线加速度计的精密离心机校准规范

1线加速度计的精密离心机校准规范1范围1.1主题内容本规范规定了利用精密离心机校准线加速度计的主要技术要求的校准方法。1.2适用范围本规范适用于线加速度计的精密离心机校准。2引用文献GJB1037—1990单轴摆式伺服线加速度计试验方法GJB1081-1993惯性技术测试设备主要性能试验方法GB/T2298—1991机械振动与冲击术语GJB151A—1997军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求GJB152A—1997军用设备和分系统电磁发射和敏感度测量GJB585A—1998惯性技术术语3术语3.1精密离心机(以下简称离心机)加速度标准利用牛顿力学原理，通过角运动产生标准向心加速度，用以校准线加速度计的标准装置。3.2线加速度计(以下简称加速度计)利用惯性测量原理测量恒线加速度的测量器具。3.3加速度计的离心机校准在规定条件下，为确定加速度计的静态输出加速度值，与对应的由离心机加速度标准所复现的向心加速度值之间关系的一组操作。3.4离心机工作半径离心机平均回转中心到加速度计检测质量中心的距离。4概述一般加速度计的力学模型被近似为典型的质量弹簧阻尼系统型二阶力学模型：ma”+cx¹+kx=f(x)式中：m,c,k——等效检测质量、阻尼、刚度；x”,x',x——作用于等效检测质量上的加速度、速度、位移；f(x)——外作用力。典型的加速度计可以分为变阻式、变容(感)式、伺服式、谐振式加速度计。4.1变阻式加速度计的工作原理2变阻式加速度计主要有：张丝式、应变片式、压阻式和滑线式，是利用电阻的变化敏感加速度的变化，实现加速度测量的。除滑线式加速度计外，其余均是利用惠斯登电桥进行变换的。4.2变容(感)式加速度计的工作原理变容(感)式加速度计利用电容(感)的变化敏感加速度的变化，实现加速度测量，利用交流惠斯登电桥进行变换。当加速度作用于质量上，产生作用力，在弹性支撑上产生变形，引起电容(感)的变化。4.3伺服式加速度计的工作原理伺服式加速度计根据敏感方式不同可分为电容式、电感式、测角式等；根据支撑方式不同可分为液浮式、挠性支撑式等；根据支撑材料的不同可分为金属杆、石英摆、半导体硅摆等类型。伺服式加速度计是利用电容(感)的变化敏感加速度的变化，通过伺服电路将电容(感)的变化转化成施加在力矩器上的电流的变化，产生与被测加速度作用在监测质量上引起的惯性力相反的力，从而保证检测质量无位移，通过测量力矩器上的电流，实现加速度测量。4.4谐振式加速度计谐振式加速度计是利用频率的变化反映加速度的变化，进行加速度测量。5计量特性5.1加速度计的静态模型方程模型方程是表达加速度计输出与沿平行或垂直于加速度计输入基准轴作用的加速度分量间的数学关系式。5.1.1加速度计的三次静态模型方程E;=ho+k₁a;+h₂a²+h₃a式中：Am——加速度计输出所指示加速度，用重力加速度g(g=9.80m/s²点的重力加速度实测值)为单位表示；或校准地E₁——加速度计输出，单位V,mA或脉冲数/s等；或校准地点的ar——加速度计输入的加速度，用重力加速度g(g=9.80m/s²或校准地点的重力加速度实测值)为单位表示；K₁=k₁——标度因数，单位V/g,mA/g或脉冲数/(s·g);k₀=K₀K₁——零次项系数，单位V,mA或脉冲数/s等；K₂——二阶非线性系数，单位glg²;k₂=K₂K₁——二阶非线性系数，单位(V,mA或脉冲数/s)/g²;K₃——三阶非线性系数，单位glg³;3E;=ko+k₁a;+k₂a²E;=k₀+k₁a根据被校加速度计的需要选择5.2.1或5.2.2。