ГОСТ ИСО 5347-1-96

ГОСТ ИСО 5347-1-96 МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ

ВИБРАЦИЯ

КАЛИБРОВКА ДАТЧИКОВ ВИБРАЦИИ И УДАРА

Ч а с т ь 1. ПЕРВИЧНАЯ ВИБРАЦИОННАЯ КАЛИБРОВКА МЕТОДАМИ ЛАЗЕРНОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ

Издание официальное

МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СОВЕТ ПО СТАНДАРТИЗАЦИИ, МЕТРОЛОГИИ И СЕРТИФИКАЦИИ Минск

ГОСТ ИСО 5347-1-96

Предисловие

1    РАЗРАБОТАН Техническим комитетом по стандартизации ТК 183 ВНЕСЕН Госстандартом России

2    ПРИНЯТ Межгосударственным Советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол № 9—96 от 12 апреля 1996 г.)

3    Настоящий стандарт представляет собой полный аутентичный текст международного стандарта ИСО 5347—1—87 «Вибрация. Калибровка датчиков вибрации и удара. Часть 1. Первичная вибрационная калибровка методами лазерной интерферометрии»

4    ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

5    Постановлением Государственного комитета Российской Федерации по стандартизации, метрологии и сертификации от 17 марта 1997 г. № 98 межгосударственный стандарт ГОСТ ИСО 5347-1-96 введен в действие непосредственно в качестве государственного стандарта Российской Федерации с 1 июля 1997 г.

© ИПК Издательство стандартов, 1997

Настоящий стандарт не может быть полностью или частично воспроизведен, тиражирован и распространен в качестве официального издания на территории Российской Федерации без разрешения Госстандарта России

II

ГОСТ ИСО 5347-1-96

Содержание

1    Область применения..............................................................1

2    Нормативные ссылки.............................. I

3    Аппаратура............................................................................2

4    Окружающие условия............................................................4

5    Предпочтительные значения амплитуд и частот......................4

6    Метод 1 (метод счета интерференционных полос) для диапазона

частот 20—800 Гц..................................................................4

7    Метод 2 (метод минимумов) для диапазона частот 800—5000 Гц 7

Приложение А Расчет неопределенности..................................10

Приложение Б Формулы для расчета ускорения........................13

III

ГОСТ ИСО 5347-1-96

Введение

Настоящий стандарт распространяется на линейные акселеромет-рические датчики, главным образом пьезоэлектрического типа (далее — акселерометры), и устанавливает методы первичной калибровки акселерометров с помощью лазерной интерферометрии и технические характеристики используемой при этом аппаратуры.

Курсивом выделены примечания, позволяющие использовать стандарт в расширенных амплитудном и частотном диапазонах.

IV

ГОСТ ИСО 5347-1-96 МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ

Вибрация

КАЛИБРОВКА ДАТЧИКОВ ВИБРАЦИИ И УДАРА

Часть 1. Первичная вибрационная калибровка методами лазерной интерферометрии

Vibration. Calibration of vibration and shock pick-ups. Part 1. Primary vibration calibration by laser inlerferometry

Дата введения 1997—07—01

1    ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Настоящий стандарт устанавливает методы калибровки акселерометров, а в случае их использования в областях, попадающих в сферу государственного метрологического контроля и надзора, — методы поверки в диапазоне частот 20—5000 Гц и диапазоне амплитуд ускорения 10—1000 м/с² (в зависимости от частоты).

Допускаемая погрешность калибровки:

±0,5 % на опорной частоте (160 или 80 Гц), опорной амплитуде (100 или 10 м/с²) и опорной настройке усилителя;

±1 % для частот до 1000 Гц включительно;

±2 % для частот свыше 1000 Гц.

Примечание — Методы кшибровки и технические характеристики применяемой аппаратуры, устанавливаемые стандартом, могут быть использованы в диапазонах частот и амплитуд ускорения, выходящих за рачки указанных. При этом погрешность калибровки, рассчитываемая по формулам, приведенным в при,южении А, может иметь другие, нежели указанные, чисювые значения.

