《動態(tài)力傳感器校準(zhǔn)規(guī)范》征求意見稿

1 引 言
力值計量是國防工業(yè)力學(xué)計量領(lǐng)域中開展最早的專業(yè)之一，在國防工業(yè)建設(shè)的各個領(lǐng)域，都有著廣泛的應(yīng)用。力值計量主要是通過力傳感器進(jìn)行力值測量和力值傳遞。目前在國防計量中，力值計量包括靜態(tài)力和動態(tài)力。動態(tài)力傳感器在產(chǎn)品研制、生產(chǎn)和使用過程中具有重要意義，動態(tài)力參數(shù)經(jīng)常用來表征產(chǎn)品材料特性、動力系統(tǒng)性能、設(shè)備運(yùn)行與生產(chǎn)中的安全參數(shù)以及一些控制反饋參數(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)中，產(chǎn)品材料結(jié)構(gòu)加載、零部件試驗、發(fā)動機(jī)測試、碰撞試驗、材料試驗、生物力學(xué)及工業(yè)自動化控制及監(jiān)測等領(lǐng)域中，廣泛應(yīng)用動態(tài)力傳感器進(jìn)行各種動態(tài)力的測量。動態(tài)力傳感器的校準(zhǔn)方法包括靜態(tài)和動態(tài)，其中動態(tài)力信號基本可分為階躍力校準(zhǔn)(正階躍和負(fù)階躍)、沖擊力校準(zhǔn)和正弦力校準(zhǔn)。近年來隨著激光測速、數(shù)字信號處理等技術(shù)的發(fā)展，沖擊力、正弦力等校準(zhǔn)技術(shù)快速發(fā)展起來，國內(nèi)外相繼建立了沖擊力、正弦力的校準(zhǔn)裝置。其中沖擊力校準(zhǔn)裝置一般通過撞擊獲得吻合工程實際測量中最常見的沖擊力脈沖信號，因其力值校準(zhǔn)范圍大，校準(zhǔn)頻率寬，成為了國內(nèi)外最為常用的動態(tài)力傳感器時域幅值靈敏度校準(zhǔn)方法之一。
對動態(tài)力傳感器的檢定，國家早在1989年就已經(jīng)制定了檢定規(guī)程JJG632-89《動態(tài)力傳感器》，規(guī)程至今近30年，未曾進(jìn)行修訂。規(guī)程中既包括了靜態(tài)指標(biāo)，也包括了動態(tài)指標(biāo)，規(guī)程中動態(tài)性能的檢定基于靜態(tài)靈敏度，通過動態(tài)力激勵，計算傳感器的相對幅值誤差。近年來，隨著正弦力法、沖擊力法等相關(guān)校準(zhǔn)技術(shù)研究工作的深入，技術(shù)人員對力傳感器提出包括動態(tài)靈敏度、幅頻響應(yīng)、幅值線性度等動態(tài)計量特性指標(biāo)校準(zhǔn)的需求；同時動態(tài)力校準(zhǔn)裝置大都基于加速度測量，現(xiàn)有規(guī)程對包括正弦力及沖擊力在內(nèi)的動態(tài)檢定方法及動態(tài)計量特性的描述均存在著不足。在國外，俄羅斯、英國、德國、美國都在不斷發(fā)展動態(tài)力校準(zhǔn)技術(shù)的研究工作，ISO/TC108/SC3 關(guān)于“動態(tài)力傳感器的校準(zhǔn)”已到草案階段。隨著國內(nèi)動態(tài)力校準(zhǔn)裝置研究工作的快速發(fā)展，2012年根據(jù)國際國內(nèi)正弦力校準(zhǔn)技術(shù)的研究成果，頒布了JJF 1370-2012《正弦法力傳感器動態(tài)特性校準(zhǔn)規(guī)范》，規(guī)范主要針對正弦力校準(zhǔn)方法、校準(zhǔn)項目。因此為了更好地適應(yīng)沖擊力校準(zhǔn)技術(shù)的研究現(xiàn)狀，及動態(tài)力傳感器校準(zhǔn)的需求，迫切需要盡快修訂現(xiàn)有動態(tài)力檢定規(guī)程，以適應(yīng)我國現(xiàn)有科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。
本校準(zhǔn)規(guī)范2016年由北京長城計量測試技術(shù)研究所和中國計量科學(xué)研究院提出編制申請，2017年通過力值硬度計量技術(shù)委員會審定同意申報編制，2018年國家質(zhì)檢總局批準(zhǔn)進(jìn)行編制（國質(zhì)檢量函〔2013〕101號）。
2 編制內(nèi)容說明
2.1引言要求
法規(guī)的修訂中增加了引言部分，主要用來說明規(guī)范的編寫依據(jù)及相關(guān)參考規(guī)程。
