JJG632—19891動態力傳感器檢定規程本規程適用于新制造、使用中和修理后的壓電晶體力傳感器(以下簡稱傳感器)的檢定。應變式力傳感器的動態性能按照本規程的動態部分進行檢定。其他類型的電測式動態力傳感器可參照本規程進行檢定。注:(1)指壓向、拉向和拉壓向的動態力傳感器。(2)應變式力傳感器的靜態檢定按國家計量檢定規程“負荷傳感器”JJG391—1985(試行)中的規定進行。(3)對于不能靜態檢定的傳感器暫不包括在本規程中。1傳感器及其附件應穩固地放在盒(或箱)中,傳感器銘牌上應標明傳感器名稱、型號規格、編號、制造廠、出廠年月、量程和精度等。傳感器上應標明型號和編號。2傳感器的表面不應有影響技術性能的疵病,連接電纜及附件應齊全、完好。3基本技術指標3.1靜態技術指標:額定力值、最大力值、電荷靈敏度、直線度、滯后、重復性、絕緣電阻、剛度、穩定度、電容、靈敏閾、靈敏度溫度系數,工作溫度范圍等13項。注:對內裝放大器組件低阻輸出的傳感器,應將電荷靈敏度、絕緣電阻、電容相應改為電壓靈敏度、輸出阻抗和放電時間常數。3.2動態技術指標(分為時間域和頻率域指標)時間域:力的相對幅值準確度、自振頻率(包括傳感器的自振頻率和傳感器安裝后系統的自振頻率)、上升時間。頻率域:工作頻率范圍、工作頻率范圍內相對幅值準確度和共振頻率。注:上升時間—在階躍力作用下傳感器的響應第一次達到最終穩態值的10%到90%所需的時間;自振頻率—傳感器有阻尼的自由振蕩頻率;共振頻率—傳感器在動態力作用下幅值比達到峰值時的頻率。3.3生產廠一般應給出每個傳感器的各項靜態技術指標和自振頻率、上升時間共15項指標。計量部門一般應檢定以下10項指標:電荷靈敏度Sq、直線度L、滯后H、重復性R、絕緣電阻IΩ、穩定度Sb、靈敏度溫度系數Te、電容C自振頻率fr、上升時間tr。3.4由于檢定條件的限制,暫不能滿足以上要求時,生產廠至少應給出除穩定度Sb、靈敏度溫度系數Te和上升時間tr之外的12項指標。計量部門至少應給出電荷靈敏度Sq、直線度L、滯后H、重復性R、絕緣電阻IΩ、自振頻率fr等6項指標。3.5對使用中的傳感器,除以上規定應給出的各項技術指標外,還應根據具體條件和不同要求給出以下動態技術指標。時間域:力的相對幅值準確度EAt、或傳感器安裝后JJG632—19892系統的自振頻率fsr;頻率域:工作頻率范圍B、工作頻率范圍內相對幅值準確度EAf、共振頻率fo。4等級劃分表1靜態特性等級劃分項目一二三四L/(%FS)±0.3±0.5±1.0±2.0H/(%FS)R/(%FS)T·(%·℃-1)±0.03±0.03±0.06—Sb/(%·年-1)±0.6±1.0±2.0±3.0表2動態特性等級劃分項目一二三四EAt/(%)±2.0±3.0±5.0±10EAf/(%)±2.5±5.0±10±20注:對每個傳感器一般只給出EAt,或只給出EAf。5對新制造的傳感器產品按靜態特性劃分等級。對使用中的傳感器按靜態和動態特性分別劃分等級。6傳感器的絕緣電阻IΩ,對于靜態一、二級的傳感器不小于1013Ω;對于靜態三、四級的傳感器不小于1012Ω。7傳感器其他有關技術特性(如非軸向力的影響、加速度效應、過載特性等)應滿足相應技術文件(如國家標準、部頒標準、出廠說明書等)的要求。8環境條件JJG632—198938.1室溫(20±5)℃、相對濕度≤70%。8.2電源電壓220V(1+10%)。9安裝9.1傳感器的底面和安裝傳感器的支承面應清潔、平滑。動態性能檢定時,在安裝表面涂一薄層潤滑脂,有助于良好的接觸和提高接觸剛度。9.2動態性能檢定時,傳感器的安裝狀態應與使用時的相同或類似,一般用螺栓、雙端螺栓連接固定。根據不同情況和要求,也可采用粘膠等方法固定。9.3傳感器的軸線與所加作用力的軸線相重合。