2    НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ

В настоящем стандарте использована ссылка на

МИ 2060—90 ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений длины в диапазоне 1 • 10 ⁶ — 50 м и длин волн в диапазоне 0,2 - 50 мкм.

Издание официальное

1

ГОСТ И СО 5347-1-96

3 АППАРАТУРА

3.1    Аппаратуру следует использовать при окружающих условиях, соответствующих требованиям, указанным в разделе 4.

3.2    Генератор частоты и индикатор, имеющие следующие характеристики:

-    допускаемую погрешность по частоте — ±0,01 % показания;

-    нестабильность частоты — не менее ±0,01 % показания за время измерения;

-    нестабильность амплитуды — не менее ±0,01 % показания за время измерения.

3.3    Комплекс, состоящий из усилителя мощности и вибратора, имеющий следующие характеристики:

-    суммарный коэффициент нелинейных искажений — не более 2 %;

-    поперечное ускорение, ускорение от изгиба акселерометра и ускорение от качания акселерометра должны быть, по возможности, минимальными и не превышать (в сумме) 10 % значения ускорения в основном направлении (в частотном диапазоне свыше 1000 Гц допускается 20 %)\

-    шум — не менее чем на 70 дБ ниже выходного сигнала; ,

-    нестабильность амплитуды ускорения — не более 0,05 % показания за время измерения.

Поверхность, к которой крепят акселерометр, не должна вызывать его деформации.

3.4    Сейсмический блок вибратора и лазерного интерферометра (единый блок) должен иметь массу, по крайней мере, в 2000 раз больше суммарной массы движущегося элемента вибратора, крепления и акселерометра.

Сейсмический блок должен быть вывешен на слабодемпфирован-ных пружинах, если вибрация пола оказывает заметное влияние на работу интерферометра или акселерометра; резонансная частота сейсмического блока с пружинами в вертикальном и горизонтальном направлениях должна находиться в пределах 1—2 Гц.

Примечание — Допускаются другие соотношения между массами, если приняты специальные меры, помимо укатанных, направленные на демпфирование блока вибратора и лазерного интерферометра.

3.5    Лазер гелий-неонового типа; в лабораторных условиях (давление воздуха 100 кПа, температура 23 *С и относительная влажность 50 %); длина волны 0,6328 мкм.

2

ГОСТ ИСО 5347-1-96

Если лазер имеет устройство ручной или автоматической атмосферной компенсации, оно может быть выключено.

Примечание — Одночастотный стабилизированный лазер должен быть калиброван по длине волны в соответствии с МИ 2060.

3.6    Интерферометр типа Майкельсона с фотодетектором для детектирования интерференционной картины; частотный диапазон 0—15 МГц.

Примечание — Допускается применение модифицированного интерферометра Майкельсона, а также интерферометров с другими интерференционными схемами, в частности испольгующими трехгранные уголковые отражатели,

3.7    Счетчиковая аппаратура (метол !, частотный диапазон 20— 800 Гц), имеющая следующие характеристики:

-    диапазон частот — 10 Гц — 20 МГц;

-    допускаемая погрешность — ±0,01 % показания.

Наряду со счетчиком импульсов может быть использован счетчик отношения с аналогичной погрешностью.

3.8    Перестраиваемый полосовой фильтр или спектроанализатор (метод 2, частотный диапазон 1000—5000 Гц), имеющие следующие характеристики:

-    диапазон частот — 100—10000 Гц;

-    ширина полосы — менее 12 % центральной частоты;

-    наклон — не менее 24 дБ на октаву;

-    отношение сигнал/шум — не менее чем на 70 дБ ниже максимального сигнала;

-    динамический диапазон — не менее 60 дБ.

3.9    Аппаратура для детектирования нуля (метод 2 — в случае, если не используется спектроанализатор); диапазон частот 30—5000 Гц. Диапазон частот должен быть достаточным для детектирования шума выходного сигнала полосового фильтра.