计的输入基准轴(即安装夹具的安装面的法线)处于离心机工作半径方向(±20"以内),输出基准轴(或摆基准轴)垂直于分度装置回转轴，摆基准轴(或输出基准轴)使向心加速度值达到1g左右，并在(0～1)g之间取不少于7点或在1g左右取不少于5点，重复3次。b)使离心机逆时针转动，重复a)。径负方向(±20”以内),输出基准轴垂直于分度装置回转轴，摆基准轴平行分度装置回达到1g左右，并在(0～1)g之间取不少于7点或在1g左右取不少于5点，重复3d)使离心机逆时针转动，重复c)。e)将离心机分度装置上的加速度计安装夹具，绕离心机半径方向旋转180°,原位安装，分度装置置于0°,重复a),b),c),d)。f)利用加速度计在重力场检定结果，公式(3)的变形及向心加速度a;与离心机转速w;和半径R的关系a;=o²R,求出离心机的静态工作半径Ro₄,R₀-。R₀=(R₀++R₀)/24式中：w;——离心机的角速度，rad/s;R——离心机的工作半径，m;R₀——离心机的静态工作半径，m;R₀₄—离心机的正向静态工作半径，m;R₀_——离心机的负向静态工作半径，m;△R加速度计检测质量中心到分度装置回转中心的距离，m。g)调整加速度计安装定位面的位置，使△R小于离心机工作半径的允许误差值。h)加速度计重新安装定位后，重复a),b),检验△R是否满足要求。否则重新调整加速度计安装定位面的位置，直至达到要求为止。R。即为离心机静态工作半径。i)如果离心机不具备调整△R的装置，可以直接使用R₀,R₀_作为离心机正向、负向的静态工作半径。5.2.2质心找正法a)对于相对误差<1×10~⁴的加速度计，将离心机的质心找正装置置于0°时，使加速度计的输入基准轴(即安装夹具的安装面的法线)处于离心机工作半径方向(±20”以内),输出基准轴(或摆基准轴)垂直于质心找正装置回转轴，摆基准轴(或输出基准轴)平行质心找正装置回转轴。安装到离心机上之后，逐步提高离心机的质心找正机构的转速，观察加速度计的输出，并调整质心找正机构上的位移机构，使加速度计的输出接近其零位输出，使加速度计的检测质量中心接近质心找正机构的回转中心线，且按公式(4)计算R使其小于允许值。b)利用静态半径测量装置测量出离心机回转中心线到质心找正机构的回转中心线的距离即为离心机的静态工作半径R₀。5.3被校加速度计的测量范围利用离心机对加速度计进行校准时，被校加速度计的测量范围一般应在(1×10~⁵g~100g)之间。5.4被校加速度计的不确定度利用离心机对加速度计进行校准时，被校加速度计的相对不确定度应小于5×5.5被校加速度计的输出形式利用离心机对加速度计进行校准时，被校加速度计的输出形式，可以是模拟量或数字量，但必须满足校准设备对信号质量的要求。6校准条件6.1被校加速度计的基本条件6.1.1加速度计及其附件应稳妥安放在紧固的包装箱内；6.1.2加速度计及其附件表面不应有影响技术性能的弊病，附件齐全；6.1.3应有使用说明书，注明：加速度计的名称、制造厂、规格、型号、出厂编号、出厂日期、阈值、量程、过载能力、激励电压、输出形式、接线图和加速度计重力场中5标定的主要数据及准确度等；6.1.4准确等级：应符合有关专业技术标准及用户和生产厂家的要求。6.2环境条件6.2.1室温：(20±3)℃6.2.2相对湿度：(30～85)%6.2.3离心机的基础基础X,Y,Z方向上线振动加速度幅值分别小于离心机1g以内的不确定度；基础XZ,YZ方向上角振动幅值分别小于离心机1g以内允许的角度摆动误差。6.2.4实验室应有接地装置，接地电阻小于0.52。6.2.5电磁兼容性要求应符合GJB151A-1997和CJB152A-1997规定。6.3被校加速度计的要求6.3.1被校加速度计校准前的通电准备时间、每次校准采样前的稳定时间和每次校准总时间应符合产品详细规范规定。6.3.2校准数据的采样数，当采样时间在(1～10)s内，每一点每次连续采样不少于5个数据。