JJF 1219-2009 激光测振仪校准规范.pdf
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1、可可芦中华人民共和国国家计量技术规范J J F1 2 1 9 2 0 0 9激光测振仪校准规范C a l i b r a t i o nS p e c i f i c a t i o nf o rL a s e rV i b r o m e t e r s2 0 0 9 0 8 1 8 发布2 0 0 9 1 1 一侣实施国家质量监督检验检疫总局发布激光测振仪校准规范C a l i b r a t i o nS p e c i f i c a t i o nf o rL a s e rV i b r o m e t e r s,一“一。一“、;j_:;J J F1 2 1 9-2 0 0 92
2、;i:j1)-,一)P )一-一一。本规范经国家质量监督检验检疫总局于2 0 0 9 年8 月1 8 日批准,并自2 0 0 9 年月1 8 日起施行。归口单位:全国振动冲击转速计量技术委员会主要起草单位:北京长城计量测试技术研究所参加起草单位:广州市计量检测技术研究院本规范由全国振动冲击转速计量技术委员会负责解释本规范主要起草人:梁志国(北京长城计量测试技术研究所)李新良C:l l:京长城计量测试技术研究所)参加起草人:薛景锋(北京长城计量测试技术研究所)周伦彬(广州市计量检测技术研究院)J J F1 2 1 9-2 0 0 9目录1 范围2 引用文献3 术语和定义3 1 激光测振仪3 2
3、激光测振仪参考标准3 3 过;冲-。一4 概述5 计量特性6 校准条件6 1 环境条件6 2 校准用仪器设备7 校准项目和校准方法7 1 工作正常性检查7 2 线性度、灵敏度7 3 频率特性7 4 量程7 5 失真8 校准结果表达9 复校时间间隔附录A 外差式激光测振仪信号采集、处理电路校准方法附录B 激光测振仪校准结果记录格式附录c 正弦波形序列的最小二乘拟合算法附录D 调频信号数字化解调方法一附录E 资料性附录测量不确定度评定;)u约约约趵”趵”埘m柳激光测振仪校准规范l 范围本规范适用于激光测振仪的校准。2 引用文献J J F1 1 5 62 0 0 6 振动冲击转速计量术语及定义G B
4、 T2 2 9 8-1 9 9 1 机械振动与冲击术语G B T2 0 4 8 5 1 12 0 0 6 振动与冲击传感器校准方法第1 1 部分:激光干涉法振动绝对校准G B T2 0 4 8 5 1 32 0 0 7 振动与冲击传感器校准方法第1 3 部分:激光干涉法冲击绝对校准使用本规范时,应注意使用上述引用文献的现行有效版本。3 术语和定义3 1 激光测振仪(1 a s e rv i b r o m e t e r)用于振动测量并包含激光干涉仪的一种仪器。3 2 激光测振仪参考标准(1 a s e rv i b r o m e t e rs t a n d a r d)用于激光测振仪及振
5、动传感器校准的包含激光干涉仪的振动参考标准。3 3 过冲(o v e r s h o o t)加大系统的输入量,使系统的输出由稳态值变到较大的另一稳态值,超过新稳态值的最大瞬态响应称为过冲。4 概述激光测振仪的典型组成框图如图l 所示,它主要由激光干涉仪、信号采集、处理电路、波形输出等环节组成,使用激光多普勒效应和激光干涉方法,实现物体表面运动速度、加速度和位移的非接触测量,以模拟或数字方式给出测量结果。振动 至至 互巫三 到麓图1激光测振仪典型框图其中,激光干涉仪将运动物体表面速度信息通过激光多普勒效应转换成光频率变化信息,经干涉光路至光电转换器件,变成频率随速度成比例变化的调频信号;信号采
