《動態力傳感器校準規范》征求意見稿

1 引 言
力值計量是國防工業力學計量領域中開展最早的專業之一，在國防工業建設的各個領域，都有著廣泛的應用。力值計量主要是通過力傳感器進行力值測量和力值傳遞。目前在國防計量中，力值計量包括靜態力和動態力。動態力傳感器在產品研制、生產和使用過程中具有重要意義，動態力參數經常用來表征產品材料特性、動力系統性能、設備運行與生產中的安全參數以及一些控制反饋參數。在工業生產中，產品材料結構加載、零部件試驗、發動機測試、碰撞試驗、材料試驗、生物力學及工業自動化控制及監測等領域中，廣泛應用動態力傳感器進行各種動態力的測量。動態力傳感器的校準方法包括靜態和動態，其中動態力信號基本可分為階躍力校準(正階躍和負階躍)、沖擊力校準和正弦力校準。近年來隨著激光測速、數字信號處理等技術的發展，沖擊力、正弦力等校準技術快速發展起來，國內外相繼建立了沖擊力、正弦力的校準裝置。其中沖擊力校準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，因其力值校準范圍大，校準頻率寬，成為了國內外最為常用的動態力傳感器時域幅值靈敏度校準方法之一。
對動態力傳感器的檢定，國家早在1989年就已經制定了檢定規程JJG632-89《動態力傳感器》，規程至今近30年，未曾進行修訂。規程中既包括了靜態指標，也包括了動態指標，規程中動態性能的檢定基于靜態靈敏度，通過動態力激勵，計算傳感器的相對幅值誤差。近年來，隨著正弦力法、沖擊力法等相關校準技術研究工作的深入，技術人員對力傳感器提出包括動態靈敏度、幅頻響應、幅值線性度等動態計量特性指標校準的需求；同時動態力校準裝置大都基于加速度測量，現有規程對包括正弦力及沖擊力在內的動態檢定方法及動態計量特性的描述均存在著不足。在國外，俄羅斯、英國、德國、美國都在不斷發展動態力校準技術的研究工作，ISO/TC108/SC3 關于“動態力傳感器的校準”已到草案階段。隨著國內動態力校準裝置研究工作的快速發展，2012年根據國際國內正弦力校準技術的研究成果，頒布了JJF 1370-2012《正弦法力傳感器動態特性校準規范》，規范主要針對正弦力校準方法、校準項目。因此為了更好地適應沖擊力校準技術的研究現狀，及動態力傳感器校準的需求，迫切需要盡快修訂現有動態力檢定規程，以適應我國現有科學技術和國民經濟發展的需要。
本校準規范2016年由北京長城計量測試技術研究所和中國計量科學研究院提出編制申請，2017年通過力值硬度計量技術委員會審定同意申報編制，2018年國家質檢總局批準進行編制（國質檢量函〔2013〕101號）。
2 編制內容說明
2.1引言要求
法規的修訂中增加了引言部分，主要用來說明規范的編寫依據及相關參考規程。
2.2 術語和定義
法規的修訂中增加了術語和定義，其中主要定義了靜態幅值靈敏度、動態幅值靈敏度、沖擊力法、正弦力法、階躍力法。
2.3 計量性能要求
靜態性能方面，基本沿用了原規程規定的技術指標和準確度等級。
動態性能方面，進行了較大修改。修改依據了目前動態力校準的三種校準裝置：正弦力校準裝置、沖擊力校準裝置、階躍力校準裝置，以及兩個相關校準規范：JJF1053-1996《負荷傳感器動態特性校準規范》、JJF1370-2012《正弦力法力傳感器動態特性校準規范》。其中階躍力校準裝置及沖擊力校準裝置能夠對傳感器的時域動態特性進行評價，而正弦力校準裝置和階躍力校準裝置則能夠對傳感器的頻域動態特性進行評價。
基于以上依據，校準項目選擇了動態幅值靈敏度、動態幅值靈敏度相對誤差、動態幅值靈敏度的幅值線性度作為動態幅值靈敏度的常規校準項目，沖擊力脈沖持續時間示值誤差、階躍力上升時間/下降時間作為時域動態特性的校準項目，選擇了幅頻特性、相頻特性、固有頻率（安裝諧振頻率）作為頻域動態特性的校準項目。動態力傳感器的時域動態特性主要基于牛頓第二定律，間接測量得到動態力峰值，與傳感器輸出電壓峰值進行計算得到被校動態力傳感器的動態幅值靈敏度。對于激勵信號為瞬態時域信號的沖擊力法，其在頻域上表現為連續無限的頻譜，與正弦力值標定不同，沖擊力在涵蓋了包括諧振頻率在內的全部頻率范圍內均具有幅值分布，導致在測量沖擊力時，傳感器的動態幅值靈敏度與正弦力下的動態幅值靈敏度以及靜態靈敏度存在一定甚至較大差別。
國內動態力標準裝置主要通過質量測量和加速度測量進行溯源，其中質量測量精度相對較高，因此加速度測量誤差是動態力標準裝置測量不確定度的主要影響因素。因此動態力傳感器動態力校準的技術指標主要參照目前國內沖擊加速度測量的依據文件JJG 233－2008 《壓電加速度計檢定規程》、JJG 973－2002《沖擊測量儀檢定規程》的相關規定給出。
    修改后的技術指標如下表所示。
準確度等級        一        二        三        四
技
術
指
標        靜
態
特
性        靜態幅值靈敏度（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        -
                穩定度（%/X月）        ±0.6        ±1.0        ±2.0        ±4.0
        動
態
特
性        動態幅值靈敏度        動態幅值靈敏度值(pC/N，mV/N或mV/(V?N))        按實測值
                        動態幅值靈敏度相對誤差(%)        ±2.0        ±3.0        ±5.0        ±10
                        動態幅值靈敏度線性度(%)        ±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、動態力傳感器及其配套信號適調器具有靜態輸出的（如配套準靜態電荷放大器進行校準的壓電式動態力傳感器、應變式動態力傳感器），動態幅值靈敏度相對誤差及幅頻特性以靜態幅值靈敏度作為參考靈敏度計算；
2、動態力傳感器及其配套信號適調器不具有靜態輸出的（如低阻抗電壓輸出式型動態力傳感器），動態幅值靈敏度相對誤差及幅頻特性以正弦力法校準的參考頻率點（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參照被校動態力傳感器出廠技術指標。
4、絕緣電阻的校準參照被校動態力傳感器出廠技術指標。
2.4 計量器具控制
2.4.1 校準用設備
法規的修訂中增加校準用設備的計量特性，主要包括：力標準機、激勵電源、電荷放大器、數字電壓表或應變式傳感器測量儀表、恒溫箱、沖擊力標準裝置、正弦力標準裝置、階躍力標準裝置、力錘、數字存儲示波器、動態信號分析儀、絕緣電阻測試儀。
校準用設備與其適用的校準項目如下表所示。
序號        校準項目        校準用設備名稱
1        靜
態
特
性        靜態幅值靈敏度        力標準機
標準電壓源或電荷放大器
指示儀表（數字電壓表或應變式傳感器測量儀表）
恒溫箱
2                直線度       
3                滯后       
4                重復性       
5                靈敏度溫度系數       
6                長期穩定度       
7        動
態
特
性        動態幅值靈敏度        動態幅值靈敏度        沖擊力標準裝置、正弦力標準裝置或階躍力標準裝置
激勵電源（標準電壓源或恒流源）或電荷放大器
指示儀表（數字存儲示波器、動態信號分析儀或應變式傳感器測量儀表）
8                        動態幅值靈敏度相對誤差       
9                        動態幅值靈敏度線性度       
10                時域特性        沖擊力脈沖持續時間示值誤差        沖擊力標準裝置或階躍力標準裝置
激勵電源（標準電壓源或恒流源）或電荷放大器
指示儀表（數字存儲示波器或應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        正弦力標準裝置或階躍力標準裝置
激勵源（標準電壓源或恒流源）或電荷放大器
指示儀表（數字存儲示波器、動態信號分析儀或應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
數字存儲示波器或動態信號分析儀
16        絕緣電阻        絕緣電阻測試儀
備注        1、應變式動態力傳感器靜態特性校準時配套使用標準電壓源和數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變式傳感器測量儀表。
2、低阻抗電壓輸出式型壓電式動態力傳感器動態特性校準時的激勵源使用恒流源，指示儀表使用數字存儲示波器或動態信號分析儀。
3、壓電式動態力傳感器靜態特性校準時需配套使用電荷放大器和數字電壓表。動態特性校準時使用電荷放大器，指示儀表使用數字存儲示波器或動態信號分析儀。

