GB/T 20485.41-2015 振动与冲击传感器校准方法 第41部分：激光测振仪校准

ICS17.160

N71

中华人民共和国国家标准

/—/:

GBT20485.412015ISO16063-412011

振动与冲击传感器校准方法

:

第部分激光测振仪校准

41

国家标准ㅤ可打印ㅤ可复制ㅤ无水印ㅤ高清原版ㅤ去除空白页

—

Methodsforthecalibrationofvibrationandshocktransducers

:

Part41Calibrationoflaservibrometers

(:,)

ISO16063-412011IDT

2015-12-10发布2016-07-01实施

中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局

发布

中国国家标准化管理委员会

/—/:

GBT20485.412015ISO16063-412011

目次

前言…………………………Ⅰ

1范围………………………1

2规范性引用文件…………………………1

3激光测振仪的分类及测试原理…………2

4测量不确定度……………3

5仪器要求与其他条件……………………5

6优选幅值和频率…………………………11

(、、)的通用程序……………………

7绝对法校准方法1方法2方法312

()……………………

8条纹计数法方法112

()………………………

9最小点法方法213

[()()]……………………

10正弦逼近法方法3零差式和方法3外差式14

()…………

11参考传感器比较法方法416

12校准结果报告…………………………16

()……

附录A规范性附录激光干涉振动与冲击传感器绝对法校准的不确定度分量27

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()……………

附录资料性附录基于激光多普勒速度测量学的方法的三种方式

B331

()……

附录C资料性附录激光测振仪校准的测量不确定度计算示例34

()…………

附录D资料性附录激光测振仪的相移校准36

参考文献……………………37

/—/:

GBT20485.412015ISO16063-412011

前言

/《》:

GBT20485振动与冲击传感器校准方法主要由以下几大类组成

———:;

第类基本概念

1

———:(、);

第类绝对法校准如激光干涉法振动绝对校准激光干涉法冲击绝对校准等

2

———:(、);

第类比较法校准如振动比较法校准冲击比较法校准等

3

———:(、、、);

第类环境模拟校准如磁灵敏度声灵敏度基座应变灵敏度横向振动灵敏度等

4

———:。

第类其他

5

本部分是/第类中的第部分。

GBT2048541

本部分按照/—给出的规则起草。

GBT1.12009

:《:

本部分使用翻译法等同采用振动与冲击传感器校准方法第部分激光测

ISO16063-41201141

振仪校准》。

与本部分中规范性引用的国际文件有一致性对应关系的我国文件如下:

———/—:

振动与冲击传感器校准方法第部分振动比较法校准

GBT20485.21200721

(:,)。

ISO16063-212003IDT

国家标准ㅤ可打印ㅤ可复制ㅤ无水印ㅤ高清原版ㅤ去除空白页

Ⅰ

/—/:

GBT20485.412015ISO16063-412011

振动与冲击传感器校准方法

:

第部分激光测振仪校准

41

1范围

/的本部分规定了通常在频率范围内对直线运动激光测振仪进行绝对

GBT204850.4Hz~50kHz

。

法和比较法校准所用的仪器和程序本部分不仅规定了在认可或非认可校准实验室对激光测振仪或机

,

械振动传感器进行校准所需的标准激光测振仪而且明确了使用标准激光测振仪对激光测振仪进行绝

,。

对校准或者使用经激光干涉法校准过的参考传感器对激光测振仪进行比较校准的方法和程序

(),()

若将激光测振仪设计成检测直线运动量位移或速度并将其转化为一定比例即时域相关电信

,,。

号输出的激光光学传感器不论它们是否含有指示仪表均可按照本部分进行校准标准激光测振仪通

,。,

常输出数字信号激光测振仪通常输出模拟信号激光测振仪的输出信号或读数可以是振幅有时也包

()。()。

含运动量包括加速度的相移本部分明确规定了复灵敏度模的校准相位校准见附录D

:、。,

注激光测振仪能够测量频率范围在兆赫兹级吉赫兹级的振动到目前为止还没有振动发生设备能产生这样高

。,,

的频率在满足如下前提的条件下这一类激光测振仪的校准可以用电校准信号处理子系统的方法来评估信

号处理子系统输入相应的合成多普勒信号:

———被校激光测振仪的光学子系统满足5.5.3给出的要求;

国家标准ㅤ可打印ㅤ可复制ㅤ无水印ㅤ高清原版ㅤ去除空白页

———合成多普勒信号等效替代光电探测器的输出信号。

([])。

该方法见参考文献25更详细的说明不属于本部分内容

2规范性引用文件

。,

下列文件对于本文件的应用是必不可少的凡是注日期的引用文件仅注日期的版本适用于本文

。,()。

件凡是不注日期的引用文件其最新版本包括所有的修改单适用于本文件

/—:(:,

振动与冲击传感器校准方法第部分基本概念

GBT20485.120081ISO16063-11998

IDT)

/—:

振动与冲击传感器校准方法第部分激光干涉法振动绝对校准

GBT20485.11200611

(:,)

ISO16063-111999IDT

:(

振动与冲击传感器的校准方法第部分振动比较法校准

ISO16063-2121Methodsforthecal-

—:

ibrationofvibrationandshocktransducersPart21Vibrationcalibrationbcomarisontoa

yp

)

referencetransducer

声学优选频率(—)

ISO266AcousticsPreferredfreuencies

q

机械振动与冲击加速度计的机械安装(—

ISO5348MechanicalvibrationandshockMechanical

)

mountinofaccelerometers

g

/指南国际计量学词汇基本和通用概念及相关术语[,

ISOIEC99Guide99Internationalvocab-

—()]

ularofmetroloBasicandeneralconcetsandassociatedtermsVIM

ygygp

1

/—/:

GBT20485.412015ISO16063-412011

3激光测振仪的分类及测试原理

3.1激光测振仪的分类

标准激光测振仪()

3.1.1LVS

,/。

包含一台激光干涉仪用于校准激光测振仪和或振动传感器的参考标准

:、、。

注方法1方法2方法适用于标准激光测振仪的绝对法校准

3

激光测振仪()

3.1.2LV

,。

包含一台激光干涉仪用于振动测量的仪器

:、、,。

注方法1方法2方法适用于激光测振仪的绝对法校准方法适用于激光测振仪的比较法校准方法所用

344

、,。

参考加速度计由方法方法或方法完成校准见

1235.11

3.1.3激光光学传感器

(),。

通过激光测量运动量位移或速度的大小并将其转化为一定比例时域信号的测量传感器

3.2测试原理

3.2.1概述

/()(),

参照GBT20485.11激光干涉法振动绝对校准和ISO16063-21振动比较法校准列出了四种

。、、,

方法方法方法和方法提供了在不同频率下对优选的位移速度和加速度的幅值校准而方法

1342

国家标准ㅤ可打印ㅤ可复制ㅤ无水印ㅤ高清原版ㅤ去除空白页

,。

则需要在固定的位移幅值下校准速度和加速度幅值则随频率变化

/(),

在GBT20485描述的使用干涉测量的每种方法见3.2.2~3.2.4中给出了明确的频率测量范

。,,

围实际上这些方法的适用性主要取决于在给定的测量不确定度的情况下位移和速度幅值的可测量

。,,。

性而且其不仅取决于测量方法本身还取决于振动发生设备可实现的频率特性使用适当的振动发

,。方法

生设备来产生足够的位移或者速度幅值四种方法测量频率上限均可达到或者超过100kHz3

(,)(,)可应用于低于频率下的校准。

绝对法见3.2.4和方法4比较法见3.2.50.4Hz

:

3.2.2方法1条纹计数法

()