6、集、处理电路用于实现该调频信号的解调,给出其速度、位移及加速度的波形测量数据;波形输出部分通常用D A 转换电路以模拟方式输出,也可以数字化方式直接输出J J F1 2 1 9 2 0 0 9波形测量数据结果。5 计量特性用于激光测振仪主要性能校准的典型波形有:具有已知函数关系的正弦波和调频波形,具有已知参数的冲击波形。激光测振仪的典型计量特性为:位移量程:lnmlm速度量程:0 1 m m s 3 0 m s(取决于频率)加速度量程:o 1 m s 2 2 0 0 0 k m s 2(取决于频率、方法)位移灵敏度:0 0 5 n m V 0 0 5 m V速度灵敏度:0 0 0 5(n m
7、S-1)v 5(m S1)V加速度灵敏度:0 0 0 5(n m S 1)V-1 0 0(k i n S _ 2)V非线性误差:0 1 频率范围:0 4 H z 5 0 k H z幅频响应特性:一o 4 d B+O 5 d B激光测振仪的其他辅助特性典型值为:输出电压范围:一2 0 V+2 0 V负载电阻:1 0 k f l直流偏移:2 0 m V速度分辨力(依频率变化):0 0 1(p m s 一)H z信号相移(依频率变化):一3 9 6。k H z信号延迟:1 1 肚s校准误差:1 注:以上指标不是用于合格性判别,仅提供参考。6 校准条件6 1 环境条件环境温度:(2 3 5)o C相对
8、湿度:7 5 大气压强:(8 6 1 0 6)k P a供电电源:电压:(2 2 0+2 2)V,频率:(5 0 1)H z校准过程中,周围应无影响激光测振仪及其校准系统正常工作的振动、冲击、电磁辐射及强光等。6 2 校准用仪器设备6,2 1 校准用主要仪器设备(见表1)6 2 2 仪器设备技术要求a)振动标准装置用于产生按正弦规律变化的振动位移、速度、加速度标准信号,通常由振动台和振动测量部分组成。振动测量部分是一套以激光干涉法测量振动并将振动量值通过时间量、电压量和激光波长直接溯源到基本量的装置,其测量误差应小于被ZJ J F1 2 1 9-2 0 0 9校激光测振仪的测量误差。表1 校准
9、用主要仪器设备类别物理量仪器设备用途备注振动标准装置标准振动激励提供标准值振动振动台振动激励冲击标准装置标准冲击激励提供标准值激励源冲击冲击机冲击激励调频信号发生器调频电压波形激励电压电校准激励函数发生器外调制信号波形激励振动激光测振仪参考标准振动测量提供标准值数字电压表幅度测量测量仪器电压数字存储示波器波形测量、分析提供测量值时间频率计数器频率测量动态信号分析仪谐波测量、失真测量分析仪器电压(或频谱分析仪)提供测量值失真度分析仪失真测量振动标准装置产生的信号幅度范围应覆盖被校准仪器相应量值的校准范围,其振动台及附属功率放大器应满足下列特性要求:(1)加速度的总谐波失真度:不超过2。(2)横向
10、、弯曲及摇摆加速度:应当足够小,以避免对校准结果产生过大影响。当幅值较大,尤其是低频范围为1 H z 1 0 H z 时,横向运动应小于所要求轴向运动的1。频率范围在1 0 H z l k H z 时,允许的最大横向运动为轴向运动的1 0。高于l k H z 时,允许的最大横向运动为轴向运动的2 0。(3)交流声及噪声:比满量程输出至少低7 0 d B。(4)加速度幅值稳定性:测量期间不超过读数的O 0 5。b)冲击标准装置用于产生标准冲击速度和加速度信号,通常由冲击机部分和冲击测量部分组成。冲击测量部分是一套以激光干涉法测量冲击并将冲击量值通过时间量、电压量和激光波长直接溯源到基本量的装置,
