…,100,50,20,10,5,2,1,…6.2.3.1.2絕對(duì)法采用條紋計(jì)數(shù)法(僅限幅值校準(zhǔn))或正弦逼近法對(duì)加速度計(jì)參考靈敏度進(jìn)行校準(zhǔn)。6.2.3.2靈敏度頻率響應(yīng)在工作頻率范圍內(nèi),以1/3倍頻程序列選取8~11個(gè)頻率點(diǎn),按6.2.3.1的方法測(cè)出不同頻率下的靈敏度幅值和相移。靈敏度的幅頻響應(yīng)按公式(4)計(jì)算如下:δ×100%(4)JJF1918—20216式中:δ—被測(cè)加速度計(jì)的幅頻響應(yīng),%;Sf—被測(cè)加速度計(jì)在不同頻率點(diǎn)的靈敏度幅值,mV/(m·s-2);S0—被測(cè)加速度計(jì)在參考點(diǎn)的靈敏度幅值,mV/(m·s-2)。靈敏度的相頻響應(yīng)按公式(5)計(jì)算如下:(5)式中:Δ—被測(cè)加速度計(jì)的相頻響應(yīng),((5)式中:Δ—被測(cè)加速度計(jì)的相頻響應(yīng),(°);φf(shuō)—被測(cè)加速度計(jì)在不同頻率點(diǎn)的相移,(°);φ0—被測(cè)加速度計(jì)在參考點(diǎn)的相移,(°)。6.2.3.3靈敏度幅值線性度采用振動(dòng)或沖擊方法,在加速度幅值范圍內(nèi)選取5~10個(gè)點(diǎn)(包括最大加速度和最小加速度),進(jìn)行靈敏度幅值線性度的校準(zhǔn)。采用振動(dòng)法校準(zhǔn)時(shí),按6.2.3.1的方法測(cè)出不同加速度幅值下的靈敏度幅值,靈敏度幅值線性度按公式(6)計(jì)算:γ×100%(6)式中:γ—被測(cè)加速度計(jì)的幅值線性度,%;Sa—被測(cè)加速度計(jì)在不同加速度下的靈敏度,mV/(m·s-2);S0—被測(cè)加速度計(jì)的參考靈敏度,mV/(m·s-2)。采用沖擊法校準(zhǔn)時(shí),用最小二乘法計(jì)算靈敏度幅值線性度。用n次校準(zhǔn)的加速度ai和靈敏度Si,求出回歸直線:S=S0+KS=S0+K·aK—斜率:K=S0—截距:a—加速度平均值:aiSi-aSia2i-aaa2iS0=-Kaa=ai—S—靈敏度平均值:(7)(8)(9)(10)JJF1918—20217=加速度幅值線性度為:Sii=1n(11)γ=K×100%|amax(12)公式(12)表示最大加速度處的幅值線性度。7校準(zhǔn)結(jié)果表達(dá)7.1校準(zhǔn)記錄推薦的校準(zhǔn)記錄的格式見(jiàn)附錄B。7.2校準(zhǔn)證書(shū)經(jīng)校準(zhǔn)的儀器出具校準(zhǔn)證書(shū)。校準(zhǔn)證書(shū)應(yīng)包括的信息及推薦的校準(zhǔn)證書(shū)的格式見(jiàn)附錄C。8復(fù)校時(shí)間間隔電容式加速度傳感器的復(fù)校時(shí)間間隔建議為1年。復(fù)校時(shí)間間隔受儀器使用情況、間隔。JJF1918—20218附錄A當(dāng)?shù)刂亓铀俣鹊拇_定當(dāng)?shù)刂亓铀俣瓤赏ㄟ^(guò)以下三種方法得到:1)可直接測(cè)量當(dāng)?shù)刂亓铀俣?并給出測(cè)量不確定度。2)可通過(guò)使用大地公式計(jì)算得到:g1(Φ,H)=-320H(A.1)式中:g1(Φ,H)———給定的緯度和海拔處的重力加速度值,m/s2;Φ—給定的緯度,rad;H—給定的海拔,m。度gn(忽略緯度和海拔的影響):gn=9.80665m/s2(A.2)注:所用重力加速度值應(yīng)至少保留四位有效數(shù)字;采用以上不同方法確定的重力加速度值,所得到的靜態(tài)靈敏度的測(cè)量不確定度不同。9附錄B校準(zhǔn)原始記錄推薦格式第1頁(yè)共2頁(yè)證書(shū)編號(hào):記錄編號(hào):客戶名稱:客戶地址: 型號(hào)規(guī)格:出廠編號(hào): 制造廠名:校準(zhǔn)依據(jù): 環(huán)境條件:溫度:℃相對(duì)濕度:%重力加速度: 校準(zhǔn)地點(diǎn):標(biāo)準(zhǔn)器型號(hào):標(biāo)準(zhǔn)器編號(hào):標(biāo)準(zhǔn)器溯源證書(shū)號(hào):標(biāo)準(zhǔn)器證書(shū)有效期:年月日標(biāo)準(zhǔn)器測(cè)量范圍:最大允許衰減/測(cè)量不確定度: 校準(zhǔn)依據(jù):校準(zhǔn)員:校驗(yàn)員:一、外觀檢查:二、靜態(tài)特性1.