《動(dòng)態(tài)力傳感器校準(zhǔn)規(guī)范》征求意見稿

1 引 言
力值計(jì)量是國(guó)防工業(yè)力學(xué)計(jì)量領(lǐng)域中開展最早的專業(yè)之一，在國(guó)防工業(yè)建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域，都有著廣泛的應(yīng)用。力值計(jì)量主要是通過力傳感器進(jìn)行力值測(cè)量和力值傳遞。目前在國(guó)防計(jì)量中，力值計(jì)量包括靜態(tài)力和動(dòng)態(tài)力。動(dòng)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(dòng)態(tài)力參數(shù)經(jīng)常用來表征產(chǎn)品材料特性、動(dòng)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(yàn)、發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試、碰撞試驗(yàn)、材料試驗(yàn)、生物力學(xué)及工業(yè)自動(dòng)化控制及監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域中，廣泛應(yīng)用動(dòng)態(tài)力傳感器進(jìn)行各種動(dòng)態(tài)力的測(cè)量。動(dòng)態(tài)力傳感器的校準(zhǔn)方法包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)，其中動(dòng)態(tài)力信號(hào)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(cè)速、數(shù)字信號(hào)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(guó)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(shí)際測(cè)量中最常見的沖擊力脈沖信號(hào)，因其力值校準(zhǔn)范圍大，校準(zhǔn)頻率寬，成為了國(guó)內(nèi)外最為常用的動(dòng)態(tài)力傳感器時(shí)域幅值靈敏度校準(zhǔn)方法之一。
對(duì)動(dòng)態(tài)力傳感器的檢定，國(guó)家早在1989年就已經(jīng)制定了檢定規(guī)程JJG632-89《動(dòng)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(dòng)態(tài)指標(biāo)，規(guī)程中動(dòng)態(tài)性能的檢定基于靜態(tài)靈敏度，通過動(dòng)態(tài)力激勵(lì)，計(jì)算傳感器的相對(duì)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(duì)力傳感器提出包括動(dòng)態(tài)靈敏度、幅頻響應(yīng)、幅值線性度等動(dòng)態(tài)計(jì)量特性指標(biāo)校準(zhǔn)的需求；同時(shí)動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)裝置大都基于加速度測(cè)量，現(xiàn)有規(guī)程對(duì)包括正弦力及沖擊力在內(nèi)的動(dòng)態(tài)檢定方法及動(dòng)態(tài)計(jì)量特性的描述均存在著不足。在國(guó)外，俄羅斯、英國(guó)、德國(guó)、美國(guó)都在不斷發(fā)展動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)技術(shù)的研究工作，ISO/TC108/SC3 關(guān)于“動(dòng)態(tài)力傳感器的校準(zhǔn)”已到草案階段。隨著國(guó)內(nèi)動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)裝置研究工作的快速發(fā)展，2012年根據(jù)國(guó)際國(guó)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(dòng)態(tài)特性校準(zhǔn)規(guī)范》，規(guī)范主要針對(duì)正弦力校準(zhǔn)方法、校準(zhǔn)項(xiàng)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(dòng)態(tài)力傳感器校準(zhǔn)的需求，迫切需要盡快修訂現(xiàn)有動(dòng)態(tài)力檢定規(guī)程，以適應(yīng)我國(guó)現(xiàn)有科學(xué)技術(shù)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。
本校準(zhǔn)規(guī)范2016年由北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所和中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院提出編制申請(qǐng)，2017年通過力值硬度計(jì)量技術(shù)委員會(huì)審定同意申報(bào)編制，2018年國(guó)家質(zhì)檢總局批準(zhǔn)進(jìn)行編制（國(guó)質(zhì)檢量函〔2013〕101號(hào)）。
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(dòng)態(tài)幅值靈敏度、沖擊力法、正弦力法、階躍力法。
2.3 計(jì)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(jí)。
動(dòng)態(tài)性能方面，進(jìn)行了較大修改。修改依據(jù)了目前動(dòng)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(gè)相關(guān)校準(zhǔn)規(guī)范：JJF1053-1996《負(fù)荷傳感器動(dòng)態(tài)特性校準(zhǔn)規(guī)范》、JJF1370-2012《正弦力法力傳感器動(dòng)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(shí)域動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行評(píng)價(jià)，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(dòng)態(tài)特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。
