GB∕T 20485.32-2021 振动与冲击传感器校准方法 第32部分：谐振测试 用冲击激励测试加速度计

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ICS17.160J04

中华人民共和国国家标准

GB/T20485.32—2021/ISO16063-32:2016

振动与冲击传感器校准方法

第32部分:谐振测试用冲击激励测试

加速度计的频率和相位响应

Methodsforthecalibrationofvibrationandshocktransducers—

Part32：Resonancetesting—Testingthefrequencyandthephaseresponseof

accelerometersbymeansofshockexcitation

(ISO16063-32:2016,IDT)

2021-08-20发布

2022-03-01实施

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GB/T20485.32—2021/ISO16063-32:2016

前 m

1 翻 1

2规范性引用文件 1

3影响测量重复性的因素 1

4设备与其他装置 2

4.1环境条件 2

4.2参考冲击球 2

4.2.1总则 2

4.2.2参考冲击球的尺寸 2

4.2.3参考冲击球的直径范围选择 2

4.2.4参考冲击球安装表面和螺纹公差的要求 3

4.3撞击球 3

4.4信号分析仪 4

4.5适调放大器 4

4.6辅助装置和方法 4

5錢 5

5.1组装测试结构 5

5.1.1安装被测加速度计 5

5.1.2安装参考冲击球 5

5.1.3安装撞击球的导向管 5

5.2连接仪器 6

5.3设置信号分析仪 6

5.3.1分析仪初始化 6

5.3.2设定测量参数 6

5.3.3设置显示 7

5.3.4设置标记 7

5.4|则i式 7

6结果处理 7

6.1记录时间信号 7

6.2时间信号处理 8

7结果报告 8

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GB/T20485((振动与冲击传感器校准方法》已经或计划发布以下部分：

第1部分:基本概念；

——第11部分:激光干涉法振动绝对校准；

——第12部分:互易法振动绝对校准；

一第13部分:激光干涉法冲击绝对校准；

——第15部分:激光干涉法角振动绝对校准；

一第16部分:地球重力法校准；

——第17部分：离心机法绝对校准；

——第21部分:振动比较法校准；

——第22部分:冲击比较法校准；

一第31部分：横向振动灵敏度测试；

一第32部分:谐振测试用冲击激励测试加速度计的频率和相位响应；

一第33部分：磁灵敏度测试；

一第41部分:激光测振仪校准；

——第42部分：高精度地震计的重力加速度法校准；

一第43部分：基于模型参数识别的加速度计校准。

本部分为GB/T20485((振动与冲击传感器校准方法》的第32部分。

本部分按照GB/T1.1—2009给出的规则起草。

本部分使用翻译法等同采用ISO16063-32：2016«振动与冲击传感器校准方法第32部分:谐振测试用冲击激励测试加速度计的频率和相位响应》。

与本部分规范性引用的国际文件有一致性对应关系的我国文件如下：

一GB/T2298—2010机械振动、冲击与状态监测词汇(ISO2041：2009.IDT)；

一GB/T13823.20—2008振动与冲击传感器的校准方法加速度计谐振测试通用方法(ISO5347-22：1997.IDT)；

一GB/T14412—2005机械振动与冲击加速度计的机械安装(ISO5348：1998.IDT)o本部分由全国机械振动、冲击与状态监测标准化技术委员会(SAC/TC53)提出并归口。

本部分起草单位：北京航天计量测试技术研究所、中国计量科学研究院、浙江大学、郑州机械研究所有限公司。

本部分主要起草人：杨晓伟、朱刚、刘鑫、缪寅宵、于梅、胡红波、何闻、戴宜霖、马卫平。

振动与冲击传感器校准方法

第32部分：谐振测试用冲击激励测试

加速度计的频率和相位响应

1范围

GB/T20485的本部分详细规定了用冲击激励测试加速度计的频率和相位响应的仪器及程序。本部分适用于阻尼比小于1的压电式、压阻式和可变电容式加速度计，频率范围高达150kHz。要求用这种方法获得频率和相位响应的被测加速度计需具有ISO5348所陈述的很好的机械安装特性，而且参考冲击球质量至少超过被测加速度计质量的三倍。