11、其测量误差应小于被校激光测振仪的测量误差。冲击标准装置产生的信号幅度范围应覆盖被校准仪器相应量值的校准范围,其冲击机系统应满足下列特性要求:(1)冲击灵敏度的测量不确定度:在设定参考加速度峰值1 0 3 m s 2、参考冲击脉冲持续时间2 m s 和放大器参考增益时,为读数的1;对所有冲击峰值、脉冲持续时间,不超过读数的2。3(2)基于砧体(刚体)运动的冲击机,锤与砧的共振频率至少为I O T,T 为脉冲持续时间。(3)基于细长棒中波传播的冲击机,脉冲宽度应不小于l m s。c)函数发生器作为调频信号源的外调制信号源,用于产生正弦波、方波信号,以最终获得正弦波或方波调制的调频信号波形,实现对激
12、光测振仪信号采集、处理电路部分的电校准。应满足下列特性要求:(1)幅度最大允许误差小于被校仪器最大允许误差的1 3。(2)频率最大允许误差优于0 0 1。(3)正弦输出总失真度小于0 1。d)调频信号发生器用于模拟激光测振仪激光干涉仪部分的信号输出,实现对激光测振仪信号采集、处理电路部分的电校准。其频率变化范围应覆盖被校仪器的工作频率范围,各频率参数的最大允许误差应小于被校参数相应最大允许误差的1 3。e)数字电压表用于读取被校激光测振仪输出的直流和正弦波幅值。其工作频率范围应覆盖被测信号的频率范围,其幅度测量范围应能覆盖激光测振仪的幅度测量范围,幅度测量最大允许误差不大于被校激光测振仪幅度最
13、大允许误差的1 3。f)时间频率计数器用于频率校准,其幅度量程应适合被校激光测振仪输出信号的幅值范围;其频率测量范围应覆盖被校激光测振仪输出信号的频率范围,频率测量最大允许误差应不大于被校激光测振仪输出频率最大允许误差的1 1 0;分辨力优于测量误差的1 1 0。g)数字存储示波器用于获取正弦波、方波、冲击波形、以及调频信号的波形参数,其频带宽度应大于被测信号有效带宽。对于方波和近方波类信号,示波器带宽应大于基波频率的1 0 倍;而对于正弦波和近正弦类平滑波形,示波器带宽应大于基波频率的5 倍。其幅度最大允许误差应优于1;时基最大允许误差应不大于被校激光测振仪频率最大允许误差的1 3。h)校准
14、上升时间时,数字存储示波器的上升时间应不大于被校信号波形上升时间的1 3。i)使用直接测量法校准所用的其他标准仪器设备,原则上均按其最大允许误差优于被校仪器参数最大允许误差的1 3 选取。注意:本节中,对于校准仪器与被校准仪器相应参数误差间的1 3 或1 1 0 关系要求,从校准的技术内涵来说,并非必须。仅是为保证被校仪器的不确定度分量在最终测量结果的不确定度中占据主导地位而作的规定。7 校准项目和校准方法激光测振仪的测量功能包括速度量、位移量和加速度量测量输出,由于校准原理、方法、过程和所用仪器设备均相同,本规范仅列出速度量的校准方法和过程,位移量和加速度量的校准方法和过程参照执行。4J J
15、 F1 2 1 9 2 0 0 9表2 校准项目编号项目名称备注l工作正常性检查+2线性度、灵敏度+3频率特性4量程5失真6信号采集、处理电路的延迟、相移、频率特性电信号激励,仅适用于外差7信号采集、处理电路的上升时间、延迟式激光测振仪注:“+”表示在周期校准中推荐的必校项目,“一”表示_ 司以选校项目7 1 工作正常性检查7 1 _ l 外观检查被校准的激光测振仪,应配有使用说明书及全部必备附件。其外形结构应完好,开关、按键、旋钮等操作灵活可靠,标志清晰明确,外露件不应有松动和机械损伤。其铭牌或外壳上应标明其名称、生产厂家、型号、编号和出厂日期。供电电源的标志及电压和频率范围指示明确。7 1