基于以上依據(jù)，校準(zhǔn)項(xiàng)目選擇了動(dòng)態(tài)幅值靈敏度、動(dòng)態(tài)幅值靈敏度相對(duì)誤差、動(dòng)態(tài)幅值靈敏度的幅值線性度作為動(dòng)態(tài)幅值靈敏度的常規(guī)校準(zhǔn)項(xiàng)目，沖擊力脈沖持續(xù)時(shí)間示值誤差、階躍力上升時(shí)間/下降時(shí)間作為時(shí)域動(dòng)態(tài)特性的校準(zhǔn)項(xiàng)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(dòng)態(tài)特性的校準(zhǔn)項(xiàng)目。動(dòng)態(tài)力傳感器的時(shí)域動(dòng)態(tài)特性主要基于牛頓第二定律，間接測(cè)量得到動(dòng)態(tài)力峰值，與傳感器輸出電壓峰值進(jìn)行計(jì)算得到被校動(dòng)態(tài)力傳感器的動(dòng)態(tài)幅值靈敏度。對(duì)于激勵(lì)信號(hào)為瞬態(tài)時(shí)域信號(hào)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(cè)量沖擊力時(shí)，傳感器的動(dòng)態(tài)幅值靈敏度與正弦力下的動(dòng)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(guó)內(nèi)動(dòng)態(tài)力標(biāo)準(zhǔn)裝置主要通過質(zhì)量測(cè)量和加速度測(cè)量進(jìn)行溯源，其中質(zhì)量測(cè)量精度相對(duì)較高，因此加速度測(cè)量誤差是動(dòng)態(tài)力標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)量不確定度的主要影響因素。因此動(dòng)態(tài)力傳感器動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)的技術(shù)指標(biāo)主要參照目前國(guó)內(nèi)沖擊加速度測(cè)量的依據(jù)文件JJG 233－2008 《壓電加速度計(jì)檢定規(guī)程》、JJG 973－2002《沖擊測(cè)量?jī)x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(jí)        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(shí)測(cè)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(dòng)
態(tài)
特
性        動(dòng)態(tài)幅值靈敏度        動(dòng)態(tài)幅值靈敏度值(pC/N，mV/N或mV/(V?N))        按實(shí)測(cè)值
                        動(dòng)態(tài)幅值靈敏度相對(duì)誤差(%)        ±2.0        ±3.0        ±5.0        ±10
                        動(dòng)態(tài)幅值靈敏度線性度(%)        ±2.0        ±3.0        ±5.0        ±10
                時(shí)域特性        沖擊力脈沖持續(xù)時(shí)間示值誤差(%)        ±10
                        階躍力上升時(shí)間/下降時(shí)間(ms)        按實(shí)測(cè)值
                頻域特性        幅頻特性(%)        ±10
                        相頻特性(o)        與參考頻率點(diǎn)≤5o，其他頻率點(diǎn)≤15o
                安裝諧振頻率(Hz）        按實(shí)測(cè)值
                固有頻率(Hz）        按實(shí)測(cè)值
        絕緣電阻        按實(shí)測(cè)值
備
注        1、動(dòng)態(tài)力傳感器及其配套信號(hào)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(dòng)態(tài)力傳感器、應(yīng)變式動(dòng)態(tài)力傳感器），動(dòng)態(tài)幅值靈敏度相對(duì)誤差及幅頻特性以靜態(tài)幅值靈敏度作為參考靈敏度計(jì)算；
2、動(dòng)態(tài)力傳感器及其配套信號(hào)適調(diào)器不具有靜態(tài)輸出的（如低阻抗電壓輸出式型動(dòng)態(tài)力傳感器），動(dòng)態(tài)幅值靈敏度相對(duì)誤差及幅頻特性以正弦力法校準(zhǔn)的參考頻率點(diǎn)（80Hz或160Hz）的靈敏度作為參考靈敏度計(jì)算；
3、固有頻率和安裝諧振頻率的校準(zhǔn)參照被校動(dòng)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(dòng)態(tài)力傳感器出廠技術(shù)指標(biāo)。
2.4 計(jì)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(jì)量特性，主要包括：力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)、激勵(lì)電源、電荷放大器、數(shù)字電壓表或應(yīng)變式傳感器測(cè)量?jī)x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(chǔ)示波器、動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀、絕緣電阻測(cè)試儀。