3.10    Аппаратура для измерения истинного среднего квадратического значения выходного сигнала акселерометра, имеющая следующие характеристики:

-    диапазон частот — 20—5000 Гц;

-    допускаемая погрешность — ±0,01 % показания; при частотах ниже 40 Гц — 0,1 % показания.

Для получения значения амплитуды напряжения его среднее квадратическое значение должно быть умножено на V"2.

3.11    Аппаратура для измерения нелинейных искажений в диапазоне 0—5 %, имеющая следующие характеристики:

3

ГОСТ ИСО 5347-1-96

-    диапазон частот — 5 Ги — 10 кГи;

-    допускаемая погрешность — ±10 % показания.

3.12    Осциллограф (является необязательным) для контроля формы кривой сигнала акселерометра, имеющий диапазон частот 5-5000 Гц.

3.13    Другие требования

Для достижения погрешности калибровки 0,5 % акселерометр и усилитель акселерометра следует рассматривать как одно целое и калибровать совместно.

Конструкция акселерометра должна быть жесткой. Порог чувствительности акселерометра к механическим напряжениям корпуса должен быть менее 0,2 10'⁸ м/с²; поперечная чувствительность акселерометра должна быть не более 1 %\ нестабильность чувствительности акселерометра совместно с усилителем должна быть не более 0,2 % показания в течение года.

4    ОКРУЖАЮЩИЕ УСЛОВИЯ

Калибровку следует проводить при окружающих условиях:

-    температура воздуха — (23±3) *С;

-    атмосферное давление — (100±5) кПа;

-    относительная влажность воздуха — (50±25) %.

5    ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ АМПЛИТУД И ЧАСТОТ

Шесть значений амплитуд ускорения и шесть значений частоты должны быть выбраны из следующих рядов:

Ускорение (только для метода 1):

Ю - 20 - 50 - 100 - 250 - 500 м/с².

Опорное ускорение — 100 м/с² (или 10 м/с²).

Частота

20 — 40 — 80 — 160 — 315 - 630 - 1250 - 2500 - 5000 Гц.

Опорная частота — 160 Гц (или 80 Гц).

6    МЕТОД 1 (МЕТОД СЧЕТА ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ ПОЛОС)

ДЛЯ ДИАПАЗОНА ЧАСТОТ 20-800 Гц

6.1 Процедура

После надлежащей настройки интерференционного устройства определяют опорный коэффицие»гг преобразования на предпочти-

4

ГОСГИСО 5347-1-96

тельной частоте 160 Гц (или 80 Гц), при предпочтительном ускорении 100 м/с² (или 10 м/с²) и стандартном положении переключателя диапазонов усилителя путем измерения частоты полос с помошью счетчика полос (3.7) {используют метод счета интерференционных полос в соответствии с рисунком 1 ] либо путем измерения отношения частот вибрации и интерференционных полос с помощью счетчика отношения (3.7). Затем определяют коэффициент преобразования при других значениях ускорений и частот. Результаты должны быть выражены как отклонение в процентах от опорного коэффициента преобразования.

Для каждой пары ускорения и частоты должны быть измерены нелинейные искажения, поперечное ускорение, ускорения от изгиба и от качания акселерометра, шум, значения которых должны быть в пределах, указанных в 3.3.

6.2 Представление результатов (см. также Б.1 приложения Б)

По результатам измерения частоты интерференционных полос вычисляют амплитуду а ускорения акселерометра, м/с², по формуле

о = 3,1228- 10“⁶ • / f_f и коэффициент преобразования S по формуле

5= 0,3202 • 10⁶ ~,

/Ч

где V — амплитуда выходного сигнала акселерометра, В;

/ — частота вибратора, Гц;

ff — число периодов (интерференционных полос) за период времени, намного больший периода вибрации, — число периодов, деленное на время, т.е. частота полос, Гц.

