JJF 1427-2013微机电(MEMS)线加速度计校准规范-(高清版).pdf
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1、中华人民共和国国家计量技术规范J J F1 4 2 72 0 1 3微机电(MEM S)线加速度计校准规范C a l i b r a t i o nS p e c i f i c a t i o nf o rMEM SL i n e a rA c c e l e r o m e t e r s 2 0 1 3-0 9-0 2发布2 0 1 3-1 2-0 2实施国 家 质 量 监 督 检 验 检 疫 总 局 发 布 微机电(MEM S)线加速度计校准规范 C a l i b r a t i o nS p e c i f i c a t i o nf o rMEM SL i n e a rA c
2、 c e l e r o m e t e r sJ J F1 4 2 72 0 1 3 归 口 单 位:全国惯性技术计量技术委员会 起 草 单 位:中国电子科技集团公司第十三研究所中航工业北京长城计量测试技术研究所 本规范委托全国惯性技术计量技术委员会负责解释J J F1 4 2 72 0 1 3本规范主要起草人:杨拥军(中国电子科技集团公司第十三研究所)董雪明(中航工业北京长城计量测试技术研究所)徐淑静(中国电子科技集团公司第十三研究所)参加起草人:何懿才(中航工业北京长城计量测试技术研究所)吝海锋(中国电子科技集团公司第十三研究所)田 阳(中航工业北京长城计量测试技术研究所)J J F1
3、4 2 72 0 1 3目 录引言()1 范围(1)2 引用文件(1)3 术语及定义(1)4 概述(1)5 计量特性(2)6 校准条件(3)6.1 校准环境条件(3)6.2 测量标准及设备(3)7 校准项目和校准方法(4)7.1 校准项目(4)7.2 校准方法(5)8 校准结果表达(1 4)9 复校时间间隔(1 4)附录A MEM S线加速度计重力场校准不确定度评估示例(1 5)附录B 校准证书内页格式(2 1)J J F1 4 2 72 0 1 3引 言 微机电(MEM S)线加速度计广泛应用于国民经济各领域,基于此考虑,结合微机电(M E M S)线加速度计校准的实际情况,参照国际电工委员
4、会I E C(I N T E R N A T I O N A LE L E C T R OT E CHN I C A LC OMM I S S I ON)编写的6 0 7 4 7-1 4-4E d.1/C D VI E C半导体加速度计(S EM I C ON DU C T O RD E V I C E SP a r t1 4-4:S e m i c o n d u c t o ra c c e l e r o m e t e r s)编写本规范。J J F1 4 2 72 0 1 3微机电(MEM S)线加速度计校准规范1 范围本规范规定了微机电(MEM S)线加速度计(以下简称MEM S线
5、加速度计或加速度计)的校准项目和校准方法,适用于单敏感轴MEM S线加速度计。2 引用文件本规范引用了下列文件:J J F1 1 1 62 0 0 4 线加速度计的精密离心机校准规范G J B1 0 3 7 A2 0 0 4 单轴摆式伺服线加速度计试验方法G B/T2 0 4 8 5.2 12 0 0 7 振动与冲击传感器校准方法 第2 1部分:振动比较法校准I E C6 0 7 4 7P a r t 1 4-4 半导体加速度计(1 4-4:S e m i c o n d u c t o ra c c e l e r o m e t e r s)凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本规范
6、;凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本规范。3 术语及定义3.1 微机电 M i c r oE l e c t r oM e c h a n i c a lS y s t e m,MEM S运用半导体工艺集成了传感器、执行器和/或电路的系统。3.2 MEM S线加速度计 MEM Sl i n e a ra c c e l e r o m e t e r s采用MEM S加工工艺制作的用于将输入的线加速度成比例的转化为输出(通常为电学量)的传感器。3.3 敏感质量 p r o o fm a s s线加速度计中把沿着或绕输入轴的加速度转换为力矩(或力)的有效质量。4 概述