通过这种方法获得的被测加速度计的相位响应是假定加速度计在频率为0Hz时输人和输出信号之间是零相移。

注1：用户可能注意到对同一加速度计在现场使用，其频率和相位响应可能会有所不同，这取决于测试结构的质量、一致性及安装方法。该方法只可以对加速度计的频率和相位响应进行定性评价。注2:相比关注足够的动态范围特性，用户可能不太关注得到的被测加速度计频率和相位响应的初始部分有更好的分辨率。通过这种方法获得加速度计频率和相位响应的最大好处是得到上述特性初始部分最佳的谱线数。2规范性引用文件

下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

ISO2041机械振动、冲击与状态监测词汇(Mechanicalvibration,shockandconditionmonitoring—Vocabulary)

ISO5347-22振动与冲击传感器校准方法第22部分：加速度计谐振测试通用方法(Methodsforthecalibrationofvibrationandshockpick-ups—Part22:Accelerometerresonancetesting一Generalmethods)

ISO5348机械振动与冲击加速度计的机械安装(Mechanicalvibrationandshock一Mechanicalmountingofaccelerometers)。

3影响测量重复性的因素

频率响应测量的不确定度限如下。

对于被测加速度计的谐振频率，绝对不确定度等于频率分析的分辨率，是加速度计信号时间记录长度的倒数。本方法建议频域的最小谱线数为400。假设谐振频率在频段中间，则谐振频率的标准不确定度约为0.5%。

注1：这个不确定度是假设在频率分辨率范围内均匀分布。

对于被测加速度计的阻尼比，不确定度取决于在时域中测量的信噪比。

假设进行测量时，信号最大值接近测量仪器的动态范围上限且压电加速度计典型的阻尼比约为0.01，则阻尼比测量的标准不确定度约为1%。

注2:用于阻尼比测M的信号分析仪应该至少有80dB的动态范围。

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对于被测加速度计的相位响应，绝对不确定度等于相位的分辨率，即测量仪器的相位分辨率，其绝对不确定度由展开相位的噪声抑制方法修正。对于一个典型的40dB相位噪声抑制，所得到的相位分辨率约为1%或在相位域约为5°。

上述不确定度是用于采集时间信号和频率分析的仪器所提供的最小值，扩展的不确定度可以更大，这取决于被测加速度计频率响应的复杂性。

注3:为了验证被测加速度计谐振频率和阻尼比的测M可靠性，可以进行多次测M。

4设备与其他装置

4.1环境条件

设备应能保持下列环境条件：

室温：（23±5）°C；

一相对湿度：宜小于90%。

4.2参考冲击球

4.2.1总则

安装被测加速度计的测试参考冲击球应采用硬度超过50HRC的抛光钢球。

注：球轴承中的滚珠很容易满足这个要求。

4.2.2参考冲击球的尺寸

参考冲击球应该有一个带螺纹的平坦表面用以安装被测加速度计（见图1）。

注：以下公式能够用于计算球的固有频率。

4.2.3参考冲击球的直径范围选择

与参考冲击球实际尺寸有关的要求不是很严格。

一方面，参考冲击球的直径应足够小，以提供尽可能高的固有频率。

另一方面，参考冲击球的直径应足够大，使参考冲击球的质量超过被测加速度计质量的三倍。从实用的角度来看，对于大多数的加速度计来讲，最好使用两个不同直径的球：

对于固有频率低于100kHz的加速度计，球的尺寸是D=32mm.B=20mm.L=10mm；一对于固有频率低于150kHz的加速度计，球的尺寸是D=19mm，B=10mm,L=7.5mmo

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其他尺寸的球也可用于本测试。

球的一阶转动谐振的固有频率能够按公式（1）计算：

/baU=1.8346X^ （1）

式中：

cs——剪切波在钢中的速度，取值3251m/s；

D——球的直径。

球的一阶径向谐振的固有频率能够按公式（2）计算：

CD/ball=0.8160X— （2）

式中：

cd——膨胀波在钢中的速度，取值5941m/s；

D——球的直径。

球的一阶纵向谐振的固有频率能够按公式（3）计算：

CE/=0.5X— （3）

式中：

cE——拉伸波在钢中的速度，取值5250m/s。

实际上，必须考虑到只有公式（3）提供的是球的最低谐振频率。

本方法所提供的冲击脉冲持续时间与球的自然振荡周期相比是相当大的，这就是为什么用这种方法时，通常不会引起球的自然谐振。此外，被测加速度计通常会抑制球的较高谐振。

所以用户通常应考虑被测加速度计的谐振频率不超过1.5倍球的固有频率：

（4）Jball

式中：

/acc 加速度计的谐振频率，单位为千赫兹（kHz）;