16、 2 通电检查外观检查后按使用说明书给激光测振仪通电、预热。让其执行自检及自校准。按使用说明书要求及随机提供的软件,作激光测振仪与通用电子计算机通信功能的检查,应能准确无误地进行数据交换。用任意变化的振动信号激励激光测振仪,检查其测量值输出应有变化反应工作状况。必要时,对激光测振仪说明书中列出的其他功能进行检查。以上各项检查均应正常。7 2 线性度、灵敏度7 2 1 方法一:振动标准法接线如图2 所示。选定被校激光测振仪的速度量程,用振动标准装置输出正弦速度波形作激励信号,频率选为被校激光测振仪频带中间的一个频率点l,(若无特别要求,推荐值为厂一1 6 0 H z)。用振动标准装置分别输出厂频
17、率下各种峰值幅度7 2。(i 一1,2,m)的正弦速度波形。化每一个信号点”。匕用被校仪器(或数字电压表)读取峰值测量值_ y i(j 一1,),数据个数,z 6。图2 激光测振仪校准连线框图一振动标准法如图3 所示,选取m 一1 1,在同一测量范围h。,V H 内,给测量通道依次输人符J J F1 2 1 9-2 0 0 9合式(1)的激励信号7 d:(待1,m):7 3:一t J l。+(i-1)W R(m 一1)(i 一1,2,m)(1)W R 一口H-U I。(2)式中,仇为被校激光测振仪的测量范围下限,取7 3 t。一o;”n 为被校激光测振仪的测量范围上限。输出,一月输”口F H图
18、3 激光测振仪输入输出特性用被校激光测振仪(或数字电压表)读取对应W i 的测量数据Y i(j式(3)计算灵敏度G,按式(1 2)计算通道的线性度L。灵敏度:直流偏移标准差非线性误差(跳i)(了:一了)妻(让一i)zy:一土T j 奎:ly。(i 一1,2 歹一去蚤一Yzy i 刍7i 一砧m 一1D v G 口厂i F 一击蚤c y。屯,2S=r i l a X S,(i 一1,2,m)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(1 0)J J F1 2 1 9-2 0 0 9线性度系统误差y。一r f l a x J Y:一(G v i-4-D)L=等l O O A=鱼意卫其中,G。为标称
19、灵敏度,D。为标称直流偏移。误差限:A 一竺监(1 2)(1 3)(1 4)7 2 2 方法二:冲击标准法接线如图4 所示,选定被校激光测振仪的速度量程,激励为冲击速度信号。用冲击标准装置输出各种幅度V i 的冲击速度波形,经过与7 2 1 相同的过程,获得被校激光测振仪速度量程的线性度、灵敏度等参数。图4 激光测振仪校准连线框图冲击标准法7 3 频率特性接线如图2 所示,选定被校激光测振仪的速度量程咖和振动频率范围 。激励为正弦速度信号,其频率 厂I,幅度值讪(f i)由振动标准装置直接给出。选取m 一1 1,在频率测量范围 ,内,给被校激光测振仪依次输入频率符合式(1 5)幅度砧()足够大
20、的激励信号。(i 一1,m)一A。-4-(i 一1)(一1)(i 一1,2,m)(1 5)厂R I 一,I(1 6)式中厂L 被校激光测振仪可校准的振动频率范围下限;厂H 被校激光测振仪可校准的振动频率范围上限。使振动标准装置分别输出振动速度激励信号:v O i()s i n(2 r c f i t+P),(江1,2,m)。用被校激光测振仪(或数字电压表)读取相应幅度”,()的测量值y i(j l,”),且”6。按式(1 7)计算各平均值:歹,一一1 Y。(浮1,2,m)(1 7)一厶q t l,m)l,fJ 一1增益:G f i)一东方“_ 1 2,m q 趵被校激光测振仪的增益G。()随频
