ГОСТ Р ИСО 16063-12-2009 Вибрация. Методы калибровки датчиков вибрации и удара. Часть 12. Первичная вибрационная калибровка на основе принципа взаимности.
ГОСТ Р ИСО 16063-12-2009
Группа П18
НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Вибрация
МЕТОДЫ КАЛИБРОВКИ ДАТЧИКОВ ВИБРАЦИИ И УДАРА
Часть 12
Первичная вибрационная калибровка на основе принципа взаимности
Vibration. Methods for the calibration of vibration and shock transducers. Part 12. Primary vibration calibration by the reciprocity method
ОКС 17.160
Дата введения 2011-01-01
Предисловие
Цели и принципы стандартизации в Российской Федерации установлены Федеральным законом от 27 декабря 2002 г. N 184-ФЗ "О техническом регулировании", а правила применения национальных стандартов Российской Федерации - ГОСТ Р 1.0-2004 "Стандартизация в Российской Федерации. Основные положения"
Сведения о стандарте
1 ПОДГОТОВЛЕН Федеральным государственным унитарным предприятием "Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы" (ФГУП ВНИИМС) на основе собственного аутентичного перевода стандарта, указанного в пункте 4, с участием Автономной некоммерческой организации "Научно-исследовательский центр контроля и диагностики технических систем" (АНО "НИЦ КД")
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 183 "Вибрация, удар и контроль технического состояния"
3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 15 декабря 2009 г. N 871-ст
4 Настоящий стандарт является идентичным по отношению к международному стандарту ИСО 16063-12:2002 "Методы калибровки датчиков вибрации и удара. Часть 12. Первичная вибрационная калибровка на основе принципа взаимности" (ISO 16063-12:2002 "Methods for the calibration of vibration and shock transducers - Part 12: Primary vibration calibration by the reciprocity method").
При применении настоящего стандарта рекомендуется использовать вместо ссылочных международных стандартов соответствующие им национальные и межгосударственные стандарты, сведения о которых приведены в дополнительном приложении ДА
5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ
Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодно издаваемом указателе "Национальные стандарты", а текст изменений и поправок - в ежемесячно издаваемых информационных указателях "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ежемесячно издаваемом информационном указателе "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет
1 Область применения
Настоящий стандарт устанавливает метод первичной калибровки акселерометров на основе принципа взаимности (с использованием катушки возбуждения электродинамического вибростенда в качестве обратимого преобразователя).
Если калибровку проводят только для акселерометра, то предполагают, что частотная характеристика используемых с ним совместно устройств согласования сигнала (например, усилителя) известна вместе с неопределенностью ее измерений. Предельные значения неопределенности измерений указаны в разделе 3 в предположении, что калибровке подвергают акселерометр вместе с устройством согласования сигнала (далее - акселерометр).
2 Нормативные ссылки
В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:
ИСО 16063-1:1998 Методы калибровки датчиков вибрации и удара. Часть 1. Основные положения
ИСО 266 Акустика. Предпочтительные ряды частот
3 Неопределенность измерений
Для подтверждения того, что неопределенность измерений находится в установленных пределах, необходимо составлять бюджеты неопределенности в соответствии с приложением А.
Неопределенность измерений выражают через расширенную неопределенность в соответствии с ИСО 16063-1.
4 Обозначения
В настоящем стандарте использованы обозначения, указанные в таблице 1.
Таблица 1 - Перечень обозначений
|
|
|
Обозначение | Определение | Единица измерений |
 | Частота вибрации | Гц |
 | Индекс добавленного груза (  0 означает отсутствие груза) | - |
 | Масса -го добавленного груза | кг |
 | Комплексное электрическое напряжение | В |
 | Отношение комплексных электрических напряжений | - |
 | Комплексная электрическая проводимость | S |
 | Электрическое сопротивление | Ом |
 | Свободный член линейной регрессионной зависимости, получаемой подгонкой по методу наименьших квадратов | кг·Ом |
 | Коэффициент при независимом переменном регрессионной зависимости, получаемой подгонкой по методу наименьших квадратов | Ом |
 | Комплексный коэффициент преобразования калибруемого акселерометра | В/(мс  ) |
 | Модуль | В/(мс ) |
 | Фазовый сдвиг | градус |
 | Действительная часть комплексной величины | - |
 | Мнимая часть комплексной величины | - |
 | Аргумент комплексной величины | - |
5 Требования к испытательному оборудованию и средствам измерений
5.1 Общие положения
При расчете расширенной неопределенности измерений модуля и фазового сдвига комплексного коэффициента преобразования (см. приложение А) следует принимать во внимание чувствительность к деформации основания и коэффициент поперечного преобразования, а также стабильность характеристик акселерометра во времени.