Если используют счетчик отношения, амплитуду ускорения а, м/с², вычисляют по формуле

а - 3,1228- ИГ⁶-/²-Л/, а коэффициент преобразования 5 — по формуле

S = 0,3202 • 10⁶ ^г~,

Г Ь

где Rf — отношение частоты полос к частоте вибрации, измеренное за период времени, по крайней мере в 100 раз больший, чем период вибрации.

5

1 — вибратор, 2 — усилитель мощности, 3 — генератор частоты и индикатор, 4 — плоское зеркало, 5 — итлгерферометр; б — окселерометр; 7 — фотодетектор. 8— оптический фильтр, 9 — лазер; 10— только для счет* отношения, II — счетчик (или счетчик отношения); 12 — усилитель; 13 — вольтметр; 14 — измеритель нелинейных искажений; 15 — осциллограф

Рисунок 1 — Измерительная система для метода счета интерференционных полос (метод I)

6

ГОСТ ИСО 5347-1-96

Значение коэффициента преобразования следует сопровождать указанием погрешности калибровки и доверительным уровнем, которые вычисляют в соответствии с приложением А.

Должен быть использован доверительный уровень 99 % (или 95 %).

7 МЕТОД 2 (МЕТОД МИНИМУМОВ) ДЛЯ ДИАПАЗОНА ЧАСТОТ

800- 5000 Ги

7.1 Процедура

С помощью полосового фильтра с центральной частотой, равной частоте сигнала акселерометра, фильтруется сигнал фотодетектора. Этот отфильтрованный сигнал имеет ряд минимумов, соответствующих определенным амплитудам перемещения акселерометра и приведенных в таблице 1.

После установки частоты амплитуду вибратора регулируют, начиная с нулевого значения до достижения максимума отфильтрованного сигнала фотодетектора и далее до его минимального значения. Это минимальное значение — первый минимум отфильтрованного сигнала — соответствует амплитуде перемещения 0,193 мкм. Амплитуды перемещения для других минимумов указаны в таблице 1. Измерительная система для метода минимумов изображена на рисунке 2.

7

/ 2

/ — усилитель мощности; 2 — генератор частоты и индикатор; 3 — вибратор; 4 — плоское зеркало; 5 — интерферометр, 6 — акселерометр; 7 — фотодетектор;    огтгичес-.

кий фильтр; 9— лахр; 10— частотный анализатор, //— полосовой фильтр, настроенный на частоту вибратора. 12 — вольтметр; 13 — усилитель. 14 — вольтметр, 15 — измеритель нелинейных искажений; 16— осциллограф

Рисунок 2 — Измерительная система для метода минимумов (метод 2)

8

ГОСТ ИСО 5347-1-96

7.2 Представление результатов (см. также Б. 1 приложения Б)

Амплитуду ускорения а, м/с², вычисляют по формуле

а = 39,478 - 10~⁶ • d f² . а коэффициент преобразования S— по формуле

5- 0,25331 • Ю⁵ , d /

где V — амплитуда выходного сигнала акселерометра. В;

d — амплитуда перемещения для минимума в соответствии с таблицей I, мкм;

/ — частота вибратора, Гц.

Полученные этим методом коэффициенты преобразования используют для расчета отклонений от опорного коэффициента преобразования, полученного на частоте 160 Гц (80 Гц) и при ускорении 100 м/с² (10 м/с²) методом 1 (см. раздел 6).

Значение коэффициента преобразования следует сопровождать указанием погрешности калибровки и доверительным уровнем, которые вычисляют в соответствии с приложением А.

Должен быть использован доверительный уровень 99 % (или 95 %).

9

ГОСТ ИСО 5347-1-96

ПРИЛОЖЕНИЕ А (обязательноt)

РАСЧЕТ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ

А. 1 Расчет обшей (суммарной) неопределенности

Обшую (суммарную) неопределенность калибровки для установленного доверительного уровня CL (для настоящего стандарта CL*= 99 или 95 %) Xql рассчитывают по формуле    _

Xql -±'JX* + Xj , где Хг — случайная неопределенность;

X, — систематическая неопределенность.