/mi—球的谐振频率，单位为千赫兹（kHz）。

注：本方法与ISO5347-22所描述的方法相比，具有下列优点：

——球体形状可使参考件以最小可能尺寸获得最大质量；

一球体形状可为参考件的自然振荡提供非常高的阻尼比（参考件的雨滴形状被认为是提供更有效的自然振荡的阻尼）。

4.2.4参考冲击球安装表面和螺纹公差的要求

用于安装被测加速度计的参考冲击球的安装平面应该是平的，其表面粗糙度（算术平均偏差）小于1pm。

安装平面的平面度在5/im内。

安装被测加速度计的螺纹孔与安装平面的垂直度公差不大于0.5°。

用于安装加速度计的螺纹应适当宽松，即相应的公差配合（例如：英制10-322级）。

4.3撞击球

用于激励被测加速度计自然振荡的撞击球是采用硬度超过50HRC的钢并且抛光。

注：球轴承中的滚珠很容易满足这个要求。

撞击球的直径应该是参考冲击球直径的1/8〜1/16。

对于直径32mm的参考冲击球来讲，可选择直径为4mm或2mm的撞击球。

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4.4信号分析仪

为使用本方法，推荐使用一种包含数字示波器特性的信号分析仪作为基本仪器。

为了获取和分析被测加速度计的自然振荡信号，应使用高于3倍最高分析频率的数据采集带宽和不小于16位的幅值分辨率的信号分析仪。

注：采集和分析功能能够在数字化设备和个人计算机之间共享。

4.5适调放大器

在采集被测加速度计信号时，应使用适调放大器来提供正确的耦合频率响应。

注：正确的耦合频率响应是设定测量链的下限截止频率与被测加速度计测量时的一致。

与此同时，适调放大器宜有一个低通滤波器，在加速度计测试的感兴趣的范围外抑制不希望的高频信号。

在低频范围内，被测加速度计的信号可能高于其参考频率处20dB〜60dB，适调放大器宜选择某一增益防止信号削波。

4.6辅助装置和方法

一台钳，在安装被测加速度计过程中用于夹紧参考冲击球；

一硅脂、蜡或其他油脂，涂抹在加速度计的安装表面，包括安装螺栓；

一钳子和释放机构，用于抓住撞击球；

6mm和4mm的导向管，用来导向撞击球；

一支架，固定导向管；

一盒子，内放包装泡沫安装参考冲击球与被测加速度计，并可以抓住撞击球。

获取被测加速度计频率和相位响应的装置及方法的基本框图如图2所示。

1——适调放大器；

2 动态信号分析仪;

3 记录仪。

图2构建用冲击激励测试加速度计的频率和相位响应的基本框图

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5步骤

5.1组装测试结构

5.1.1安装被测加速度计

应根据ISO5348所规定的条件安装被测加速度计。

一将参考冲击球放人台钳，安装平面朝上并固定；

一根据制造商推荐的方法在参考冲击球上安装被测加速度计及其附件；

注：为了获得最佳结果，在参考冲击球的安装平面和加速度计的螺栓上放少量的硅脂、蜡或其他油脂。——使用扭矩扳手将指定的扭矩施加被测加速度计上；

从参考冲击球表面去除多余的油脂或蜡；

一用酒精清洗参考冲击球的球体表面，并晾干。

5.1.2安装参考冲击球

按照制造商的建议将电缆连接到被测加速度计上。

将参考冲击球与加速度计放在测试盒里的泡沫中，使加速度计敏感轴方向垂直，加速度计在参考冲击球的下方。泡沫应有一个小洞安放加速度计。

如果加速度计是顶端连接电缆的，则在泡沫中应该有一个孔作为连接头和电缆的出口。如果加速度计是侧向连接电缆的，则在泡沫中应该有水平凹槽作为连接头和电缆的出口。那么在泡沫中，盒子的侧面和底部宜开窗作为电缆出口。

除了泡沫，参考冲击球不应接触盒子或其他结构的任何部分。

泡沫应该有足够厚度和的刚性，以支撑参考冲击球和被测加速度计的重量，但不超过实际需求。注：鼓励用户尝试不同类型的包装泡沫用于最沉重的参考冲击球。

泡沫的上表面应该是平坦的或有点圆弧，以保证撞击球每次落在大致相同的位置。泡沫的表面宜足够大，小心避免撞击球在盒子泡沫中弹出。同时注意避免撞击球从密封泡沫表面可能产生的接头和孔掉人箱中。