2.2 術(shù)語和定義
法規(guī)的修訂中增加了術(shù)語和定義，其中主要定義了靜態(tài)幅值靈敏度、動態(tài)幅值靈敏度、沖擊力法、正弦力法、階躍力法。
2.3 計量性能要求
靜態(tài)性能方面，基本沿用了原規(guī)程規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)和準(zhǔn)確度等級。
動態(tài)性能方面，進(jìn)行了較大修改。修改依據(jù)了目前動態(tài)力校準(zhǔn)的三種校準(zhǔn)裝置：正弦力校準(zhǔn)裝置、沖擊力校準(zhǔn)裝置、階躍力校準(zhǔn)裝置，以及兩個相關(guān)校準(zhǔn)規(guī)范：JJF1053-1996《負(fù)荷傳感器動態(tài)特性校準(zhǔn)規(guī)范》、JJF1370-2012《正弦力法力傳感器動態(tài)特性校準(zhǔn)規(guī)范》。其中階躍力校準(zhǔn)裝置及沖擊力校準(zhǔn)裝置能夠?qū)鞲衅鞯臅r域動態(tài)特性進(jìn)行評價，而正弦力校準(zhǔn)裝置和階躍力校準(zhǔn)裝置則能夠?qū)鞲衅鞯念l域動態(tài)特性進(jìn)行評價。
基于以上依據(jù)，校準(zhǔn)項目選擇了動態(tài)幅值靈敏度、動態(tài)幅值靈敏度相對誤差、動態(tài)幅值靈敏度的幅值線性度作為動態(tài)幅值靈敏度的常規(guī)校準(zhǔn)項目，沖擊力脈沖持續(xù)時間示值誤差、階躍力上升時間/下降時間作為時域動態(tài)特性的校準(zhǔn)項目，選擇了幅頻特性、相頻特性、固有頻率（安裝諧振頻率）作為頻域動態(tài)特性的校準(zhǔn)項目。動態(tài)力傳感器的時域動態(tài)特性主要基于牛頓第二定律，間接測量得到動態(tài)力峰值，與傳感器輸出電壓峰值進(jìn)行計算得到被校動態(tài)力傳感器的動態(tài)幅值靈敏度。對于激勵信號為瞬態(tài)時域信號的沖擊力法，其在頻域上表現(xiàn)為連續(xù)無限的頻譜，與正弦力值標(biāo)定不同，沖擊力在涵蓋了包括諧振頻率在內(nèi)的全部頻率范圍內(nèi)均具有幅值分布，導(dǎo)致在測量沖擊力時，傳感器的動態(tài)幅值靈敏度與正弦力下的動態(tài)幅值靈敏度以及靜態(tài)靈敏度存在一定甚至較大差別。
國內(nèi)動態(tài)力標(biāo)準(zhǔn)裝置主要通過質(zhì)量測量和加速度測量進(jìn)行溯源，其中質(zhì)量測量精度相對較高，因此加速度測量誤差是動態(tài)力標(biāo)準(zhǔn)裝置測量不確定度的主要影響因素。因此動態(tài)力傳感器動態(tài)力校準(zhǔn)的技術(shù)指標(biāo)主要參照目前國內(nèi)沖擊加速度測量的依據(jù)文件JJG 233－2008 《壓電加速度計檢定規(guī)程》、JJG 973－2002《沖擊測量儀檢定規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定給出。
    修改后的技術(shù)指標(biāo)如下表所示。
準(zhǔn)確度等級        一        二        三        四
技
術(shù)
指
標(biāo)        靜
態(tài)
特
性        靜態(tài)幅值靈敏度（pC/N或mV/(V?N)）        按實測值
                直線度（%FS）        ±0.3        ±0.5        ±1.0        ±2.0
                滯后（%FS）        ±0.3        ±0.5        ±1.0        ±2.0
                重復(fù)性（%FS）        ±0.3        ±0.5        ±1.0        ±2.0
                靈敏度溫度影響（%FS/℃）        ±0.03        ±0.03        ±0.06        -
                穩(wěn)定度（%/X月）        ±0.6        ±1.0        ±2.0        ±4.0
        動
態(tài)
特