5.2 Генератор частоты с показывающим устройством
Следует использовать генератор частоты, имеющий следующие характеристики:
a) неопределенность измерений частоты не более 0,01% показываемого значения;
b) отклонение частоты в процессе измерений не более ±0,01% показываемого значения;
c) отклонение амплитуды сигнала в процессе измерений не более ±0,01% показываемого значения.
5.3 Вибростенд с усилителем мощности
Следует использовать вибростенд с усилителем мощности, имеющий следующие характеристики:
a) коэффициент гармоник по ускорению не более 2%;
b) поперечные и угловые колебания стола вибростенда не более 10% ускорения в основном направлении в пределах требуемого диапазона частот;
c) отношение сигнал/шум на выходе акселерометра не менее 30 дБ;
d) отклонение амплитуды ускорения в процессе калибровки не более ±0,05% показываемого значения.
5.4 Сейсмический блок вибростенда
Вибростенд устанавливают на массивном жестком блоке с целью исключить чрезмерное влияние реакции опоры вибростенда на результаты калибровки. Масса сейсмического блока должна быть, по меньшей мере, в 2000 раз больше массы подвижной системы вибростенда. Примерами сейсмических блоков, применяемых для указанной цели, являются гранитные блоки или стальные оптические столы сотовой конструкции. Для уменьшения влияния колебаний грунта сейсмический блок устанавливают на демпфированных пружинах, у которых резонансные частоты колебаний в вертикальном и горизонтальном направлениях не превышают 2 Гц.
5.5 Аппаратура для измерений комплексного отношения напряжений
Средства измерений должны иметь следующие характеристики:
a) диапазон частот от 40 Гц до 5 кГц;
b) неопределенность измерений модуля отношения комплексных напряжений не более 0,1%;
c) неопределенность измерений фазового сдвига отношений комплексных напряжений не более 0,1°.
5.6 Резистор
Сопротивление резистора, используемого для определения силы тока, должно быть известно с неопределенностью, не превышающей 0,05% во всем диапазоне частот акселерометра и во всем диапазоне рассеиваемых мощностей.
Следует убедиться, что на сопротивление резистора не оказывают существенное влияние индуктивные и тепловые воздействия.
5.7 Набор добавляемых грузов
Массы добавляемых грузов должны:
a) изменяться с постоянным шагом во всем диапазоне используемых масс вплоть до максимального значения, равного примерно от 0,5 до 1,0 массы движущейся системы вибростенда;
b) быть известны с неопределенностью, не превышающей 0,05%.
На практике количество и размер грузов является компромиссом между уменьшением статистической неопределенности и увеличением неопределенности измерений вследствие температурных эффектов в подвижной катушке вибростенда, влияние которых увеличивается с увеличением числа измерений.
5.8 Устройство измерения коэффициента гармоник
Для измерения искажений используют устройство, позволяющее определить значение коэффициента гармоник в диапазоне от 0,01% до 5% и имеющее следующие характеристики:
a) диапазон частот от 40 Гц до 5 кГц;
b) неопределенность измерений не более 10% показываемого значения.
5.9 Осциллограф (необязательный элемент)
Применение осциллографа не является обязательным, но он может быть использован для контроля формы сигнала ускорения или тока в подвижной катушке электродинамического вибростенда.
5.10 Оборудование для кондиционирования воздуха
Данное оборудование должно поддерживать условия окружающей среды в соответствии с требованиями раздела 6.
6 Условия окружающей среды
Калибровку проводят при следующих условиях окружающей среды:
a) комнатная температура (23±3) °C;
b) относительная влажность не более 75%.
7 Предпочтительные значения опорных ускорений и частот
Предпочтительные значения амплитуд ускорений и частот, на которых проводят калибровку, выбирают из следующих рядов:
c) частоты выбирают из стандартизованного ряда частот для третьоктавных полос по ИСО 266 в диапазоне от 40 Гц до 5 кГц;
d) опорная частота: 160 Гц.
Калибровки, выполняемые при больших ускорениях, могут иметь относительно большие неопределенности измерений из-за тепловых эффектов в подвижной катушке вибростенда.