Случайную неопределенность для установленного доверительного уровня X_r (cl ) рассчитывают по формуле

_v . а/ ^e2ri+^eli + *²r1 + --

«V -- •

где e,i, е_г2, ..., е,„ — дисперсия (отклонение) от среднего арифметического значения результатов единичных измерений в серии измерений; я — число измерений;

/ — коэффициент распределения Стьюдента, соответствующий установленному доверительному уровню и числу измерений.

Систематическая погрешность должна быть исключена или компенсирована. Остаточную неопределенность X_S(CL) рассчитывают по формуле

у    ^к    «

^XHCL)^xj=*s>

где К = 2,0 для доверительного уровня 95 % (CL = 95 %) или К - 2,6 для доверительного уровня 99 % (CL = 99 %); е, — абсолютная погрешность коэффициента преобразования при фиксированных частотах, амплитудах и положениях переключателей усилителя, В с²/м (см. А.2).

А.2 Расчет абсолютной погрешности коэффициента преобразования е, при фиксированных частотах, амплитудах н положениях переключателей усилителя

А.2.1 Расчете, для метола I

Абсолютную погрешность коэффициента преобразования е, при фиксированных частотах, амплитудах и положениях переключателей усилителя рассчитывают по формуле

10

где S — коэффициент преобразования. В • с¹/**;

V — амплитуда выходного сигнала акселерометра, В;

а при использовании счетчика отношения — по формуле

еу — абсолютная погрешность вольтметра акселерометра, В,

/— частота вибратора, Гц;

ef — абсолютная погрешность частоты вибратора, Гц;

fj — частота полос, Гц;

tf_t — абсолютная погрешность частоты интерференционных полос. Гц;

V_{ — абсолютная погрешность детектирования интерференционной полосы, которая представляет собой изменение выходного напряжения акселерометра, соответствующее единице последнего используемого разряда счетчика частоты интерференционных полос, В;

— суммарное искажение, равное 100 yf    ,    %,

где а,о, — истинное среднее квадратическое значение суммарного ускорения, м/с¹;

а_гт, — истинное среднее квадратическое значение ускорения при возбуждающей частоте, м/с²;

ат— сумма поперечного ускорения, ускорения от изгиба акселерометра и ускорения от качания акселерометра, м/с²;

Т — наибольшее значение поперечной чувствительности акселерометра. % к амплитуде ускорения в направлении измерения;

ац~ ускорение, вызываемое шумом, м/с²;

В — погрешность длины волны лазера и интерферометра, % длины волны;

Rf— отношение частоты вибрации к частоте интерференционных полос, измеренное за время, не меньшее 100 периодов вибрации;

— абсолютная погрешность отношения.

А.2.2 Расчет е, для метода 2

Абсолютную погрешность коэффициента преобразования е,, В с²/м, при фиксированных частотах, амплитудах и положениях переключателей усилителя рассчитывают по формуле

II

ГОСТ ИСО 5347-1-96

где S — коэффициент преобразования, В с²/м (см. 7.2);

V— амплитуда выходного сигнала акселерометра. В;

«V— абсолютная погрешность вольтметра акселерометра. В;

У. — разрешающая способность в минимуме, равная изменению выходного сигнала акселерометра, при котором показания вольтметра, используемого для индикации минимума, изменяются от наименьшего значения перед минимумом до наименьшего значения после минимума, В;

d,₀,    - суммарное искажение, равное 100 *\j    , %,

⁰ rml

где а,о, — истинное среднее квадратическое значение суммарного ускорения, м/с²;

a_r„_s — истинное среднее квадратическое значение ускорения при возбуждающей частоте, м/с²;

<j_r— сумма поперечного ускорения, ускорения от изгиба акселерометра и ускорения от качания акселерометра, м/с²;

Г — наибольшее значение поперечной чувствительности акселерометра. % амплитуды ускорения в направлении измерения;

оц — ускорение, вызываемое шумом, м/с²;

/— частота вибратора, Гц (см. 7.2);

tf — абсолютная погрешность частоты вибратора, Гц.

