JJF1071-2000PAGE中華人民共和國國家計量技術規(guī)范JJF××─××××應變計動態(tài)特性校準規(guī)范（征求意見稿）DynamicCalibrationSpecificationofStrainGauges××××-××-××發(fā)布××××-××-××實施國家市場監(jiān)督管理總局發(fā)布JJF××××─××××應變計動態(tài)特性校準規(guī)范DynamicCalibrationSpecification應變計動態(tài)特性校準規(guī)范DynamicCalibrationSpecificationofStrainGaugesJJF××─××××本規(guī)范經(jīng)國家市場監(jiān)督總局于××××年××月××日批準，并自××××年××月××日起施行。刪除刪除歸口單位：全國振動沖擊轉速計量技術委員會主要起草單位：XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX參加起草單位：XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX本規(guī)范由全國振動沖擊與轉速計量技術委員會負責解釋JJF××××─××××本規(guī)范主要起草人：XXXX（XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX）XXXX（XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX）XXXX（XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX）參加起草人：增加一個大學或者相關的權威單位增加一個大學或者相關的權威單位XXXX（XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX）XXXX（XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX）XXXX（XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX）JJF××××─××××PAGE13目錄TOC\o"1-2"\h\u引言 II1范圍 12引用文件 13術語和計量單位 14概述 15計量特性 16校準條件 16.1環(huán)境條件 26.2測量標準及其他設備 27校準項目和校準方法 37.1校準項目 37.2校準方法 38校準結果表達 89復校時間間隔 9附錄A應變計動態(tài)幅值靈敏系數(shù)測量不確定度評估 10附錄B應變計工作直線的計算 15附錄C應變計動態(tài)特性校準記錄格式 17附錄D應變計動態(tài)特性校準結果 20

引言本校準規(guī)范依據(jù)JJF1071-2010《國家計量校準規(guī)范編寫規(guī)則》、JJF1001《通用計量術語及定義》和JJF1059《測量不確定度評定與表示》給出的規(guī)則和格式編制。本規(guī)范主要技術指標和校準方法參照了GB/T13992-2010《金屬粘貼式電阻應變計》、JJF1370-2012《正弦法力傳感器動態(tài)特性校準規(guī)范》。本校準規(guī)范為首次制定。應變計動態(tài)特性校準規(guī)范1范圍本規(guī)范適用于應變測量范圍在（50～1000）μm/m，響應頻率范圍在（20Hz～1000Hz）應變計動態(tài)特性校準。包括金屬應變計、光纖光柵應變計等，其它類型應變計可參照執(zhí)行。2引用文件本規(guī)程引用了下列文件：JJF1370-2012正弦法力傳感器動態(tài)特性校準規(guī)范GB/T13992—2010金屬粘貼式電阻應變計JJF1059.1—2012測量不確定度評定與表示凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本規(guī)程；凡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)程。