21、率 变化的特性即为其幅频特性。7J J F1 2 1 9-2 0 0 9选取 一1 6 0 H z 为参考频率点(也可以选取测量频率范围的中间值为参考频率点),其增益为G,(),则校准频率范围内,其增益平坦度(幅度平坦度)氏:a-m a x2 0 l g 器id Bi-1 1 2,(1 9)7 4 量程7 4 1 方法一:振动标准法接线如图5 所示,选定被校激光测振仪的速度量程。用振动标准装置输出正弦速度波形作激励信号,峰值”。为被校准激光测振仪标称速度量程值7 J R 的1 2,频率选为被校激光测振仪频带中间的一个频率点f(若无特别要求,推荐值为厂一1 6 0 H z)。用被校激光测振仪(或
22、数字电压表)读取速度峰值测量值y。若差值y。一砜、在被校准仪器的最大允许误差之内,则被校激光测振仪的速度量程r U R 按式(2 0)计算给出。V R 一2 u。、(2 0)图5 激光测振仪校准连线框图一振动标准法7 4 2 方法二:冲击标准法接线如图6 所示,选定被校激光测振仪的速度量程 U R。使冲击标准装置输出峰值速度为V m o 5 垤的冲击波形,用被校激光测振仪(或数字存储示波器)读取速度峰值测量值y。若差值。一在被校准仪器的最大允许误差之内,则被校激光测振仪的速度量程昧按式(2 0)计算给出。图6 激光测振仪校准连线框图冲击标准法7 5 失真接线如图7 所示。选定激光测振仪的速度量
23、程,设置校准信号频率 及幅度”,(f i),用振动标准装置施加正弦速度波形激励。用失真度分析仪测量被校激光测振仪输出波形,获得被测量正弦信号波形总失真度T D。图7 激光测振仪失真特性系统校准连线框图用频率计数器测量被校激光测振仪输出波形频率,。将频谱分析仪的起始频率调整到频率点 上,调整分析带宽使得。的各次谐波均出现在频谱分析仪的频率刻线点上。8J J F1 2 1 9-2 0 0 9用频谱分析仪执行测量分析,获得被测量信号波形的基波和各次谐波幅度测量结果:C,G,(_。第m 次谐波失真T D。按式(2 1)计算:r 1丁D m。=2 0 1 9 二署(d B)(2 1)L I总失真度:T
24、D 一1 0 1 9(焉)一l O l g C l(d B)(2 2)一:注:总失真度T D 通常计算到2 0 次谐波。可以使用动态信号分析仪代替频谱分析仪执行相同的测量。8 校准结果表达校准结果应在校准证书或校准报告上反映。校准证书或报告应至少包括如下信息:a)标题,如“校准证书”或“校准报告”;b)实验室名称和地址;c)如果不在实验室内进行校准时,需说明进行校准的地点;d)证书或报告的惟一性标识(如编号),每页及总页数的标识;e)送校单位的名称和地址;f)被校对象的描述和明确标识;g)进行校准的日期,若与校准结果的有效性及应用有关时,应说明被校对象的接收日期;h)如果与校准结果的有效性及应
25、用有关时,应对抽样程序进行说明;i)对校准所依据的技术规范的标识,包括名称及代号;j)本次校准所用测量标准的溯源性及有效性说明;k)校准环境的描述;1)校准结果及其测量不确定度的说明;m)校准证书及校准报告签发人的签名、职务或等效标识,以及签发E 1 期;n)校准结果仅对被校对象有效的声明;o)未经实验室书面批准,不得部分复制证书或报告的声明。经校准的激光测振仪,发给校准证书或校准报告,加盖校准印章。9 复校时间间隔校准时间间隔由用户根据需要自定。确定原则是相邻两次校准时间间隔内,被校准仪器的计量性能变化在实际需求允许的范围内。推荐校准时间间隔为2 年。的F1 2 1 9-2 0 0 9附录A
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