2.4.1 校準項目與校準方法
2.4.1.1 校準項目
法規的修訂中主要針對動態校準項目進行了修改，主要依據2.3中的說明。
2.4.1.2 校準方法
靜態性能方面，基本沿用了原規程規定的技術指標和準確度等級。
動態特性方面，法規的修訂中主要增加動態幅值靈敏度校準（正弦力法、沖擊力法、階躍力法）、動態幅值靈敏度相對誤差的校準、動態幅值靈敏度的幅值線性度校準的校準方法。對于時域特性校準及頻域特性校準進行了修改，其中，時域特性的校準主要包括沖擊力脈沖持續時間示值誤差校準、階躍力上升時間/下降時間作為時域動態特性的校準，而時域特性的校準主要包括幅頻特性校準（正弦力法、階躍力法）、相頻特性校準（正弦力法、階躍力法）。除此之外，還對增加了對動態力傳感器的安裝諧振頻率的校準方法（正弦力法、階躍力法）和動態力傳感器固有頻率校準方法（錘擊法）的說明。
2.4.2 校準結果的處理
依據JJF 1071-2010《國家計量校準規范編寫規則》，本次編制規定了校準結果處理的要求。
2.5 附錄
法規的修訂中刪除了附錄中的附錄2落錘式動態力標準裝置、附錄3單自由度二階線性系統、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檢定證書內面格式（時域檢定結果）、附錄11檢定證書內面格式（頻域檢定結果）。增加了附錄A靜態幅值靈敏度校準結果的不確定度評估、附錄B動態幅值靈敏度校準結果的不確定度評估、附錄E用瞬態力信號源激勵源進行頻域特性的另一種校準方法。

感謝，看看有多大的變化