3術語和計量單位3.1金屬粘貼式電阻應變計metallicbondedresistancestraingauge用金屬電阻體作為敏感柵，用粘接劑固定在試件上的電阻應變計。3.2光纖光柵應變計bondedfiberbragggratingstraingauge用光纖光柵作為敏感元件，用粘接劑固定在試件上的光纖應變計。3.3動態(tài)幅值靈敏系數(shù)dynamicamplitudegaugefactor將應變計固定在共振梁或者激振梁上，對梁施加給定頻率的正弦載荷激勵，被校應變計的指示輸出幅值與施加的正弦載荷應變幅值之比為動態(tài)幅值靈敏系數(shù)。對于金屬粘貼式電阻應變計，通過測試儀表的輸出指示幅值為，動態(tài)幅值靈敏系數(shù)是量綱為一的量，單位為1；對于光纖光柵應變計，動態(tài)幅值靈敏系數(shù)的單位用皮米每微應變（pm/（μm/m））表示。4概述常見的應變計有金屬粘貼式電阻應變計、光纖光柵應變計和其它形式應變計。金屬粘貼式電阻應變計和光纖光柵應變計輸出變化分別基于敏感柵的電阻值變化（）和光柵反射中心波長的變化（）。金屬粘貼式電阻應變計敏感層主要由金屬箔蝕刻或金屬絲繞制而成；基底一般由高分子材料或陶瓷材料組成，用于應力應變傳遞和絕緣；密封層與基底材料相同，主要對敏感層進行保護封裝；引線材用裸線或絕緣金屬導線。其工作原理是基于金屬導體的應變效應，金屬導體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其長度、截面尺寸發(fā)生變化，電阻值隨之變化，即金屬導體的電阻隨機械變形的變化而發(fā)生變化，用電阻相對變化表征機械變形產(chǎn)生的應變。光纖光柵應變計敏感層采用在光纖中制作光柵形成；基底一般由高分子材料或金屬材料組成，用于應力應變傳遞；密封層根據(jù)需要進行設置；引出線一般采用光纖進行連接。其工作原理是基于光纖光柵的反射中心波長的應變效應，光纖在外力作用下發(fā)生機械變形，光纖長度、截面尺寸發(fā)生變化，光纖光柵的反射中心波長隨之變化，反射中心波長隨機械變形的變化而發(fā)生變化，用光纖光柵反射中心波長的變化表征機械變形產(chǎn)生的應變。5計量特性應變計主要性能校準的典型波形是具有已知函數(shù)關系的正弦波。其典型計量特性為：動態(tài)幅值靈敏系數(shù)和線性度。6校準條件6.1環(huán)境條件環(huán)境溫度：20℃±5℃；相對濕度：≤75%；大氣壓力：86~106kPa；供電電源：電壓(22010)V，頻率(501)Hz；其他條件：裝置及其周圍環(huán)境應無明顯影響校準結果的振動和沖擊源，無強電場、強磁場或其他干擾源干擾。激光測振儀及其他測量用設備的地基與振動臺地基分開，以減少振動臺及環(huán)境振動對測量的干擾。6.2測量標準及其他設備6.2.1振動臺主要技術指標：頻率范圍：20Hz~1000Hz；加速度諧波失真度≤10%；橫向運動與縱向運動的加速度幅值之比≤10%；加速度幅值穩(wěn)定性≤25%；頻率最大允許誤差≤0.1%正弦信號諧波失真度≤10%；隨機自閉環(huán)加速度功率譜控制動態(tài)范圍：39～41dB。6.2.2激光測振儀采用激光干涉儀測量上表面的加速度值，激光干涉儀測量加速度的誤差≤±0.5%。激光干涉儀的地基應與振動臺地基分開，以減少振動臺及環(huán)境振動對測量的干擾。6.2.3共振梁、激振梁及其連接機構將共振梁或者激振梁通過連接機構、工裝等與振動臺緊密牢固連接連接。常用激振梁使用彈簧鋼材料，為矩形等截面梁。其典型值如表1所示。表1激振梁尺寸（推薦）梁寬（m）梁厚(m)梁長(m)0.0150.0050.155常用共振梁使用彈簧鋼材料，為矩形等截面梁。其典型值如表2所示。