加速度傳感器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)不確定度評估方法的研究

張 娜，沈小林, 劉新生

(1.中北大學(xué) 計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，太原 030051；2.中北大學(xué) 控制科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室，太原 030051;3.北方激光科技集團(tuán)有限公司,江蘇 揚(yáng)州 225000)

加速度傳感器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)不確定度評估方法的研究

張 娜，沈小林, 劉新生

(1.中北大學(xué) 計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，太原 030051；2.中北大學(xué) 控制科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室，太原 030051;3.北方激光科技集團(tuán)有限公司,江蘇 揚(yáng)州 225000)

針對加速度傳感器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)獲取其工作頻帶的過程中，因校準(zhǔn)系統(tǒng)存在測試不確定度導(dǎo)致傳感器校準(zhǔn)不準(zhǔn)確的問題，設(shè)計(jì)了某型號加速度傳感器的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)試驗(yàn)，以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)提出了系統(tǒng)不確定度評估方法;通過對沖擊試驗(yàn)臺為沖擊激勵(lì)源構(gòu)成的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)測試過程中幾個(gè)主要誤差源的分析，結(jié)合文中提出的系統(tǒng)不確定度評估方法計(jì)算出校準(zhǔn)系統(tǒng)的測試標(biāo)準(zhǔn)不確定為1.77%，擴(kuò)展不確定度為3.54%;對比測量儀器特性評定相關(guān)指標(biāo)可知該校準(zhǔn)系統(tǒng)符合工程校準(zhǔn)需要，而該評估方法的提出對校準(zhǔn)系統(tǒng)的不確定度評估有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

沖擊試驗(yàn)臺;動(dòng)態(tài)校準(zhǔn);測量不確定度;沖擊試驗(yàn)法

0 引言

自動(dòng)式?jīng)_擊臺測試系統(tǒng)是用于測量和確定產(chǎn)品或包裝殼抗沖擊特性參數(shù)，考核試品在沖擊環(huán)境下功能可靠性和結(jié)構(gòu)完好性的主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備。該測試系統(tǒng)能自動(dòng)精確的執(zhí)行各種常規(guī)沖擊試驗(yàn)，以模擬產(chǎn)品在實(shí)際環(huán)境中可能遭受的碰撞和沖擊[1-3]，通過測試數(shù)據(jù)分析產(chǎn)品的抗沖擊特性，為改進(jìn)系統(tǒng)性能、優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)提供了有效的測試手段?；诖?，可將其應(yīng)用于非精準(zhǔn)高g值加速度傳感器的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)。

校準(zhǔn)系統(tǒng)采用蘇州蘇試試驗(yàn)儀器股份有限公司產(chǎn)的型號為CL-100的全自動(dòng)氣壓提升沖擊臺作為沖擊信號激勵(lì)源，由型號為KCL-200的沖擊測量控制儀完成對激勵(lì)源的操控，同時(shí)校準(zhǔn)系統(tǒng)還包括一下標(biāo)準(zhǔn)測量儀器：標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器、電荷放大器、電壓放大器和32通道邏輯分析儀。傳感器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的精確度受校準(zhǔn)系統(tǒng)不確度影響，因而分析校準(zhǔn)系統(tǒng)的不確定度對提高傳感器的校準(zhǔn)精度是大有裨益的[4]。

1 不確定度評估理論與校準(zhǔn)系統(tǒng)的使用

校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)中選用高g值加速度傳感器63#(自主生產(chǎn))作為動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)對象，用丹麥B&K公司生產(chǎn)的8309傳感器作為標(biāo)準(zhǔn)傳感器。將兩個(gè)傳感器肩并肩的安裝在沖擊臺臺面上，用螺釘固定安裝好。8309、63#傳感器輸出信號都為電荷量，需經(jīng)電荷放大器將電荷信號轉(zhuǎn)換成電壓信號；通過屏蔽電纜線將兩路轉(zhuǎn)換后的電壓信號接入32通道的邏輯分析儀，由其完成信號的采集、顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。實(shí)驗(yàn)前在沖擊主臺體下放5張厚度為1 cm的氈墊將沖擊信號波形調(diào)整為半正弦波，沖擊放大器上放兩張牛皮紙以調(diào)節(jié)沖擊波形脈寬保持在30 μs。

在檢查校準(zhǔn)系統(tǒng)連接無誤后接通系統(tǒng)電源，利用沖擊測量控制儀預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)和上升高度，當(dāng)落錘和臺面達(dá)到預(yù)設(shè)高度后按下沖擊按鈕，使落錘沖擊到波形臺面上產(chǎn)生沖擊波形。改變落錘與臺面的高度差，能得到不同的沖擊脈沖加速度值；改變波形發(fā)生器輸出信號的類型，可以改變輸出信號的波形；改變波形發(fā)生器的信號參數(shù)，就能改變沖擊脈沖的脈寬，簡化裝置如圖1所示。

圖1 沖擊臺簡化裝置

2 不確定度分析與評定

2.1 重復(fù)測量引入的不確定度

1)63#傳感器不確定度的估算:

根據(jù)上述校準(zhǔn)系統(tǒng)的使用方法，設(shè)定沖擊試驗(yàn)臺落錘下落高度，并由32通道邏輯分析儀記錄每次實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的加速度波形數(shù)據(jù)[5]。在63#傳感器的量程內(nèi)取選取三段不同的行程區(qū)間分別進(jìn)行6次校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，對不同測試數(shù)據(jù)采用相同的數(shù)據(jù)處理方法求其工作頻帶fik。圖2分別為某一次實(shí)驗(yàn)，傳感器8309和63#的輸出信號及對應(yīng)的頻譜特性圖。