7、MEM S线加速度计一般由敏感质量、挠性支承和转换线路等构成;工作原理为敏感质量在外界加速度产生的惯性力作用下产生一定位移,该位移与输入加速度相关,其物理模型可由公式(1)进行简化:Md2xdt2+Ddxdt+K x+C=-M a(1)式中:M 敏感质量,k g;D 周围气体提供的阻尼,Ns/m;K 弹簧刚度,N/m;1J J F1 4 2 72 0 1 3x 敏感质量质心的相对位移,m;a 输入加速度,m/s2;C 常值,N。将公 式(1)进 行L a p l a c e变 换 可 以 得 到MEM S线 加 速 度 计 的 传 递 函 数 见公式(2):H(s)=1s2+2ns+2n(2)
8、式中:s L a p l a c e变换的复变量;n=KM 固有频率,H z;=D2M n 阻尼比。5 计量特性M E M S线加速度计的计量特性包括静态特性和动态特性,校准参数见表2,其中1 1 6项为静态特性,第1 7项为动态特性。MEM S线加速度计的静态特性模型可由公式(3)进行简化:EK1=B+ai+K2a2i+K3a3i+oap-pao(3)式中:E 加速度计输出,加速度计输出单位;B 偏值,g(g为重力加速度,gn=9.8 0 66 5m/s2);K1 标度因数,输出单位/g;ai 沿加速度计输入基准轴I R A的加速度,g;ap 沿加速度计摆基准轴P R A的加速度,g;ao
9、沿加速度计输出基准轴O R A的加速度,g;K2 二阶非线性系数,g/g2;K3 三阶非线性系数,g/g3;o 输入轴I A相对于输入基准轴I RA绕输出基准轴O RA的安装误差,r a d;p 输入轴I A相对于输入基准轴I RA绕摆基准轴P RA的安装误差,r a d;MEM S线加速度计的动态数学模型由公式(4)和公式(5)进行描述,公式(4)为MEM S线加速度计的幅频特性,公式(5)为MEM S线加速度计相频特性。xa=1n21-n22+2n2(4)=-a r c t g2n1-n2(5)2J J F1 4 2 72 0 1 3式中:输入加速度的频率,r a d;敏感质量之心位移的相
10、位,r a d。对于采用摆式工作原理的MEM S线加速度计,通常用输入基准轴(I RA)、输出基准轴(O R A)、摆基准轴(P RA)来表示加速度计的三个正交方向,相应的安装状态分为摆态和门态两种。如果被校准的MEM S线加速度计不能区分摆态和门态,则按照与输入基准轴(I R A)正交的两个方向进行安装和测试。但本规范中统一按照摆态和门态进行描述。图1和图2分别为两种状态的位置定义。图1 摆态安装校准位置定义图2 门态安装校准位置定义6 校准条件6.1 校准环境条件温度:(2 05),校准过程中温度波动量不超过2;相对湿度:8 5%;周围无强电磁场,无腐蚀性气体或液体,无强震源。6.2 测量
11、标准及设备校准用标准装置及配套设备如表1所示。3J J F1 4 2 72 0 1 3表1 校准用标准装置及推荐技术指标序号 校准类型校准用标准装置及配套设备技术指标用途1静态校准加速度计重力场检定装置离心机加速度标准装置精密分度装置:极限偏差:5分辨力:1电压表(频率计)准确度:0.5分辨力:6位半水平仪示值误差:2温箱温箱偏差:2温度稳定度:1均匀度:2精密离心机0.1级电压表(频率计)6位半偏值偏值一致性标度因数失准角阈值分辨力0g/1g稳定性偏值短期稳定性标度因数短期稳定性偏值短期重复性标度因数短期重复性偏值温度灵敏度标度因数温度灵敏度标度因数二阶非线性系数三阶非线性系数非线性度2动态
12、校准中频振动标准装置中频振动台幅值不确定度:3%频谱分析仪频谱分析仪:1H z 1 0k H z示波器示波器:2 0MH z电压表(频率计)6位半幅频特性相频特性带宽 注:上述校准装置适用于测量范围小于3 0 0g、精度0.1%及以下MEM S线加速度计的校准。7 校准项目和校准方法7.1 校准项目校准项目见表2。4J J F1 4 2 72 0 1 3表2 校准项目一览表序号项目名称校准方法1偏值7.2.1.17.2.1.27.2.1.32偏值一致性7.2.1.23标度因数7.2.1.17.2.1.27.2.1.37.2.1.1 04失准角7.2.1.17.2.1.25阈值7.2.1.46分