表2共振梁尺寸（推薦）梁寬（m）梁厚(m)梁長(m)固有頻率（參考值）(Hz)0.0150.0020.142800.0150.0040.1421600.0150.0050.1133200.0150.00750.114800.0150.0120.118000.030.0150.111000注：以上僅為推薦點，可根據(jù)實際狀況調(diào)整參數(shù)。其他頻點需要另行設計。6.2.4數(shù)據(jù)采集、分析系統(tǒng)主要技術指標：動態(tài)信號分析儀A級采樣率不低于10kHz；A/D位數(shù)不低于12位；通道數(shù)不低于2或的關系，選擇一個。光纖的儀表的采樣率能否滿足？FP和光纖光柵或的關系，選擇一個光纖的儀表的采樣率能否滿足？FP和光纖光柵7校準項目和校準方法7.1校準項目表3校準項目表序號校準項目1動態(tài)幅值靈敏系數(shù)2線性度7.2校準方法7.2.1外觀及附件檢查應變計銘牌應完整、清晰，具有出廠編號、型號規(guī)格等信息。配套零部件應完好無損，被校應變計應配有連接線纜及必要的附件，還應具有安裝尺寸及安裝要求、應用環(huán)境條件等信息的說明書或其他技術資料。在檢查過程中，嚴禁用力拉扯應變計引出線，電阻應變計絕緣電阻、標定電阻值應符合規(guī)定的要求，光纖光柵應變計初始中心波長應符合規(guī)定的要求。在標準照明條件下進行外觀檢查，不應出現(xiàn)下列現(xiàn)象：a）絲柵表面或焊接端上有明顯褶皺等損傷痕跡；b）基底上有氣泡或裂紋；c）基底缺角；d）基底變形、翹曲大于0.5mm；e）裁剪后標記不完全。7.2.2主要計量特性校準7.2.1.1激振梁式動態(tài)應變校準激振梁動態(tài)應變校準中主要使用振動激勵器、懸臂梁、激光測振儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、連接機構等。圖1激振梁應變校準系統(tǒng)示意圖將懸臂梁一端固定，另一端通過連接機構安裝在振動激勵器上構成動態(tài)應變激勵系統(tǒng)，激光測振儀安裝在微位移機構上作為基準測量系統(tǒng)測量垂直方向的振動，被檢應變計與應變解調(diào)儀連接作為被檢動態(tài)應變測量系統(tǒng)。利用振動激勵源驅(qū)動柔性桿件帶動懸臂梁運動，在懸臂梁上產(chǎn)生動態(tài)應變。調(diào)節(jié)激勵源的激勵信號頻率和幅值，產(chǎn)生不同頻率和幅值的動態(tài)應變。對于矩形等截面懸臂梁，梁上各點應變隨時間變化的關系為：（1）式中：εs(xs，t)——懸臂梁位移xs處的應變，μm/m;t——時間，s;Ls——為懸臂梁的長度，m；xs——為懸臂梁上表面應變計粘貼中心距懸臂梁固定端的長度，m；hs——為懸臂梁的厚度的一半，m；(t)——為懸臂梁自由端的撓度隨時間的變化，m。上述懸臂梁的特征參數(shù)Ls、xs、hs由幾何量測量直接獲得，懸臂梁在自由端某點的撓度隨時間的變化(t)由激光測振儀直接測量得到。被檢應變計安裝在激振梁的標定點，應變解調(diào)儀對應變計信號進行解調(diào)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步采集激光測振儀和應變解調(diào)儀的輸出信號，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)比較標準應變值和被檢應變測量系統(tǒng)的輸出，實現(xiàn)對應變計的動態(tài)校準。7.2.1.2共振梁式動態(tài)應變校準共振梁動態(tài)應變校準中主要使用振動激勵器、共振梁、差分式激光測振儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等。圖2共振梁應變校準系統(tǒng)示意圖共振梁安裝在振動激勵器上，安裝點在共振梁中心位置，構成動態(tài)應變產(chǎn)生系統(tǒng)，激光測振儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)作為標準動態(tài)應變測量系統(tǒng)；反光微珠粘貼在共振梁上表面端部；激光測振儀發(fā)出的兩束測量激光照射到反光微珠上，反射光被激光測振儀接收，從而測量共振梁最外端相對于共振梁中心的相對位移；被檢應變計安裝在共振梁上表面，將被檢應變計所在區(qū)域的標準應變與被檢應變計測量到的應變進行比較，實現(xiàn)動態(tài)應變校準。