圖2 輸出信號及對應(yīng)的頻譜特性圖

在63#傳感器的頻譜特性曲線上，以幅值誤差±5%和±10%為基準(zhǔn)分別讀取傳感器的工作頻帶，然后求出每個(gè)行程段內(nèi)傳感器工作頻帶的平均值，最后求出整體工作頻帶的平均值，即可作為63#傳感器的有效工作頻帶[6]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 多次校準(zhǔn)所得的工作頻帶

根據(jù)公式：

(1)

其中:i=1,2，f1和f2分別是幅值誤差為±5%和±10%時(shí)的工作頻帶。由表1中數(shù)據(jù)可得63#傳感器的工作頻帶的平均值為：

根據(jù)公式：

(2)

可得單次校準(zhǔn)的不確定度分別為：

s(f1k)=1.158,s(f2k)=1.042，自由度γ=17。

根據(jù)公式：

(3)

得到傳感器工作頻帶的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

根據(jù)公式：

(4)

得傳感器工作頻帶的相對不確定度為：

Us1=S(f1)=0.4%，Us2=S(f2)=0.35%

將上述計(jì)算的傳感器幅值誤差為5%和 10%時(shí)的工作頻帶的不確定度結(jié)果記錄在表2中，以此作為傳感器的不確定度判別依據(jù)。

表2 傳感器的動(dòng)態(tài)不確定度估算結(jié)果

2)標(biāo)準(zhǔn)傳感器8309的不確定度估算:

通過查詢標(biāo)準(zhǔn)傳感器性能指標(biāo)書可知8309傳感器的靈敏度測量不確定度為2%，取k=3，則其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

2.2 電荷放大器引入的不確定度

2.3 電壓放大器引入的不確定度

2.4 高沖擊臺引入的不確定度

高沖擊臺具有不可避免的橫向運(yùn)動(dòng)，且該運(yùn)動(dòng)是不可消除的，同時(shí)橫向運(yùn)動(dòng)對測量結(jié)果的準(zhǔn)確性也會(huì)有一定的影響。因?yàn)楦邲_擊臺的橫向運(yùn)動(dòng)只在一個(gè)方向最大，且屬于正態(tài)分布[8]，因而由其造成的不確定度可以根據(jù)橫向運(yùn)動(dòng)公式計(jì)算可知：

橫向運(yùn)動(dòng)=高沖擊臺最大允許橫向比×標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器8309誤差=30%×2%=0.6%。

2.5 沖擊測量控制儀引入的不確定度

按照沖擊測量控制儀給出的不確定度±2.5%，取k=3，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不確定度有：

2.6 32通道邏輯分析儀引入的不確定度

2.7 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，結(jié)合文章提出的不確定度評估方法，取傳感器幅值誤差為±5%時(shí)的不確定度作為傳感器的不確定度，又因各計(jì)算量之間互不相關(guān)，則有高沖擊臺測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

取k=2，則其擴(kuò)展不確定度為：

U=ku=2×1.77%=3.54%

3 結(jié)論

文中對自動(dòng)式高沖擊臺為沖擊激勵(lì)源，其他輔助標(biāo)準(zhǔn)測試

儀器組成的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)在傳感器校準(zhǔn)應(yīng)用中的測試不確定度做了分析，并通過不確定度評估方法，計(jì)算得該校準(zhǔn)系統(tǒng)的擴(kuò)展不確定度為3.54%優(yōu)于5%[10]，符合JJF1094-2001測量儀器特性評定的有關(guān)規(guī)定。系統(tǒng)不確定度分析以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)結(jié)合不確定度評估方法完成對校準(zhǔn)系統(tǒng)的測試不確定度參數(shù)評估研究，提出的XX系統(tǒng)不確定度評估方法可用于一般系統(tǒng)不確定度的評定，該研究在傳感器的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)、系統(tǒng)誤差分析方面具有一定的現(xiàn)實(shí)工程意義。

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[3] 邢東華. 動(dòng)態(tài)汽車衡示值誤差測量結(jié)果的不確定度評定[J]. 質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督研究,2015(2):2-5.

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Research on Uncertainty Evaluation Method of Dynamic Calibration System for Acceleration Sensor

Zhang Na，Shen Xiaolin，Liu Xinsheng

(1.College of Computer and Control Engineering, North Central University, Taiyuan 030051,China;2.Laboratory of Control Science and Engineering, North Central University,Taiyuan 030051,China;3.North Laser Technology Group Co., Ltd., Yangzhou 225000,China)

For acceleration sensor dynamic calibration to obtain the operating frequency band, for the above process, due to the calibration of the system existence test uncertainty leads to the problem of inaccurate sensor calibration design dynamic calibration test of a certain type of acceleration sensor, using experimental data as the basis the system uncertainty evaluation method. Through the analysis of several major error sources of shock testing machine for impact excitation source dynamic calibration system of testing process, combined with the system proposed in this paper, uncertainty degree evaluation method of calculated system calibration test standard uncertainty is 1.77%, and the expanded uncertainty of 3.54%. It is known that the calibration system can meet the requirements of Engineering calibration, and the evaluation method is of practical significance to the evaluation of the uncertainty of the calibration system.

impact test bench; dynamic calibration;measurement uncertainty; impact test

2016-06-29；

2016-08-20。

張 娜(1990-)，女，河北張家口人，研究生， 主要從事控制理論與控制工程方向的研究。

1671-4598(2017)02-0222-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.02.060

TP216

A