用重力加速度(±1g)校準(zhǔn)靜態(tài)靈敏度敏感軸軸線相對(duì)于重力加速度矢量方向的角度/(°)輸出直流電壓值/V靜態(tài)靈敏度/[mV/(m·s-2)]2.用重力加速度分量(0g~1g)校準(zhǔn)靜態(tài)靈敏度敏感軸軸線相對(duì)于重力加速度矢量方向的角度/(°)輸出直流電壓值/V靜態(tài)靈敏度/[mV/(m·s-2)]敏感軸軸線相對(duì)于重力加速度矢量方向的角度/(°)輸出直流電壓值/V靜態(tài)靈敏度/[mV/(m·s-2)]敏感軸軸線相對(duì)于重力加速度矢量方向的角度/(°)輸出直流電壓值/V靜態(tài)靈敏度/[mV/(m·s-2)]本次校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度為:10證書(shū)編號(hào):第2頁(yè)共2頁(yè)三、動(dòng)態(tài)特性1.參考靈敏度(參考條件:Hz;m/s2)靈敏度幅值:mV/(m·s-2)靈敏度相移:。本次校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度為:2.靈敏度頻率響應(yīng)頻率/Hz加速度/(m/s2)靈敏度/[mV/(m·s-2)]相移/(°)幅頻響應(yīng)/%相頻響應(yīng)/(°)本次校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度為:3.靈敏度幅值線性度:校準(zhǔn)頻率:Hz加速度/(m/s2)靈敏度/[mV/(m·s-2)]幅值線性度/%本次校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度為:11附錄C校準(zhǔn)證書(shū)內(nèi)容及內(nèi)頁(yè)格式C.1校準(zhǔn)證書(shū)至少包含以下信息:a)標(biāo)題,如“校準(zhǔn)證書(shū)”;b)證書(shū)的編號(hào)、頁(yè)碼和總頁(yè)數(shù);c)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的名稱和地址;d)進(jìn)行校準(zhǔn)的日期;e)進(jìn)行校準(zhǔn)的地點(diǎn)(如果不在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn));f)客戶的名稱和地址;g)被校電容式加速度傳感器的型號(hào)、規(guī)格和出廠編號(hào);h)本技術(shù)規(guī)范的名稱及代號(hào);i)本次校準(zhǔn)所用測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)溯源性和有效性的說(shuō)明;j)校準(zhǔn)環(huán)境的描述;k)校準(zhǔn)結(jié)果及其測(cè)量不確定度的說(shuō)明;l)校準(zhǔn)證書(shū)簽發(fā)人的簽名、職務(wù)或等效標(biāo)識(shí),以簽發(fā)日期;m)校準(zhǔn)結(jié)果僅對(duì)被校對(duì)象有效的聲明;n)未經(jīng)實(shí)驗(yàn)室書(shū)面批準(zhǔn),不得部分復(fù)制證書(shū)的聲明。12C.2推薦的電容式加速度傳感器校準(zhǔn)證書(shū)內(nèi)頁(yè)格式一、外觀檢查:二、靜態(tài)特性1.用重力加速度(±1g)校準(zhǔn):。2.用重力加速度分量(0g~1g)校準(zhǔn):。本次校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度為:。三、動(dòng)態(tài)特性1.參考靈敏度幅值(參考條件:Hz;m/s2)靈敏度幅值:mV/(m·s-2);靈敏度相移:。本次校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度為:。2.靈敏度頻率響應(yīng)頻率/Hz加速度/(m/s2)靈敏度/[mV/(m·s-2)]相移/(°)幅頻響應(yīng)/%相頻響應(yīng)/(°)本次校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度為:。3.靈敏度幅值線性度:。本次校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度為:。