針對矩形等截面梁，其一階振型曲線按照公式（2）計算。（2）式中：——共振梁上任意點xr處的振幅，m；A——為幅值系數(shù)，無量綱；——為共振系數(shù)，按照公式（3）計算，無量綱；xr——為共振梁表面的橫坐標，m；（3）式中：Lr——為共振梁的長度，m；在一階共振狀態(tài)下，激光測振儀在xm處測量的應變梁振動幅值為Ymax。則根據(jù)共振理論，按公式（4）確定參數(shù)A。（4）式中：A——幅值系數(shù)，無量綱；Ymax——激光測振儀在共振梁xm處測量的應變梁振動幅值，m;xm——激光測振儀在共振梁上測量位置的坐標，m。將振型曲線（2）換算為應變曲線，則共振梁應變計安裝點的標準應變?yōu)椋海?）式中：??——共振梁振動的初始相位，rad。被檢應變計安裝在共振梁的校準位置處，應變解調(diào)儀對應變計信號進行解調(diào)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步采集激光測振儀和應變解調(diào)儀的輸出信號，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)比較標準應變值和被檢應變測量系統(tǒng)的輸出，實現(xiàn)對應變計的動態(tài)校準。7.2.3校準前的準備校準定前按以下步驟進行準備工作：a) 被校應變計在校準試驗環(huán)境下放置時間應在2h以上，使其溫度與校準條件的溫度平衡；b) 按照粘接劑說明書要求對應變計粘接、固化等，記錄粘接劑的種類，固化處理和穩(wěn)定化處理的過程。傳感器的粘貼安裝嚴格按照廠家或者用戶提供的安裝粘貼規(guī)定進行。c)對于應變計，必要時記錄粘貼前后的絕緣狀態(tài)；d)記錄應變計粘貼前后的初始值。對于金屬粘貼式電阻應變計式是電阻值，對于光纖光柵應變計是初始中心波長值；e)按照說明書要求接連動應變標準系統(tǒng)和被檢應變計的導線，打開儀器電源，通電預熱30min。7.2.4校準點的選取a)校準頻率點一般在（20～1000）Hz選擇一個頻率點，或根據(jù)用戶要求確定。b)校準應變值一般在應變計量程（50～1000）μm/m之間至少選5個點。7.2.5應變計在激振梁或共振梁上的安裝將已粘貼好被檢應變計的激振梁和柔性桿、固定臺面依次連接至振動臺上。各安裝面之間應配合良好，且有足夠的預緊力，以保證在校準過程中振動臺、柔性桿、激振梁、應變計之間應變值的正確傳遞。7.2.6校準步驟7.2.6.1頻率在20Hz～80Hz之間的激振梁式動應變校準系統(tǒng)按以下步驟校準：調(diào)整儀器設備，使其處于規(guī)定的工作狀態(tài)；按圖1示意圖要求連接已粘貼應變計激振梁、柔性桿、振動臺，調(diào)整激光干涉測量系統(tǒng)，使其測量點位于激振梁最外端的正上方；啟動振動振動臺激勵器，設定振動激勵器激振頻率和激振幅值；調(diào)節(jié)激光測振儀測量懸臂梁上表面的最外側處，獲取懸臂梁上表面測量點在垂直方向的位移數(shù)；激光測振儀輸出的與位移相關的電壓信號由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集，同時，被檢應變計輸出信號經(jīng)應變解調(diào)儀解調(diào)后由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行同步采集激光測振儀的讀數(shù)和應變計讀數(shù)，由數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進行處理，實現(xiàn)對該頻率點應變計的動態(tài)校準；重復上述的c)～d）過程，依次完成不同頻率點的校準；選取特定頻率點，調(diào)節(jié)振動激勵器產(chǎn)生不同幅值的振動，重復上述的c)～e）過程，完成固定頻率點不同應變幅值的校準；測量結束后，逐漸將振動臺功率放大器增益調(diào)至最低。