13、辨力7.2.1.570g/1g稳定性7.2.1.68偏值短期稳定性7.2.1.79标度因数短期稳定性7.2.1.71 0偏值短期重复性7.2.1.81 1标度因数短期重复性7.2.1.81 2偏值温度灵敏度7.2.1.91 3标度因数温度灵敏度7.2.1.91 4二阶非线性系数7.2.1.17.2.1.1 01 5三阶非线性系数7.2.1.17.2.1.1 01 6非线性度7.2.1.1 01 7带宽7.2.27.2 校准方法7.2.1 静态校准7.2.1.1 多点法多点法用于在重力场内进行多点翻滚测试以分离MEM S线加速度计模型方程的各项系数,包括偏值、标度因数、二阶非线性系数、三阶非线性
14、系数和失准角。按照摆态和门态进行测试,如果摆态测试和门态测试的数据一致性好,或根据实际使用安装状态,则可以简化为其中一种安装状态的测试。5J J F1 4 2 72 0 1 3a)摆态安装:1)分度头转轴处于水平位置,并将分度头转到0 位置,加速度计安装到分度头上,输入基准轴(I R A)位于水平方向,摆基准轴(P R A)的正向垂直向上,输出基准轴(O R A)与分度头转轴平行。2)加速度计上电预热,输出稳定后记录加速度计的输出(稳定时间参照具体技术条件,数据量不少于7个取平均,下同);3)按角度增量n=3 6 0/n转动分度头,各转角依次为n,2n,k n,(n-1)n,在每一角位置上记录
15、加速度计的输出值;4)将分度头旋转到3 6 0,然后再反向旋转分度头,按角度n依次递减到0,依次记录每一角位置上加速度计的输出值;5)分别计算分度头正转和反转时各位置输出值的平均值Ek(k=0,1,2,n-1);6)按照公式(6)公式(1 0)进行计算:标度因数:K1=2nn-1k=0Eks i nk n+6nn-1k=0Eks i n 3k n(6)偏值:B=1nn-1k=0Ek+2nn-1k=0Ekc o s 2k nK1(7)二阶非线性系数:K2=-4nn-1k=0Ekc o s 2k nK1(8)三阶非线性系数:K3=-8nn-1k=0Eks i n 3k nK1(9)输入轴失准角o:
16、o=-2nn-1k=0Ekc o sk nK1(1 0)b)门态安装:1)分度头转轴处于水平位置,并将分度头转到0 位置,加速度计安装到分度头上,输入基准轴(I R A)位于水平方向,输出基准轴(O RA)的正向垂直向下,摆基准轴(P RA)平行于转轴。2)重复a)摆态安装的测试步骤和数据处理方法,公式(1 0)中输入轴失准角的符号o换为p。对于多点法中测试点数的选取,通常为四点法和两点法。6J J F1 4 2 72 0 1 37.2.1.2 四点法四点法用于校准MEM S线加速度计的偏值、偏值一致性、标度因数和失准角。a)摆态安装:1)分度头转轴处于水平位置,并将分度头转到0 位置,加速度
17、计安装到分度头上,输入基准轴(I R A)位于水平方向,摆基准轴(P R A)的正向垂直向上,输出基准轴(O R A)与分度头转轴平行。2)加速度计上电预热,输出稳定后记录加速度计的输出;3)转动分度头到9 0 位置,加速度计的输入基准轴(I R A)垂直向上,记录加速度计的输出;4)转动分度头到1 8 0 位置,记录加速度计的输出;5)转动分度头到2 7 0 位置,加速度计的输入基准轴(I R A)垂直向下,记录加速度计的输出;6)反向转动分度头,分别记录在2 7 0、1 8 0、9 0、0 四个位置上加速度计的输出。7)计算正转和反转时各位置加速度计输出值的平均值E0、E9 0、E1 8
18、0、E2 7 0。8)按公式(1 1)(1 5)进行计算:标度因数:K1=E9 0-E2 7 02(1 1)0g偏值:B0=E0+E1 8 0E9 0-E2 7 0(1 2)1g偏值:B1=E9 0+E2 7 0E9 0-E2 7 0(1 3)输入轴失准角o:o=E1 8 0-E0E9 0-E2 7 0(1 4)偏值一致性:Bd=B1-B0(1 5)b)门态安装:1)分度头转轴处于水平位置,并将分度头转到0 位置,加速度计安装到分度头上,输入基准轴(I R A)位于水平方向,输出基准轴(O RA)的正向垂直向下,摆基准轴(P RA)平行于转轴。2)重复a)摆态安装的测试步骤和数据处理,把公式(
19、1 4)中输入轴失准角的符号o换为p。7.2.1.3 两点法两点法用于快速校准MEM S线加速度计的偏值和标度因数。a)加速度计安装到分度头上,上电预热,将分度头转到9 0 位置上,加速度计的输入基准轴(I R A)垂直向上,记录加速度计的输出E9 0;7J J F1 4 2 72 0 1 3b)将分度头转到2 7 0 位置上,加速度计的输入基准轴(I R A)垂直向下,记录加速度计的输出E2 7 0;c)按公式(1 6)、公式(1 7)计算:标度因数:K1=E9 0-E2 7 02(1 6)1g偏值:B1=E9 0+E2 7 0E9 0-E2 7 0(1 7)7.2.1.4 阈值a)分度头转