使傾斜、偏心力影響減到最小。靜態檢定時,傳感器上端應加承壓墊。10連接導線連接導線采用低噪聲屏蔽電纜,電纜的長度和類型應與使用時的相類似,盡量用傳感器廠配用的電纜。傳感器到電荷放大器的連接頭和電纜必須保持清潔、干燥。電纜的絕緣電阻不低于所接傳感器的相應指標。11檢定各個等級傳感器的靜態力標準機的有關技術指標,應優于被檢傳感器相應技術指標的3倍。12檢定各個等級傳感器的動態力標準裝置的誤差es不可忽略(參看附錄2)。評定準確度等級時,應將標準裝置的誤差估計到檢定結果中去。13動態性能檢定采用參考測量系統時,系統(包括安裝)的自振頻率至少為10/τs,或5/ts。其中τs、ts是校準信號的脈沖持續時間和上升時間。注:脈沖持續時間—沖擊脈沖從基準值上升到最大值,再下降到基準值所需的時間(脈沖最大值的10%為基準值)。14配用儀表和預熱14.1靜態性能檢定時,傳感器和電荷放大器作為整體,配套一起檢定。指示儀表的準確度指標應優于該“整體”相應指標的3倍。14.2參考測量系統中,配用的模數轉換器(A/D)的二進制位數不少于10bit,為保證測量精度,推薦采樣頻率不小于傳感器輸出最高頻率的20倍。14.3所用儀器應有良好的接地,用同一接地點。14.4預熱檢定前必須對傳感器和配用的儀表通電預熱,預熱時間應符合制造廠的規定。沒有明確規定的一般預熱不少于半小時。三檢定項目和檢定方法(一)首次靜態性能檢定15按照本規程第1、2條的要求進行外觀檢查。16按照本規程第6條的要求,使用外加電壓100V的高阻表或靜電計,測量傳感器端點間的絕緣電阻IΩ。417按以下程序檢定傳感器的受力特性17.1對照本規程“檢定條件”中的有關規定,檢查該檢定的條件是否與規定相符。17.2將傳感器放置到力標準機上,連接導線,調整電荷放大器和指示儀表的量程和零點,通電預熱。17.3預加載3次。每次加到額定力值,然后退回到零值。每次施加力值前,調好電荷放大器和指示儀表的零點。17.4通常以相同的增量施加遞增力值,直到額定值。所施加力值的級數應選5~10級(不包括零值),每加一級力值后保持一定時間,一般取5s,再讀取輸出值。然后以同樣的方法施加遞減力值和讀取輸出值,直到零值,讀取零輸出值。17.5重復本規程第17.4的步驟進行檢定,至少3次。每次開始施加遞增力值前,調好電荷放大器和指示儀表的零點。17.6按以下公式計算相應的技術指標額定輸出電荷靈敏度直線度滯后重復性式中:m—校準循環的次數;VnVnjnSqnL=×100〔%FS〕H=×100〔%FS〕R=×100〔%FS〕(1)(2)(3)(4)(5)Vnj—第j次(j=1,2,…,m)進程測量時額定力值的輸出讀數;G—電荷放大器被設定的衰減擋讀數,N/V;D—電荷放大器被設定的歸一化讀數,pC/N;Fn—額定力值;ΔVL—進程平均校準曲線與平均端點直線偏差的最大值;ΔVH—回程平均校準曲線與進程平均校準曲線偏差的最大值;ΔVR—進程重復校準時各級力值點輸出極差的最大值。18按以下程序檢定靈敏度溫度系數18.1對照本規程“檢定條件”中的有關規定,檢查該檢定的條件是否與其規定相符。18.2將傳感器放置在裝有恒溫箱的力標準機上,連接導線,調好電荷放大器和指示儀表的量程和零點,通電預熱。18.3預加載3次。每次加到額定力值,然后退回到零值。每次施加力值前,調好電荷JJG632—19895放大器和指示儀表的零點。18.4施加額定力值,待力值達到后保持5s,讀取輸出值。然后退回到零值,保持5s。讀取零輸出值。重復3次。每次施加力值前,調好電荷放大器和指示儀表的零點。18.5升高恒溫箱的溫度,溫度變化速率10℃/h~20℃/h,達到傳感器工作溫度范圍的上限,保持30min,重復18.3~18.4的步驟。注:在恒溫箱的溫度達不到上限溫度時,允許用低于上限的溫度進行檢定。