7.2.6.2頻率在80Hz～1000Hz之間的共振梁式動應變校準系統(tǒng)按以下步驟校準：a)調(diào)整儀器設備，使其處于規(guī)定的工作狀態(tài);b)按圖2示意圖要求在振動臺臺面上安裝已粘貼應變計共振梁，調(diào)整激光干涉測量系統(tǒng)，使其測量點位于共振梁最外端的正上方；c)將振動臺功率放大器的增益調(diào)至最低后開啟其電源，調(diào)整振動臺功率放大器的增益至最佳工作范圍。調(diào)整控制器輸出為固定值，調(diào)節(jié)振動激勵器的振動頻率f，觀察激光測振儀的輸出峰峰值為最大時，則其振動頻率f為共振梁的一階固有頻率f1；d)在共振梁的一階固有頻率下，調(diào)整振動臺功率放大器的增益，增大振動加速度直至第一個校準應變點處，待振動臺工作穩(wěn)定后，同步采集激光測振儀的讀數(shù)和應變計的讀數(shù)，每次對測量數(shù)據(jù)的采集時間不少于20個周期；e)重復上述的d）過程，依次完成不同應變點的校準；f)測量結束后，逐漸將振動臺功率放大器增益調(diào)至最低；g)如需更換共振梁，則卸除原共振梁，選定另一共振梁，按圖2示意圖要求進行安裝，按7.2.6.2a)～f)的方法完成校準。7.2.7應變計校準數(shù)據(jù)處理7.2.7.1動態(tài)幅值靈敏系數(shù)被檢應變計的動態(tài)幅值靈敏系數(shù)為工作直線的斜率。本規(guī)程規(guī)定采用最小二乘直線作為應變計的工作直線。動態(tài)應變計的工作直線采用最小二乘直線的方程（見附錄A），按照公式（6）計算。(6)式中：——最小二乘直線的y值，代表應變計的最小二乘直線輸出，pm或μm/m；——截距，pm或μm/m；K——應變計的動態(tài)幅值靈敏系數(shù)，pm/（μm/m）或量綱為1；——測量下限標準正弦應變，μm/m；——校準點的標準正弦應變，μm/m。7.2.7.2線性度計算各校準點示值的算術平均值與選定工作直線（見附錄B）的差值，按照公式（7）計算。(7)應變計的線性度按照公式（8）計算。(8)式中：L——應變計的線性度，無量綱；——差值中絕對值的最大值，pm或量綱為1；——應變計的滿量程，pm或者量綱為1。8校準結果表達校準結束后出具校準證書。校準證書應準確、客觀的報告校準結果，校準結果以校準數(shù)據(jù)、校準曲線等形式給出。校準證書應包含委托方的要求、說明校準結果所必需的和所用方法要求的全部信息。9復校時間間隔應變計動態(tài)特性的復校時間間隔一般為1年。由于復校時間間隔的長短是由儀器的使用情況、使用者、儀器本身質(zhì)量等因素決定的，因此，送校單位可根據(jù)實際使用情況自主決定復校時間間隔。

附錄A應變計動態(tài)幅值靈敏系數(shù)測量不確定度評估應變計的應變幅值是動態(tài)校準的主要校準結果，需對其相應的測量不確定度進行評價。電阻應變計和光纖光柵應變計的應變幅值的校準方法和測量結果不確定度的評價方法都是相似的，以下針對光纖光柵應變計應變幅值的測量不確定度（1000Hz）評價過程進行舉例說明。影響應變幅值的測量不確定度有下面這些因素：重復測量引入標準不確定度差分式激光測振儀引入不確定度分量撓度測量點引入不確定度分量共振梁加工誤差引入不確定度分量被檢應變計位置引入不確定度分量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)引入不確定度分量A.1測量模型以光纖光柵應變計在共振梁式動應變校準系統(tǒng)上為例，被檢應變計的幅值靈敏系數(shù)測量模型為：(A.1)式中：——被檢應變計的幅值靈敏系數(shù)；Y——被檢應變計實際輸出；——被檢應變計處的標準軸向機械應變。不確定度傳播率由于被檢應變計輸出和標準應變值互不相關，根據(jù)不確定度的傳播定律，應變計的幅值靈敏系數(shù)不確定度為：（A.2）應變計的幅值靈敏系數(shù)的相對標準不確定度為： (A.3)式中，傳播系數(shù)：C1=1,C2=-1。