8 Метод калибровки
8.1 Общие положения
При калибровке электромеханических преобразователей на основе принципа взаимности используют представление преобразователей в виде электромеханических четырехполюсников, у которых отношения электрических и механических величин связаны между собой. Метод предполагает использование трех преобразователей. Один из них является калибруемым акселерометром, другой используют как источник вибрации, третий - в качестве обратимого преобразователя, т.е. как источник и как приемник вибрации. В качестве обратимого преобразователя можно использовать преобразователи как электродинамического, так и пьезоэлектрического типа. Однако на практике при калибровке на основе принципа взаимности в качестве обратимого преобразователя гораздо чаще используют электродинамические преобразователи. В настоящем стандарте в качестве обратимого преобразователя используется катушка возбуждения электродинамического вибростенда, которую располагают в непосредственном контакте с калибруемым акселерометром.
Преобразователь, используемый как источник вибрации, может быть либо вспомогательным вибровозбудителем, механически соединенным с подвижным элементом, содержащим катушку возбуждения и калибруемый акселерометр, либо еще одной катушкой возбуждения, соединенной с тем же подвижным элементом. Если в качестве источника вибрации выбран преобразователь электродинамического типа, то следует принять меры, чтобы исключить взаимное влияние электродинамических преобразователей через создаваемые ими электромагнитные поля, снижающее точность калибровки. На рисунках 1 и 2 показаны примеры блок-схем испытательных установок, используемых для калибровки на основе принципа взаимности, где калибруемый акселерометр установлен внутри вибростенда вместе с его катушкой возбуждения, а в качестве дополнительного источника вибрации применен вспомогательный вибровозбудитель.
1 - генератор частоты; 2 - усилитель мощности; 3 - частотомер; 4 - измеритель отношения напряжений; 5 - осциллограф (необязательный элемент); 6 - согласующее устройство (усилитель заряда); 7 - измеритель коэффициента гармоник; 8 - вибростенд с катушкой возбуждения; 9 - калибруемый акселерометр; 10 - образцовый резистор; 11 - добавленный груз
1 - генератор частоты; 2 - усилитель мощности; 3 - частотомер; 4 - измеритель отношения напряжений; 5 - осциллограф (необязательный элемент); 6 - согласующее устройство (усилитель заряда); 7 - измеритель коэффициента гармоник; 8 - вибростенд с катушкой возбуждения; 9 - калибруемый акселерометр; 10 - вспомогательный вибровозбудитель
Калибровку проводят на опорной частоте 160 Гц при опорном значении амплитуды ускорения, а затем на других частотах и амплитудах калибровки. Результаты измерений должны быть выражены в виде модуля и/или фазового сдвига комплексного коэффициента преобразования. Для каждого сочетания частоты и амплитуды ускорения следует соблюдать условия ограничений на искажения формы сигнала, поперечные и угловые колебания стола, шум и помехи, чтобы удовлетворить требования по неопределенности измерений согласно разделу 3. Оборудование, не используемое при калибровке, должно быть отсоединено от измерительной цепи.
8.2 Измерения
Измерения проводят без добавленных грузов.
9 Расчет коэффициента преобразования
Теоретические основы расчета коэффициента преобразования на основе применения принципа взаимности изложены в приложении В.
Используя результаты измерений с добавленными грузами и без них, осуществляют подгонку выборочных значений функции
Модуль и фазовый сдвиг коэффициента преобразования акселерометра как функции частоты могут быть получены следующим образом.
где использованы те же обозначения, что в формулах (6) и (7).