Л.3 Расчет обшей абсолютной погрешности коэффициента преобразования e_st и неопределенности для полного амплитудного и частотного диапазонов

Абсолютная погрешность коэффициента преобразования е„ рассчитываемая в соответствии с А 2.1 или А.2.2, имеет место для фиксированных частот, амплитуд и положений переключателей усилителя. Обшую погрешность коэффициента преобразования е,/, В • с²/м, и неопределенность для полного амплитудного и частотного диапазонов рассчитывают по формуле

ь. д /fef

s у {sJ ^iooj    \iooJ \iooj \jooJ ^ooj *\iooj ^iooJ •

где 5 — коэффициент преобразования, В с²/м (см. 6.2 или 7.2);

e,    — абсолютная погрешность коэффициента преобразования для опорной частоты, амплитуды и фиксированных положений переключателей усилителя, рассчитанная в соответствии с А,2.1 или А.2.2, В • с²/м;

12

ГОСТ ИСО 5347-1-96

Lf_A — отклонение амплитудно-частотной характеристики усилителя, % коэффициента преобраэования;

Lfj, - отклонение амплитудно-частотной характеристики акселерометра, % коэффициента преобраэования;

1_аА — нелинейность амплитудной характеристики усилителя, % коэффициента преобразования;

L_a? — нелинейность амплитудной характеристики акселерометра, % коэффициента преобразования;

/_А — погрешность от нестабильности цепи усилителя и погрешность импеданса источника, % коэффициента преобразования;

1р— погрешность от нестабильности акселерометра, % коэффициента преобраэования;

R — погрешность усиления по диапазону усилителя (погрешности усиления для различных настроек усилителя), % коэффициента преобразования;

Е_л — погрешность, вызванная воздействием окружающих условий на усилитель, % коэффициента преобразования;

£> — погрешность, вызванная воздействием окружающих условий на акселерометр, % коэффициента преобразования.

ПРИЛОЖЕНИЕ Б (обязательное)

ФОРМУЛЫ ДЛЯ РАСЧЕТА УСКОРЕНИЯ Б.1 Процедура 1

Длина волны ). главной линии спектра излучения неона принята равной 0,632815 мкм при давлении 100 кПа.

В интерферометре перемещение, соответствующее расстоянию между двумя соседними полосами (максимальной или минимальной интенсивностями).

4 d к Х/2"/’

где d

13

8 /•

ГОСТ ИСО 5347-1-96

Ускорение а = 4 к² /² d.

где/— частота вибратора, Гц;

fj— частота интерференционных полос, Гц.

Б. 2 Процедура 2

Регулируя амплитуду вибрации до уровня, при котором амплитуда составляющей спектра, частота которой равна частоте вибрации, становится равной нулю, амплитуду перемещения d и амплитуду ускорения а определяют по следующим формулам:

а - 4 я¹ •/* - d,

где J„ — аргументы, соответствующие различным нулям функции Бесселя, приведенные в таблице Б.1.

14

ГОСТ ИСО 5347-1-96

УДК 534.17.089.6:006.354 ОКС 17.160    Т88.2    ОКСТУ 0008

Ключевые слова: вибрация, акселерометр, калибровка, лазер, интерферометр

15

Редактор Л В. Афомсмо Технический редактор В Н Пруюкаю Корректор М.С. Кобошаеа Компьютерная верстке E.N. МартеммюФоб

Игл »u Н> 021007 от 10.66.95. Сдано а тбор 0) 04.97. Подписано а печать 23.04.97. _Уел печ л. 1.16 Учиц. .г 0.90. Тираж 367 «I С 460 За» 331_

ИПК Издательство стандарте». 107076, Москва.

Колодезный пер.. U.

Набрано в Иштсльстве на ПЭВМ Филиал ИПК Издательство стандартов — тип "Московский печатник" Москва. Л «.чин пер., 6