性        動態(tài)幅值靈敏度        動態(tài)幅值靈敏度值(pC/N，mV/N或mV/(V?N))        按實測值
                        動態(tài)幅值靈敏度相對誤差(%)        ±2.0        ±3.0        ±5.0        ±10
                        動態(tài)幅值靈敏度線性度(%)        ±2.0        ±3.0        ±5.0        ±10
                時域特性        沖擊力脈沖持續(xù)時間示值誤差(%)        ±10
                        階躍力上升時間/下降時間(ms)        按實測值
                頻域特性        幅頻特性(%)        ±10
                        相頻特性(o)        與參考頻率點≤5o，其他頻率點≤15o
                安裝諧振頻率(Hz）        按實測值
                固有頻率(Hz）        按實測值
        絕緣電阻        按實測值
備
注        1、動態(tài)力傳感器及其配套信號適調(diào)器具有靜態(tài)輸出的（如配套準(zhǔn)靜態(tài)電荷放大器進(jìn)行校準(zhǔn)的壓電式動態(tài)力傳感器、應(yīng)變式動態(tài)力傳感器），動態(tài)幅值靈敏度相對誤差及幅頻特性以靜態(tài)幅值靈敏度作為參考靈敏度計算；
2、動態(tài)力傳感器及其配套信號適調(diào)器不具有靜態(tài)輸出的（如低阻抗電壓輸出式型動態(tài)力傳感器），動態(tài)幅值靈敏度相對誤差及幅頻特性以正弦力法校準(zhǔn)的參考頻率點（80Hz或160Hz）的靈敏度作為參考靈敏度計算；
3、固有頻率和安裝諧振頻率的校準(zhǔn)參照被校動態(tài)力傳感器出廠技術(shù)指標(biāo)。
4、絕緣電阻的校準(zhǔn)參照被校動態(tài)力傳感器出廠技術(shù)指標(biāo)。
2.4 計量器具控制
2.4.1 校準(zhǔn)用設(shè)備
法規(guī)的修訂中增加校準(zhǔn)用設(shè)備的計量特性，主要包括：力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)、激勵電源、電荷放大器、數(shù)字電壓表或應(yīng)變式傳感器測量儀表、恒溫箱、沖擊力標(biāo)準(zhǔn)裝置、正弦力標(biāo)準(zhǔn)裝置、階躍力標(biāo)準(zhǔn)裝置、力錘、數(shù)字存儲示波器、動態(tài)信號分析儀、絕緣電阻測試儀。
校準(zhǔn)用設(shè)備與其適用的校準(zhǔn)項目如下表所示。
序號        校準(zhǔn)項目        校準(zhǔn)用設(shè)備名稱
1        靜
態(tài)
特
性        靜態(tài)幅值靈敏度        力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)
標(biāo)準(zhǔn)電壓源或電荷放大器
指示儀表（數(shù)字電壓表或應(yīng)變式傳感器測量儀表）
恒溫箱
2                直線度       
3                滯后       
4                重復(fù)性       
5                靈敏度溫度系數(shù)       
6                長期穩(wěn)定度       
7        動
態(tài)
特
性        動態(tài)幅值靈敏度        動態(tài)幅值靈敏度        沖擊力標(biāo)準(zhǔn)裝置、正弦力標(biāo)準(zhǔn)裝置或階躍力標(biāo)準(zhǔn)裝置
激勵電源（標(biāo)準(zhǔn)電壓源或恒流源）或電荷放大器
指示儀表（數(shù)字存儲示波器、動態(tài)信號分析儀或應(yīng)變式傳感器測量儀表）
8                        動態(tài)幅值靈敏度相對誤差       
9                        動態(tài)幅值靈敏度線性度       