Приложение А
(обязательное)
Расчет неопределенности измерений
А.1 Вычисление расширенных неопределенностей измерений модуля и фазового сдвига коэффициента преобразования для частот, амплитуд и настроек усилителя, при которых проводилась калибровка
Таблица А.1
|
|
|
Составляющая стандартной неопределенности  | Источник неопределенности | Вклад в неопределенность  |
 | Измерение частоты |  |
 | Изменение температуры преобразователя и эталонного акселерометра в процессе калибровки |  |
 | Влияние суммарного искажения на измерение выходного напряжения акселерометра |  |
 | Влияние поперечного и углового ускорений на измерение выходного напряжения акселерометра (коэффициент поперечного преобразования) |  |
 | Измерение массы |  |
 | Определение модуля комплексного отношения напряжения на выходе акселерометра к напряжению на выходе катушки возбуждения (велосиметра) |  |
 | Измерение сопротивления резистора при определении модуля комплексной проводимости |  |
 | Определение модуля комплексного отношения напряжений при измерении модуля комплексной проводимости |  |
 | Остаточные влияния на измерение модуля коэффициента преобразования (например, случайные помехи; выборочные стандартные отклонения среднего арифметического) |  |
Таблица А.2
|
|
|
Составляющая стандартной неопределенности | Источник неопределенности | Вклад в неопределенность |
 | Измерение частоты |  |
| Изменение температуры преобразователя в процессе калибровки |  |
| Влияние суммарного искажения на измерение фазы выходного напряжения акселерометра |  |
| Влияние поперечного и углового ускорений на измерение фазы выходного напряжения акселерометра (коэффициент поперечного преобразования) |  |
| Измерение массы |  |
 | Определение фазы комплексного отношения напряжения на выходе акселерометра к напряжению на выходе катушки возбуждения (велосиметра) |  |
| Измерение сопротивления резистора при определении фазы комплексной проводимости |  |
| Определение фазы комплексного отношения напряжений при измерении модуля комплексной проводимости |  |
| Остаточные влияния на измерение фазового сдвига коэффициента преобразования (например, случайные помехи; выборочные стандартные отклонения среднего арифметического) |  |
А.2 Вычисление расширенных неопределенностей измерений модуля и фазового сдвига коэффициента преобразования во всем диапазоне частот и амплитуд
Таблица А.3
|
|
|
Составляющая стандартной неопределенности | Источник неопределенности | Вклад в неопределенность |
 | Суммарная неопределенность модуля коэффициента преобразования для частот, амплитуд и настроек усилителя, при которых проводилась калибровка в соответствии с А.1.1 |  |
 | Отклонение коэффициента усиления от номинального при разных настройках усилителя |  |
 | Отклонение амплитудно-частотной характеристики усилителя от постоянного значения в диапазоне частот акселерометра |  |
 | Отклонение модуля коэффициента преобразования от постоянного значения в диапазоне частот акселерометра |  |
 | Нелинейность усилителя |  |
 | Нелинейность акселерометра |  |
 | Нестабильность во времени коэффициента усиления усилителя и выходного импеданса акселерометра |  |
 | Нестабильность во времени модуля коэффициента преобразования акселерометра |  |
 | Влияние изменения условий внешней среды на коэффициент усиления усилителя |  |
 | Влияние изменения условий внешней среды на модуль коэффициента преобразования акселерометра |  |
Таблица А.4
|
|
|
Составляющая стандартной неопределенности | Источник неопределенности | Вклад в неопределенность |
 | Суммарная неопределенность измерений фазового сдвига коэффициента преобразования для частот, амплитуд и настроек усилителя, при которых проводилась калибровка в соответствии с А.1.2 |  |
| Отклонение фазочастотной характеристики усилителя от номинальной при разных настройках усилителя |  |
| Отклонение фазочастотной характеристики усилителя от номинальной в диапазоне частот акселерометра |  |
| Отклонение фазового сдвига коэффициента преобразования от номинального в диапазоне частот акселерометра |  |
| Влияние амплитуды на фазочастотную характеристику усилителя |  |
| Влияние амплитуды на фазовый сдвиг коэффициента преобразования акселерометра |  |
| Нестабильность во времени фазочастотной характеристики усилителя и влияние на фазочастотную характеристику выходного импеданса акселерометра |  |
| Нестабильность во времени фазового сдвига коэффициента преобразования акселерометра |  |
| Влияние изменения условий внешней среды на фазочастотную характеристику усилителя |  |
| Влияние изменения условий внешней среды на фазовый сдвиг коэффициента преобразования акселерометра |  |
Приложение В
(справочное)
Применение принципа взаимности в калибровке электромеханических преобразователей
Применение принципа взаимности к калибровке электромеханических преобразователей исходит из предположения, что совершаемые ими преобразования являются линейными и что преобразователи совершают возвратно-поступательное движение с одной степенью свободы. При выполнении данных условий связь между электрическими и механическими параметрами на разных сторонах таких преобразователей, представленных в виде пассивных четырехполюсников с соответствующими импедансами, может быть описана формулами:
Из формул (В.7) и (В.8) можно получить формулы:
Формулы (В.11) и (В.12) позволяют вычислить коэффициенты преобразования каждого преобразователя. Например, если преобразователь 2 является велосиметром, то для него справедлива формула
а если акселерометром, то формула
где под знаком квадратного корня должен быть знак "плюс", если обратимый преобразователь электромагнитный, и "минус", если он пьезоэлектрический или электростатический.