18.6下降恒溫箱的溫度,溫度變化速率10℃/h~20℃/h,達到傳感器工作溫度范圍的下限,保持30min,重復18.3~18.4的步驟。注:在恒溫箱的溫度達不到下限溫度時,允許用高于下限的溫度進行檢定。18.7升高恒溫箱的溫度,溫度變化速率10℃/h~20℃/h,達到常溫,保持30min,重復18.3~18.4的步驟。18.8按以下公式計算靈敏度溫度系數Teh=×100〔%/℃〕(6)Tel=×100〔%/℃〕(7)式中:Th,T,Tl———檢定時的上限溫度,常溫,下限溫度;Sqh,Sq,Sql—檢定時與Th,T,Tl相應的傳感器電荷靈敏度。檢定結果處理時,取Teh和Tel中絕對值較大的作為靈敏度溫度系數Te。注:當由18.4和18.7計算所得的Sq不一致時,用這兩次結果分別計算,取絕對值較大的作為最后的傳感器靈敏度溫度系數。18.9同一生產廠,相同型號和相同規格的同一批傳感器,其靈敏度溫度系數允許抽檢。抽檢率為10%(不得少于3個),按其劣者確定該批傳感器的相應技術指標。(二)首次動態性能檢定19時間域的技術性能JJG632—1989619.1對安裝的傳感器系統,按使用要求的上升時間或脈沖持續時間進行力的幅值性能檢定。19.1.1傳感器的安裝應與使用時的相同或類似。19.1.2將使用中的傳感器及其測量系統作為整體進行檢定。19.1.3對照本規程“檢定條件”中的有關規定,檢查該檢定的條件是否與規定相符。19.1.4調好配用的放大器和記錄儀表的各個擋位。對于電荷放大器,其靈敏度設定為已知的傳感器靜態靈敏度。將儀器通電預熱。19.1.5施加遞增的動態力值,讀取(或打印)標準參考測量系統和被檢傳感器測量系統的輸出值及輸出波形的脈沖持續時間或上升時間。19.1.6施加的動態力值應覆蓋被檢傳感器的額定范圍或欲使用范圍。力值級數不得少于5級,在每一級動態力值附近至少做3次。19.1.7根據以下公式計算力的相對幅值準確度EAt:eAti=×100〔%〕(8)eAt=eAtimax(i=1,2, ,n)(9)EAt=±(es)2+(eAt)2(10)式中:eAti—第i點校準力值的相對幅值誤差;Fci—被檢傳感器測量系統第i點輸出所對應的力值;注:對應變式力傳感器取靜態平均端點直線上對應的力值。Fri—參考測量系統第i點輸出所對應的力值;eAt—被檢傳感器力的最大相對幅值誤差;n—校準點數;es—標準裝置的不確定度。19.2傳感器自振頻率fr和上升時間tr的檢定19.2.1對照本規程“檢定條件”的有關規定,檢查該檢定的條件是否與其規定相符。19.2.2對被檢傳感器施加脈沖函數或階躍函數的力信號,響應是阻尼衰減振蕩的瞬變過程,記錄(或儲存)響應信號,并讀取上升時間tr(施加階躍力時)。至少重復3次。19.2.3對記錄(或儲存)的阻尼衰減振蕩信號進行分析,將各階振蕩頻率分開(可用譜分析方法),具有較大幅值的最低振蕩頻率為傳感器自振頻率fr。19.2.4計算自振頻率標稱值frn與實測值fr的相對差值ef:ef=×100〔%〕(11)19.2.5同一生產廠,相同型號和相同規格的同一批傳感器的自振頻率允許抽檢,抽檢率為10%(不得少于5個)。按其劣者確定該批傳感器的相應技術指標。JJG632—1989719.3傳感器安裝后系統的自振頻率fsr的檢定19.3.1傳感器按使用要求安裝。19.3.2重復19.2.1條的步驟。19.3.3對被檢傳感器系統施加脈沖力值,記錄(或儲存)系統的衰減阻尼振蕩信號。19.3.4重復19.2.3條的步驟,用同樣的方法確定傳感器安裝后系統的自振頻率fsr。20頻率域的技術性能20.1用瞬態力信號源激勵20.1.1對被檢定的傳感器測量系統在與使用相同或類似的狀態下進行檢定。20.1.2對被檢傳感器及其測量系統作為整體進行檢定。