10                時域特性        沖擊力脈沖持續(xù)時間示值誤差        沖擊力標(biāo)準(zhǔn)裝置或階躍力標(biāo)準(zhǔn)裝置
激勵電源（標(biāo)準(zhǔn)電壓源或恒流源）或電荷放大器
指示儀表（數(shù)字存儲示波器或應(yīng)變式傳感器測量儀表）
11                        階躍力上升時間/下降時間       
12                頻域特性         幅頻特性        正弦力標(biāo)準(zhǔn)裝置或階躍力標(biāo)準(zhǔn)裝置
激勵源（標(biāo)準(zhǔn)電壓源或恒流源）或電荷放大器
指示儀表（數(shù)字存儲示波器、動態(tài)信號分析儀或應(yīng)變式傳感器測量儀表）
13                         相頻特性       
14                 安裝諧振頻率       
15                 固有頻率        力錘
數(shù)字存儲示波器或動態(tài)信號分析儀
16        絕緣電阻        絕緣電阻測試儀
備注        1、應(yīng)變式動態(tài)力傳感器靜態(tài)特性校準(zhǔn)時配套使用標(biāo)準(zhǔn)電壓源和數(shù)字電壓表或直接使用同時具備提供激勵電源和顯示輸出功能的應(yīng)變式傳感器測量儀表。
2、低阻抗電壓輸出式型壓電式動態(tài)力傳感器動態(tài)特性校準(zhǔn)時的激勵源使用恒流源，指示儀表使用數(shù)字存儲示波器或動態(tài)信號分析儀。
3、壓電式動態(tài)力傳感器靜態(tài)特性校準(zhǔn)時需配套使用電荷放大器和數(shù)字電壓表。動態(tài)特性校準(zhǔn)時使用電荷放大器，指示儀表使用數(shù)字存儲示波器或動態(tài)信號分析儀。

2.4.1 校準(zhǔn)項目與校準(zhǔn)方法
2.4.1.1 校準(zhǔn)項目
法規(guī)的修訂中主要針對動態(tài)校準(zhǔn)項目進(jìn)行了修改，主要依據(jù)2.3中的說明。
2.4.1.2 校準(zhǔn)方法
靜態(tài)性能方面，基本沿用了原規(guī)程規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)和準(zhǔn)確度等級。
動態(tài)特性方面，法規(guī)的修訂中主要增加動態(tài)幅值靈敏度校準(zhǔn)（正弦力法、沖擊力法、階躍力法）、動態(tài)幅值靈敏度相對誤差的校準(zhǔn)、動態(tài)幅值靈敏度的幅值線性度校準(zhǔn)的校準(zhǔn)方法。對于時域特性校準(zhǔn)及頻域特性校準(zhǔn)進(jìn)行了修改，其中，時域特性的校準(zhǔn)主要包括沖擊力脈沖持續(xù)時間示值誤差校準(zhǔn)、階躍力上升時間/下降時間作為時域動態(tài)特性的校準(zhǔn)，而時域特性的校準(zhǔn)主要包括幅頻特性校準(zhǔn)（正弦力法、階躍力法）、相頻特性校準(zhǔn)（正弦力法、階躍力法）。除此之外，還對增加了對動態(tài)力傳感器的安裝諧振頻率的校準(zhǔn)方法（正弦力法、階躍力法）和動態(tài)力傳感器固有頻率校準(zhǔn)方法（錘擊法）的說明。
2.4.2 校準(zhǔn)結(jié)果的處理
依據(jù)JJF 1071-2010《國家計量校準(zhǔn)規(guī)范編寫規(guī)則》，本次編制規(guī)定了校準(zhǔn)結(jié)果處理的要求。
2.5 附錄
法規(guī)的修訂中刪除了附錄中的附錄2落錘式動態(tài)力標(biāo)準(zhǔn)裝置、附錄3單自由度二階線性系統(tǒng)、附錄4壓電晶體力傳感器電容測試方法、附錄5壓電晶體力傳感器靈敏閾的測試方法、附錄10檢定證書內(nèi)面格式（時域檢定結(jié)果）、附錄11檢定證書內(nèi)面格式（頻域檢定結(jié)果）。增加了附錄A靜態(tài)幅值靈敏度校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度評估、附錄B動態(tài)幅值靈敏度校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度評估、附錄E用瞬態(tài)力信號源激勵源進(jìn)行頻域特性的另一種校準(zhǔn)方法。

感謝，看看有多大的變化