使用单输出的零差干涉仪见注及对干涉仪输出信号进行条纹计数的仪器进行振动校准的方

2

。(),

法条纹亮度最大或最小值间距对应的位移等于氦氖激光器发射氖光谱基波的半波长位移幅值可

()。

由振动周期内的条纹数量例如1000计算得出

,/—。

详细描述见第章更多信息见附录的

8GBT20485.112006BB.1

:,

注方法适用于激光测振仪在频率范围内的模的绝对校准特殊情况下适用于更低频率和更高

111Hz~800Hz

,[]。

频率参考文献中证明了方法的适用频率可达

261347kHz

:,。

注当选用双输出正交干涉仪输出的一路零差信号时也适用于该方法

2

:([]、[]、[]),/

注干涉条纹的电子计数可以用信号重合法替代参考文献这种方法能够分辨的位移幅值

312324λ4

()。,,

红色氦氖激光时为158.2nm通常情况下当振动位移达到它的正向和负向峰值时干涉信号则对应显示

。(),

为其相对极大值和相对极小值在离散情况下158.2nm信号的相对极大值和极小值分别达到距离负向和

(“”)。,

正向相等的水平位置重合在示波器上观察干涉信号随时间的变化并调节振动幅值直至出现一条明亮

,。,

而清晰的线此时即可分辨出离散的幅值当干涉信号的初始相位因低频运动而变化时这条亮线也随着时

。[],。

间而变化参考文献26中应用信号重合法证明了该法的适用频率已经达到了160kHz

:

方法最小点法

3.2.32

使用单输出的零差干涉仪和对干涉仪输出信号某一频谱分量实现零点探测的仪器进行振动校准的

2

/—/:

GBT20485.412015ISO16063-412011

。,,

方法分析条纹明暗变化频谱调节振动幅值使与振动频率相同的频率分量的输出为零则由与第一类

一阶贝塞尔函数的零点对应的幅值计算得出位移幅值。

,/—。

详细描述见第章更多资料见附录的

9GBT20485.112006BB.2

注:,

1方法可使用电动振动发生设备在频率范围内校准可用压电振动发生设备在及以

2800Hz~10kHz50kHz

。[]。

上频率校准参考文献27中证明了方法适用频率高达

250kHz

:(,),

注对于位移幅值小于第一个最小点对应贝塞尔函数是对应贝塞尔函数是的振动在

2J1193nmJ0121nm

,([])。

满足第章的不确定度要求的条件下使用贝塞尔函数比例法示例见参考文献

422

:

方法正弦逼近法

3.2.43

()

使用由两个正交即相移90°信号输出的零差或外差干涉仪以及信号采样和处理仪器进行振动校

。,。

准的方法由计算出的位移值或速度值等距序列进行正弦逼近得到各自振动量的幅值和初始相移

,/—。

详细描述见第章与附录更多资料见附录的

10BGBT20485.112006BB.3

:,。

注若激光测振仪具有幅值和相位的测量能力方法可用于此二者的校准使用零差或外差干涉仪的方法可

33

。[]。

用于或更宽的频率范围内的校准参考文献中证明了方法适用频率高达

0.4Hz~50kHz263347kHz

:

3.2.5方法4参考传感器比较法

()()

采用经绝对法激光干涉法或者比较法与参考传感器比较校准过的加速度计作为参考进行振动

,。加速度幅值:

校准的方法见用下式计算

5.11^

a

1

^^

a=u

,

SaR

式中:

国家标准ㅤ可打印ㅤ可复制ㅤ无水印ㅤ高清原版ㅤ去除空白页

———();