校準(zhǔn)用設(shè)備與其適用的校準(zhǔn)項(xiàng)目如下表所示。
序號(hào)        校準(zhǔn)項(xiàng)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(cè)量?jī)x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(zhǎng)期穩(wěn)定度       
7        動(dòng)
態(tài)
特
性        動(dòng)態(tài)幅值靈敏度        動(dòng)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(lì)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(chǔ)示波器、動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀或應(yīng)變式傳感器測(cè)量?jī)x表）
8                        動(dòng)態(tài)幅值靈敏度相對(duì)誤差       
9                        動(dòng)態(tài)幅值靈敏度線性度       
10                時(shí)域特性        沖擊力脈沖持續(xù)時(shí)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(lì)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(chǔ)示波器或應(yīng)變式傳感器測(cè)量?jī)x表）
11                        階躍力上升時(shí)間/下降時(shí)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(lì)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(chǔ)示波器、動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀或應(yīng)變式傳感器測(cè)量?jī)x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(chǔ)示波器或動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀
16        絕緣電阻        絕緣電阻測(cè)試儀
備注        1、應(yīng)變式動(dòng)態(tài)力傳感器靜態(tài)特性校準(zhǔn)時(shí)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(shí)具備提供激勵(lì)電源和顯示輸出功能的應(yīng)變式傳感器測(cè)量?jī)x表。
2、低阻抗電壓輸出式型壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器動(dòng)態(tài)特性校準(zhǔn)時(shí)的激勵(lì)源使用恒流源，指示儀表使用數(shù)字存儲(chǔ)示波器或動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀。
3、壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器靜態(tài)特性校準(zhǔn)時(shí)需配套使用電荷放大器和數(shù)字電壓表。動(dòng)態(tài)特性校準(zhǔn)時(shí)使用電荷放大器，指示儀表使用數(shù)字存儲(chǔ)示波器或動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀。

2.4.1 校準(zhǔn)項(xiàng)目與校準(zhǔn)方法
2.4.1.1 校準(zhǔn)項(xiàng)目
法規(guī)的修訂中主要針對(duì)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)項(xiàng)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(jí)。
動(dòng)態(tài)特性方面，法規(guī)的修訂中主要增加動(dòng)態(tài)幅值靈敏度校準(zhǔn)（正弦力法、沖擊力法、階躍力法）、動(dòng)態(tài)幅值靈敏度相對(duì)誤差的校準(zhǔn)、動(dòng)態(tài)幅值靈敏度的幅值線性度校準(zhǔn)的校準(zhǔn)方法。對(duì)于時(shí)域特性校準(zhǔn)及頻域特性校準(zhǔn)進(jìn)行了修改，其中，時(shí)域特性的校準(zhǔn)主要包括沖擊力脈沖持續(xù)時(shí)間示值誤差校準(zhǔn)、階躍力上升時(shí)間/下降時(shí)間作為時(shí)域動(dòng)態(tài)特性的校準(zhǔn)，而時(shí)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(duì)增加了對(duì)動(dòng)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(dòng)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(guó)家計(jì)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(dòng)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(cè)試方法、附錄5壓電晶體力傳感器靈敏閾的測(cè)試方法、附錄10檢定證書內(nèi)面格式（時(shí)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(píng)估、附錄B動(dòng)態(tài)幅值靈敏度校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度評(píng)估、附錄E用瞬態(tài)力信號(hào)源激勵(lì)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