A.2不確定度來源2.1重復測量引入標準不確定度1000Hz振動頻率下，通過對FBG光纖應變計n次測量，分別得到、i，采用貝塞爾公式計算不確定度的A類評定如下：(A.4)表1重復性引入的測量不確定度應變（μm/m）第1次（pm）第2次（pm）第3次（pm）第4次（pm）第5次（pm）第6次（pm）相對標準不確定度（%）198197.4197.5196.6198.2197.5198.30.31396394.7394.6395.6397.0396.6397.80.33593590.9591.4591.9595.0595.9595.00.37812814.5812.8806.5808.3813.3813.50.4010101008.11012.51009.61006.31011.91010.50.23最大值在812μm/m附近，不確定度類型：A類概率分布：正態(tài)分布2.2差分式激光干涉儀引入的應變幅值測量不確定度分量應變溯源公式(5)的幅值系數(shù)A由激光干涉儀的測量值確定，幅值系數(shù)A的測量不確定度將導致應變溯源結果的不確定度，其不確定度的傳遞系數(shù)為：(A.5)據(jù)公式（4）可知，幅值系數(shù)的不確定度滿足：(A.6)其中振動系數(shù)β=16.59。由式(8)可知，幅值系數(shù)不確定度與激光干涉儀測量不確定度間存在比例關系。因此選擇應變梁振動幅值最大的端點處作為幅值測量點。此時，代入式(A.6)可得：(A.7)由差分式激光干涉儀的檢定證書，干涉儀測量范圍內(nèi)增益相對誤差為-0.5%，服從均勻分布，其標準測量不確定度為：2.3撓度測量點引入的應變幅值測量不確定度撓度測量點的位置導致應變溯源結果的誤差，其不確定度的傳遞系數(shù)為：(A.8)撓度測定點的位置為108mm，撓度測定點的誤差±0.5mm,由此帶來的幅值誤差最大為0.8%，服從均勻分布，其標準測量不確定度為：2.4共振梁加工制造尺寸引入的幅值測量不確定度溯源公式(5)中的h表示應變梁中性面到表面的距離，對于等截面矩形梁，其大小等于梁厚度的1/2。在應變梁的加工過程中，梁的尺寸精度受制于加工精度的限制，與理想值存在偏差。梁厚度h的不確定度將導致應變溯源的不確定度，不確定度的傳遞系數(shù)為：(A.9)共振梁的厚度和長度加工誤差0.02mm，計算得出尺寸帶來的幅值誤差最大為0.17%,，它們服從均勻分布，其標準測量不確定度為：2.5被檢應變計位置引入的不確定度分量應變溯源公式(5)中的橫坐標由被校準應變計的位置確定，橫坐標的測量不確定度，將導致應變溯源結果的不確定度，不確定度的傳遞系數(shù)為：(A.10)被檢應變計的位置為15mm，根據(jù)計算得出安裝帶來的幅值誤差最大為±1.4%，服從均勻分布，其標準測量不確定度為：2.6數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電壓幅值測量不確定度由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)證書，在（20~50000）Hz范圍內(nèi)，電壓幅值測量最大允許誤差為0.2%，服從均勻分布，其標準測量不確定度為：A.3合成相對標準不確定度3.1主要標準不確定度匯總表表2主要標準不確定度匯總表符號來源類型概率分布包含因子測量重復性A正態(tài)分布1激光干涉儀B均勻分布撓度測量點B均勻分布共振梁尺寸B均勻分布被檢應變計位置B均勻分布數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)B均勻分布3.2合成相對標準不確定度計算以上各項標準不確定度分量是互不相關的，所以合成標準不確定度為(A.11)A.4擴展不確定度計算取包含因子，則擴展不確定度附錄B應變計工作直線的計算B.1最小二乘直線計算應變計工作直線采用最小二乘直線的方程，最小二乘直線方程按照公式（B.1）計算。