Часто на практике при калибровке электромеханических преобразователей на основе принципа взаимности обратимый и калибруемый преобразователи разделены телом, обладающим некоторым механическим импедансом, и, кроме того, они разделены еще одним механическим импедансом поверхности, на которую устанавливают добавленные грузы. В этом случае целесообразно определять искомый коэффициент преобразования калибруемого акселерометра как отношение напряжения на разомкнутом выходе к скорости поверхности, на которую устанавливают добавленные грузы. Тогда после калибровки акселерометр может быть использован, будучи установленным на том же вибростенде в том же положении, в качестве эталонного преобразователя при калибровке методом сравнения других преобразователей, устанавливаемых на ту же поверхность, что и добавленные грузы. Можно показать (см. [8]) что, если обратимый преобразователь, используемый при калибровке на основе принципа взаимности, является преобразователем электродинамического типа, то соотношения между силой и скоростью на монтажной поверхности, электрическим напряжением и силой тока на электрической стороне обратимого преобразователя (преобразователь 1) и выходным напряжением при разомкнутой цепи велосиметра (преобразователь 2) выражаются формулами:
Подставляя значение силы из формулы (В.27) в формулу (В.19), можно получить формулу
На основе формул (В.22), (В.30) и (В.31) может быть вычислен комплексный коэффициент преобразования преобразователя 2 по формуле
Из формулы (В.24) следует формула
Приложение ДА
(справочное)
Сведения о соответствии ссылочных международных стандартов национальным стандартам Российской Федерации (и действующим в этом качестве межгосударственным стандартам)
Таблица ДА.1
|
|
|
Обозначение ссылочного международного стандарта | Степень соответствия | Обозначение и наименование соответствующего национального стандарта |
ИСО 16063-1:1998 | IDT | ГОСТ Р ИСО 16063-1-2009 Вибрация. Методы калибровки датчиков вибрации и удара. Часть 1. Общие положения |
ИСО 266:1997 | - | * |
* Соответствующий национальный стандарт отсутствует. До его утверждения рекомендуется использовать перевод на русский язык данного международного стандарта. Перевод данного международного стандарта находится в Федеральном информационном фонде технических регламентов и стандартов.
Примечание - В настоящей таблице использовано следующее условное обозначение степени соответствия стандартов:
- IDT - идентичные стандарты. | ||
Библиография
|
|
[1] | Bouche, R.R., Ensor, L.C. Use of reciprocity calibrated accelerometer standards for performing routine laboratory comparison calibration. Shock and Vibration Bulletin, 34 (4), 1965, pp.21-29 |
[2] | Cook, R.K. Absolute pressure calibration of microphones. Journal of Research of National Bureau of Standards, 25 (5), November 1940, pp.489-505 |
[3] | Dimoff, T. and Payne, B. Development and calibration of NBS vibration shaker AFV. National Bureau of Standards Internal Report 9670, Washington DC, January 1968 |
[4] | Harrison, M., Sykes, A.O. and Marcotte, P.G. The reciprocity calibration of piezoelectric accelerometers. David Taylor Model Basin Report 811, Washington DC, August 1953 |
[5] | Harrison, M., Sykes, A.O. and Marcotte, P.G. The reciprocity calibration of piezoelectric accelerometers. Journal of the Acoustical Society of America, 24 (4), July 1952, pp.384-389 |
[6] | Hunt, F.V. Electoacoustics: The analysis of transduction, and its historical background. American Institute of Physics for the Acoustical Society of America, Woodbury, NY, 1982 |
[7] | Levy, S. and Bouche, R.R. Calibration of vibration pickups by the reciprocity method. Journal of Research of the National Bureau of Standards, 57 (4), October 1956 |
[8] | London, A. The absolute calibration of vibration pickups. National Bureau of Standards Technical News Bulletin, 32 (1), January 1948, pp.8-10 |
[9] | Thompson, S.P. Reciprocity calibration of primary vibration standards. Naval Research Laboratory Report F-3337, Washington DC, August 1948 |
[10] | Thompson, S.P. Reciprocity calibration of primary vibration standards. Journal of the Acoustical Society of America, 20 (5), September 1948, pp.637-640 |
[11] | Trent, H.M. The absolute calibration of electromechanical pickups. Journal of Applied Mechanics, 15, 1948, pp.49-55 |
[12] | Payne, B. and Evans, D.J. Comparison of results of calibrating the magnitude of the sensitivity of accelerometers by laser interferometry and reciprocity. Metrologia, 36, 1999, pp.391-394 |
[13] | ISO/IEC Guide 98-3, Uncertainty of measurement - Part 3: Guide to the expression of uncertainty in measurement (GUM:1995) |