20.1.3對照本規程“檢定條件”中的有關規定,檢查該檢定的條件是否與規定相符。20.1.4調好配用的放大器和記錄儀表各個擋位。對于電荷放大器靈敏度設定為已知的傳感器靜態靈敏度。將儀器通電預熱。20.1.5施加動態力值,對標準參考測量系統和被檢傳感器測量系統的輸出進行打印(或儲存)或實時處理。20.1.6施加動態力的級數一般應在被檢傳感器額定范圍或欲使用范圍內選定高、中、低3種力值,在每一級動態力值附近至少做3次。注:在選定高力值時須考慮校準中的過沖量不要超過額定力值。20.1.7將參考測量系統的信號作為輸入x(n)(n為采樣點數),被檢傳感器測量系統的信號作為輸出y(n)進行信號(或數據)處理,經快速傅立葉變換(FFT),計算頻率域的傳遞函數,計算公式如下H(k)==R(k)+jI(k)其中GXY(k)=X(k)*·Y(k)GXX(k)=X(k)*·X(k)而X(k)=x(n)e-(2jπnk/N)Y(k)=y(n)e-(2jπnk/N)k=0,1,…,N-1式中:GXY(k)—互功率譜;GXX(k)—自功率譜;X(k)—x(n)的傅立葉變換;X(k)*—X(k)的共軛復函數;Y(k)—y(n)的傅立葉變換;(12)(13)(14)(15)(16)JJG632—19898R(k),I(k)———H(k)的實部、虛部;k離散頻率點數。20.1.8按以下公式計算頻率域技術指標幅頻特性:A(k)=H(k)=〔R(k)〕2+〔I(k)〕2(17)相頻特性:Φ(k)=tan-1(18)由(17)式確定被檢傳感器測量系統的工作頻率范圍B和共振頻率fo。在工作頻率范圍B內相對幅值準確度EAf:eAf=-1×100%(19)EAf=±(es)2+(eAf)2(20)式中:eAf—在工作頻率范圍B內最大相對幅值誤差;A(0)—頻率等于零時的相對幅值;A(km)—在工作頻率范圍B內相對幅值誤差最大時的相對幅值;km—在工作頻率范圍B內具有最大相對幅值誤差的離散頻率點。20.2用正弦力信號源激勵20.2.1被檢傳感器及其測量系統與使用時相同或類似的狀態下進行檢定。20.2.2對照本規程“檢定條件”中的有關規定,檢查該檢定的條件是否與其規定相20.2.3在力值不變的情況下改變頻率,在要求的范圍內選取頻率校準點數不得少于7個點。每點重復3次。20.2.4檢定結果將各頻率點所測得的幅值與相應的參考量輸出幅值進行歸一化處理得到幅頻特性,由此確定被檢傳感器測量系統的工作頻率范圍B和共振頻率fo,由20.1.8中公式(19)、(20)計算工作頻率范圍B內相對幅值準確定EAf。(三)隨后檢定21傳感器(產品)進行隨后檢定時,按本規程中的15,16,17和19.2的項目和步驟進行。由檢定計算結果得到IΩ,L,H,R,Sq和fr。穩定度Sb按下式計算:Sb=×100〔%/年〕(21)式中:Sq1—上次檢定的傳感器電荷靈敏度;Sq2—本次檢定的傳感器電荷靈敏度。JJG632—1989922對使用中的傳感器除21條規定的檢定項目外,按19.1、19.3和20中的項目和步驟進行檢定。四檢定結果的處理和檢定周期23首次檢定結果23.1對新制造的傳感器,根據檢定結果確定等級,發給檢定證書,證書中一般給出Sq,L,H,R,IΩ,C,Te,fr,tr等9項技術指標。23.2對第一次使用的傳感器,根據靜態和動態性能檢定結果分別確定等級,發給檢定證書。證書中除23.1中規定的技術指標外,還應給出EAt(和eAt),或幅頻特性數據,B,fo,EAf(和eAf)。24隨后檢定結果24.1傳感器經隨后檢定所得到的Sq,L,H,R,IΩ,C,fr,tr,Sb同上一次檢定的Te,確定傳感器等級,發給證書。24.2對使用中的傳感器經隨后檢定,根據靜態和動態性能檢定結果分別確定等級,發給檢定證書。