20、轴处于水平位置,并将分度头转到0 位置,加速度计安装到分度头上,输入基准轴(I R A)位于水平方向,并且当分度头转到9 0 位置时输入基准轴(I R A)的正向垂直向上;b)加速度计上电预热,输出稳定后记录分度头在0 位置上加速度计的输出;c)将分度头的位置转至+,测量加速度计的输出值,然后回到0 位置,测量加速度计的输出值;d)将分度头的位置转至-,测量加速度计的输出值,然后回到0 位置,测量加速度计的输出值;e)重复c)、d)三次。f)计算加速度计的输出增量,计算在给定加速度输入增量的条件下,加速度计的输出应大于按标度因数计算的变化量的5 0%。为加速度增量对应的角度增量,在重力场下加速
21、度增量与角度增量的对应关系见公式(1 8):ai=gs i n(i+)-s i n1(1 8)式中:ai 加速度增量,g;i 分度头起始角度,r a d;角度增量,r a d。利用公式(1 8)计算阈值时,分度头起始角度i为0。7.2.1.5 分辨力a)分度头转轴处于水平位置,并将分度头转到0 位置,加速度计安装到分度头上,输入基准轴(I R A)位于水平方向,并且当分度头转到9 0 位置时输入基准轴(I R A)的正向垂直向上;b)加速度计上电预热;c)转动分度头到一定角度(一般为3 0 或1 5 0),记录加速度计的输出;d)将分度头按角度增量+转动,共递增三次,记录各次加速度计的输出值;
22、e)计算加速度计的输出增量,计算在给定加速度输入增量的条件下,加速度计的输出应大于按标度因数计算的变化量的5 0%。8J J F1 4 2 72 0 1 3采用公式(1 8)计算分辨力对应的角度增量,式中i为测试中分度头的实际起始角度。7.2.1.6 0g/1g稳定性将MEM S线加速度计固定在分度头上,加速度计的输入基准轴(I R A)处于水平状态/垂直向上,使输入加速度为0g/1g;加速度计上电预热,待输出稳定后记录加速度计静态输出,按固定的采样周期记录加速度计输出值E1,E2,E3,EN-1,EN,按公式(1 9)计算0g/1g稳定性。E=Ni=1EiN=1K1Ni=1(Ei-E)2N-
23、1(1 9)式中:Ei MEM S线加速度计第i个输出值,加速度计输出单位;E 输出值的平均值,加速度计输出单位;N 测试点数;0g/1g稳定性,g;K1 MEM S线加速度计的标度因数,输出单位/g。7.2.1.7 短期稳定性a)加速度计通过安装夹具固定到分度头上,当分度头位于0 位置时,输入基准轴(I RA)位于水平方向,并且当分度头转到9 0 位置时输入基准轴(P R A)的正向垂直向上;b)加速度计上电预热,待输出稳定后测试加速度计的偏值和标度因数;c)加速度计不断电,间隔一段时间后(推荐选择3 0m i n)再次测试加速度计的偏值和标度因数;d)重复c)N次,测试次数不少于7次;e)
24、分别计算各次测试的偏值和标度因数,再按公式(2 0)和公式(2 1)计算加速度计的偏值短期稳定性和标度因数短期稳定性。B=Ni=1BiNB=Ni=1(Bi-B)2N-1(2 0)K1=Ni=1K1iN9J J F1 4 2 72 0 1 3K1K1=Ni=1(K1i-K1)2N-1K11 06(2 1)式中:B 偏值的平均值,g;Bi 第i次测试的偏值,g;N 测试次数;B 偏值短期稳定性,g;K1 标度因数的平均值,输出单位/g;K1i 第i次测试的标度因数,输出单位/g;K1K1 标度因数短期稳定性。7.2.1.8 短期重复性a)加速度计通过安装夹具固定到分度头上,当分度头位于0 位置时,
25、输入基准轴(I R A)位于水平方向,并且当分度头转到9 0 位置时输入基准轴(I R A)的正向垂直向上;b)加速度计上电预热,待输出稳定后测试加速度计的偏值和标度因数;c)加速度计断电,间隔一段时间后再通电,间隔时间不少于1 0m i n;d)重复b)和c),测试次数不少于7次;e)分别计算各次测试的偏值和标度因数,再按公式(2 2)和公式(2 3)计算加速度计的偏值重复性和标度因数重复性。B=Ni=1BiNB=Ni=1(Bi-B)2N-1(2 2)K1=Ni=1K1iNK1K1=Ni=1(K1i-K1)2N-1K11 06(2 3)式中:B 偏值的平均值,g;Bi 第i次测试的偏值,g;
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