S,参考加速度计的加速度灵敏度幅值

aR

^———激光测振仪校准时加速度计输出的幅值。

u

位移和速度幅值的计算以及其他细节见第章。

11

:(),

注方法适用于频率范围在或更宽时对激光测振仪进行幅值和相位校准如果测量频率高

140.4Hz~50kHz

,(),

于用于校准的参考传感器必须经过激光干涉仪校准见方法的校准频率范围受限于参考传

5kHz5.114

感器被校时的频率。

:/。

注2GBT20485.21详细规定了通过与参考传感器比较进行传感器的振动校准同一方法可对用作激光光学传

()。

感器见3.1.3的激光测振仪进行校准

4测量不确定度

,,。

执行本部分标准要求用户做不确定度的评定不确定度评定按附录进行

A

:/,()。

注按照测量不确定度用扩展不确定度简称为不确定度表示

1GBT20485.1

:、,,

由于本部分涉及到三个物理量位移速度和加速度这些变量具有宽的幅值范围和频率范围被校准

()、,

的设备标准激光测振仪和激光测振仪准确度不同性能也不同因此测量不确定度可以是较小的值到相

。,。

对较大的值了解了所有主要影响校准的不确定度来源后就可以用本部分的方法来评定扩展不确定度

,。

为了有助于建立满足不同不确定度需要的系统给出下列两个例子对每一例子设定对系统的要

。,。

求并给出可达到的不确定度示例适用于在良好受控的实验室条件下的校准引入的不确定度较小

1

,。

示例适用于可接受相对较大的不确定度时的校准或校准条件变化范围较宽的校准这两个示例贯

2

穿于本部分。

:(/、、),

示例使用绝对校准方法规定的方法方法方法的标准激光测振仪附有较小不确定度的书

1GBT20485123

。,。

面报告在校准期间温度和其他校准条件都控制在狭窄限度内

图到图给出了适用于符合示例所述高精度需求的校准装置例子。

141

3

/—/:

GBT20485.412015ISO16063-412011

示例2:使用按示例校准过的标准激光测振仪校准激光测振仪。

1

(、)。

以上两例对参考传感器的最低校准要求是在适当的参考条件即频率幅值和温度下进行通常

按照第章的要求选取校准条件。

5

在表中给出的典型可实现的不确定度适用于表中给出的三个参数。

31

、

表位移速度和加速度适用的频率和幅值范围

1

频率范围0.4Hz~50kHz

():

动态范围幅值

•位移•1nm~1m

//()

•速度•0.1mms~1ms与频率相关

加速度/2/2()

••0.1ms~20kms与频率相关

:,/。

注指定范围并非强制性的也可在频率和或幅值的单个点或某一较小范围进行校准

、,

对于任何给定的加速度速度或位移的频率和幅值动态范围将受限于振动发生设备产生的本底噪

()。,(

声和失真若没有使用滤波或其最大功率对弹簧控制的振动发生设备可使用特殊技术给功率放大

)。

器输入电压加入适当的非正弦波补偿大位移时的固有失真5.3给出了电动和压电振动发生设备的

典型频率范围和最大位移幅值范围。

表所列校准方法的不确定度分量在附录中给出。

2A

表影响测量不确定度的校准方法的适用性

2

(/)

方法方法特征光学传感器信号处理

国家标准ㅤ可打印ㅤ可复制ㅤ无水印ㅤ高清原版ㅤ去除空白页

(/)

方法1零差干涉仪单通道输出条纹计数

(/)

方法2零差干涉仪单通道输出频谱分析

()(/)

方法3零差式零差干涉仪正交的双通道输出正弦逼近

()(/)

方法3外差式外差干涉仪具有频率偏置的输出正弦逼近

、、

方法与经由方法方法方法校准的参考传感器比较

4123

:、(),,,

注校准需溯源至一个加速度速度或位移的国际单位的国家计量基准且需由有能力的实验室完成例如

2SI

/:[]。

符合ISOIEC170252005见参考文献21的实验室

。

表给出了前述两例可得到的典型不确定度根据校准仪器的性能和影响校准结果的影响量的不

3

,。

同实际上可得到更大或更小的不确定度值实验室或最终用户有责任确保其报告的扩展不确定度的

。/—,。

可信度依据附录及附录评定扩展不确定度可达到此目的

AGBT20485.12008A

表可得到的典型不确定度

3

频率范围示例1示例2

0.4Hz~<1Hz0.25%1%

1Hz~5kHz0.25%0.5%

>5kHz~10kHz0.3%1%

>10kHz~20kHz0.5%3%

>20kHz~50kHz1%5%

:()。

注示例给出的扩展不确定度如在时为是基于附录要求进行不确定度具体评定的

20kHz0.5%A

4

/—/:

GBT20485.412015ISO16063-412011

5仪器要求与其他条件

5.1概述

,

本