安装参考冲击球与被测加速度计的盒子与泡沫的典型结构如图3所示。

5.1.3安装撞击球的导向管

为撞击球选择一个合适直径和长度的导向管，并把它尽可能垂直地放人支架中。导向管的直径建议是1.5倍〜3倍的撞击球的直径。较大的比值是针对较小的撞击球。

导向管的长度将决定被测加速度计合适的输出瞬态信号，也就是某个特定上限或感兴趣上限加速度的峰值。

这种方法主要的原理是，瞬态信号的峰值是正比于撞击球的速度。撞击球的速度随导向管高度的平方根增长，同时也受导向管壁摩擦的影响。

移动台面上的盒子（或支架），使导向管的下端位于参考冲击球的顶部。

将导向管下端和参考冲击球之间的空隙预留为撞击球直径的2倍〜5倍范围内。检查导向管开口端投影在参考冲击球的顶点。

由参考冲击球、导向管和撞击球组成的谐振测试装配图如图3所示。

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5.2连接仪器

将被测加速度计的输出连接到适调放大器的输人端。

为被测加速度计选择适当的适调放大器灵敏度，使输人信号的最大值在过载值以下20dB的范围内。

选择适调放大器的上限截止频率比被测加速度计假定的一阶谐振频率至少高出2倍。

将适调放大器的输出连接到动态信号分析仪的输人端。

注：其他类型的加速度计，它们的耦合装置能够连接到恒流源或分析仪的直接输人端。

5.3设置信号分析仪5.3.1分析仪初始化

启动动态信号分析仪在时域中采集信号。

5.3.2设定测量参数

设定时域窗，例如选择：

时间窗的通道；

一指数衰减型的时间窗的衰减时间等于10ms。

设定通道初始的幅度、频率和时间范围。

设定预触发的触发时间延迟和平均次数，例如：

一根据触发信号初始部分的极性，在触发设置中选择的必要斜率；

注1：建议用户了解当撞击球撞击参考冲击球时被测加速度计的极性。

——设定触发电平为输人范围的±10%以内；

一设置通道延迟直到出现所需的时间延迟；

注2:实际上，从2倍〜5倍的时间采样的负延迟间隔足以看出被测加速度计信号的初始部分（“前部”的信号）。一在时域中设置平均参数（如有必要）。

7

5.3.3设置显示

设置频率轴为线性模式，幅值轴为线性或对数模式，展开相位模式和所有通道为自动缩放。5.3.4设置标记

设置自动标记为峰值模式，对ISO2041（如适用）定义的单自由度系统的频率和阻尼为自动计算模式，并选择起始和截止频率。

计算频率和阻尼模式的截止频率数目建议是这样的，它涵盖了被测加速度计的一阶谐振频率，但不超过二阶谐振频率。

鼓励用户对指定加速度计找到自己的优选设置。上述设置建议仅作为开始测试加速度计的初始化。5.4测试

启动动态信号分析仪的触发设置，在时域中采集单次信号。

用钳子夹起撞击球，让它从导向管的中心落在参考冲击球上。

观察分析仪屏幕上的信号。信号将有一个小的（一个或两个点）前部，初始脉冲和展开的振荡。调整触发电平和触发延迟设置以满足上述要求。

检查加速度计信号的整个持续时间是否全部显示在屏幕。如果记录长度不足以获得整个信号，则建议增加。调整时域指数窗的时间衰减参数为记录长度的0.25倍。

调整输人信号的通道量程，使信号的幅值在分析仪的动态范围内且不过载。

为了在频域中获得最佳的测量结果，建议改变触发设置的触发延迟从负到正，以便剔除被测加速度计信号的初始部分。

在这种情况下，冲击脉冲本身（其速度分量）被排除在加速度计的输出信号之外。这种方法的缺点是，从理论上讲，在被测加速度计的相位响应中会出现一些相移。

实际上，忽略一个或两个初始振荡的加速度计信号将足以得到一个良好的频率响应的起始部分且相位响应没有明显失真。

6结果处理

6.1记录时间信号

图4典型的被测加速度计在时间域“振铃”信号

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6.2时间信号处理

在5.3中所做的调整，一般可以获得被测加速度计的频率和相位响应的所有必要数据。设定步骤处理时间信号的随后结果如图5所示，可在频域中得到：

一被测加速度计的频率响应以线性或对数表示，标记处于被测传感器频率响应的