13附錄D電容式加速度計(jì)靜態(tài)靈敏度測(cè)量不確定度評(píng)定示例D.1測(cè)量原理在加速度計(jì)靈敏度的敏感軸軸線相對(duì)于重力加速度矢量方向的角度為0°,以及加速度計(jì)靈敏度的敏感軸軸線位置相對(duì)于重力加速度矢量方向的角度為180°時(shí),通過(guò)測(cè)量加速度計(jì)的輸出直流電壓,來(lái)計(jì)算加速度計(jì)敏感軸軸線和重力加速度矢量方向重合時(shí)的靜態(tài)靈敏度。D.2測(cè)量模型加速度計(jì)的靜態(tài)靈敏度表示為:Sg0(D.1)式中:Sg0—加速度計(jì)的靜態(tài)靈敏度,V/(m·s-2);V0—安裝平臺(tái)置于水平零位時(shí)測(cè)量的加速度計(jì)的輸出直流電壓值,V;V180—安裝平臺(tái)置于180°時(shí)測(cè)量的加速度計(jì)的輸出直流電壓值,V;g—實(shí)驗(yàn)室使用的重力加速度值(gn或g1),m/s2。D.3不確定度傳播律u2(sg0)=cu0+2r(V0,V180)c1uV0c2uV180+cu180+cu(D.2)則合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度:(sgu2(sg0)=cu0+2r(V0,V180)c1uV0c2uV180+cu180+cu(D.2)則合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度:(sg0)=(c1uV0+c2uV180)+c3ug(D.3)靈敏系數(shù)為:u(sg0)=(c1uV0+c2uV180)2+c靈敏系數(shù)為:c1=則:c2==-2c3= u(sg0)= +u24g24g4gu(sg0)= +u24g24g4g(D.4)D.4標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量來(lái)源一覽表各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量來(lái)源見(jiàn)表D.1。JJF1918—202114表D.1標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量來(lái)源一覽表不確定度分量不確定度來(lái)源uA靜態(tài)靈敏度測(cè)量重復(fù)性u(píng)V0安裝平臺(tái)置于水平零位時(shí),直流電壓表測(cè)量誤差等因素對(duì)電壓測(cè)量產(chǎn)生的影響uV180安裝平臺(tái)置于180°時(shí),直流電壓表測(cè)量誤差等因素對(duì)電壓測(cè)量產(chǎn)生的影響uV0,1,uV180,1直流電壓表測(cè)量誤差uV0,2,uV180,2直流電壓表分辨力uV0,3,uV180,3安裝參數(shù)等uV0,4,uV180,4安裝平臺(tái)角度誤差uV0,5,uV180,5加速度計(jì)橫向靈敏度ug當(dāng)?shù)刂亓铀俣葴y(cè)量D.5標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量選用型號(hào)為MSA1000A-10、編號(hào)為1409-003的加速度計(jì)進(jìn)行評(píng)定。D.5.1靜態(tài)靈敏度測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量uA靜態(tài)靈敏度測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度見(jiàn)表D.2。表D.2算術(shù)平均值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差mV/(m·s-2)測(cè)量次數(shù)12345678910靈敏度值26.3126.2226.3226.2226.3426.2626.3226.2126.3326.35算數(shù)平均值26.288標(biāo)準(zhǔn)偏差0.0547因此:D.5.2安裝平臺(tái)置于水平零位u等因素對(duì)電壓測(cè)量產(chǎn)生影響而引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量uV0安裝臺(tái)面置于水平零位,將加速度計(jì)剛性