證書中除24.1規定的技術指標外,還應給出EAt(和eAt),或幅頻特性數據,B,fo,EAf(和eAf)。25檢定周期一般為1年。10(2)(2)標準裝置的激勵(輸入)信號(一)瞬變信號1鐘形脈沖信號(高斯函數)(1)f(t)=Ee-()2(1)a=0.3295如圖1所示。落錘式沖擊力裝置等可以產生沖擊脈沖信號。圖1鐘形脈沖信號2截平的斜變信號(?K?τtR(t)(?K?τt(0≤t<τ0)(t≥τ0)如圖2所示,液壓式快啟伐門裝置等可以產生截平的斜變信號。圖2截平的斜變信號113階躍信號(0≤t<t0)(t>t0)U(t-t0)(0≤t<t0)(t>t0)如圖3所示,激波管校準裝置可以產生階躍力信號。圖3階躍信號(二)正弦信號正弦信號的函數表達式:f(t)=Ksin(ωt+θ)式中,角頻率ω與周期T、頻率f滿足下列關系式:ω2πf如圖4所示,校準振動臺等可以生產正弦力信號。(3)(4)(5)圖4正弦信號12附錄2落錘式動態力標準裝置1裝置的組成落錘式動態力標準裝置可分為三部分:沖擊力源、標準參考測量系統和信號處理系統。檢定裝置框圖如下:圖5檢定裝置框圖2主要結構和原理落錘式沖擊力源盡量采用整體結構,剛性好。重錘質量均勻、集中,認為是剛體,從而保證沖擊力波形光滑、頻響較高。標準沖擊加速度計安裝在重錘上,被檢傳感器安裝在砧子上,如圖6所示。重錘自由下落作用在被檢傳感器上,此時標準參考測量系統和被檢傳感器測量系統同時、分別響應,將響應信號記錄(顯示、打印或儲存)和進行數據處理。該裝置經6年多的使用圖6結構簡圖13和比較試驗表明其性能穩定、可靠,精度不變。3主要技術指標量程幅值上升時間幅值不確定度500N~1MN≥0.3ms(10%~90%)±2.0%(誤差分析部分略)14附錄3單自由度二階線性系統力傳感器從理論上講屬單自由度二階線性系統,運動方程:(1)m+c0+k0x=f(t)(1)如圖7所示,上式可改寫為(2)++x=f)(2)圖7單自由度二階線性系統示意圖(3)(4)其中k0=mω(3)(4)ξ=c0式中:ωn—傳感器的固有頻率,也稱自然頻率,即無阻尼自由振蕩頻率;ξ阻尼比。傳遞函數: 1/k(5)H(jω)=1-2 1/k(5)H(jω)=其中幅頻特性:15相頻特性:(1-z2)(1-z2)2+4ξ2z2(6)Φ(ω)=arctan(7)式中:z。實際上力傳感器一般都是多自由度的,都不止一個共振頻率。但最重要的是最低的共振頻率,稱為主振頻率。如果主振頻率占支配地位,則在低于主振頻率的頻率范圍內,可近似地看作是單自由度二階線性系統。JJG632—198916附錄4壓電晶體力傳感器電容測試方法在室溫下要求在低激勵電壓、頻率800Hz~1000Hz時進行測試。一般用數字電容表測量傳感器端點間的電容。數字電容表的技術指標(以MI-303為例):激勵電壓:2.8V頻率:800Hz顯示:液晶3位溫度:0~40℃相對濕度:<80%測量精確度:<10%JJG632—198917附錄5壓電晶體力傳感器靈敏閾的測試方法傳感器的“靈敏閾”是按國家檢定規程“常用計量名詞術語及定義JJG1001—1982(試行)”中的規定,指引起儀表示值可察覺變化的被測量的最小變化值。設定傳感器和電荷放大器在小量程(50N,100N,…)時輸出最大,如10V?？蓪⒎糯笃鳉w一化擋調到10pC/N、衰減擋調到100mV/N。傳感器在有預負荷情況下進行微量加載,將0.1N,0.05N,0.02N或0.01N重的砝碼加在承壓面上(或從承壓面上卸下來),便可得到示值變化時相應被測量的最小變化。JJG632—19891819JJG632—198920附錄8傳感器動態技術送檢單位:制造廠:傳感器名稱增益CH1CH2序號落高/cm墊層mm/沖擊次數TC(CH1)靈敏度/V采樣時間/μs零點最大值最小值上升時間/ms磁帶數字量電壓