如采样时间加长，则采样个数可根据实际情况适当减少。6.3.3校准数据的异常值，通过数理统计方法，推荐采用格拉布斯(F.E.Grubbs)法则，进行判别剔除。见附录B。6.3.4加速度计输入基准轴(I)、摆基准轴(P)和输出基准轴(O)的方向用右手定则确定。如图1所示。6.4被校加速度计的安装6.4.1加速度计的安装定位面和安装夹具工作面应清洁平滑，R。<0.2μm。6.4.2安装夹具应尽可能刚性好，且各安装面相互垂直度1”,平面度0.001mm。6.4.3安装夹具应具有调整装置，应有相应的测试仪器，使加速度计的安装状态与实验要求相一致。6.4.4连接导线：连接导线采用低噪声屏蔽电缆。6.4.5配用仪器校准所选用的设备和仪器，其准确度必须高于被校加速度计的准确度的要求。图1加速度计基准轴和安装状态67校准项目和校准方法7.1两点法校准加速度计的线性度、滞后误差、零偏、标度因数、高次项系数、静态输入量程。分离出模型方程系数K₀,K₁,K₂,K₃,计算线性度δ₁、滞后误差H、静态输入量7.1.2校准设备离心机及其自带精密分度装置、数字电压表、安装夹具、精密电阻器、专用测试仪、加速度计工作和校准时所需的交、直流电源设备等。7.1.3校准状态a)安装要求将离心机上的分度装置回转轴调整到垂直位置(±2”以内),加速度计通过安装夹具装在分度装置的工作台上，使加速度计的输入基准轴与分度装置的回转轴垂直并在回转过程中应处于水平位置(±2”以内)。将离心机的分度装置置于0时，加速度计的输入基准轴(即安装夹具的安装面的法线)处于离心机工作半径方向(±20”以内),输出基准轴垂直于分度装置回转轴，摆基准轴垂直向下，如图1所示。a₁=w²Rcos①,cosa;+gsina;式中：φ——方位失准角；a;——俯仰失准角。将离心机分度装置置于0时，加速度计的输入基准轴(即安装夹具的安装面的法线)处于离心机工作半径方向(±20”以内),输出基准轴垂直向下，摆基准轴垂直于分度装置回转轴，如图1所示。a₁=o₁²RcosT;cosY₁+gsinYiY;——俯仰失准角。7.1.4校准方法通常在“摆”状态或“门”状态下进行校准。a)加速度计按“摆”或“门”状态安装，如图2所示，分度装置置于0°,使加速度计和测试仪器、设备处于工作状态。b)根据标准加速度点〔推荐转速点数n>4(m+2),其中m是方程系数个数〕,计算离心机转速，设置转速点，按转速点调整离心机转速，使离心机顺时针转动，转速稳定后，在每个转速点上连续读取加速度计的输出值，达到加速度计的测量范围后，逐点降低离心机转速，测试加速度计的输出，测试数据的采样数按6.3.2进行。7图2加速度计安装示意图d)在一般情况下，两种安装状态下分离的系数K₀,K₁,K₂和K₃应无显著差异8分别为离心机升速或降速时，在向心加速度作用下加速度计的输出。以上计算的滞后误差其中包括时漂误差在内。如时漂较大，且用户允许时可以在单独一种安装状态下离心机升速或降速，再求出滞后误差。g)加速度计的线性度用最小二乘法建立被测加速度计的静态数学模型：E₁=ko+k,a求得：△E(a₁)={E(a₄)、-E(a;△E(a₁)={E(a)_-E(a₁)_}miao₁=|△E,(a;)-△E_(a;)|/2E(a)rs(10)式中：仓(a₁)——用最小二乘法求得的理论回归值；E(a;)——加速度计实际输出值。7.2两点法校准加速度计的大g值下短期重复性、长期重复性、短期稳定性、长期稳定性、启动重复性和分辨力。测定加速度计主要性能参数K₀,K₁,K₂,K₃等的短期重复性、长期重复性、在短时间通电过程中的稳定性、在长期通电过程中的稳定性；测定加速度计在断电后再重复启动时，其偏值和标度因数的重复性；验证在不同的加速度输入时，在给定加速度增量的条件下，加速度计输出是否大于规定的变化量。7.2.2校准设备同7.1.2。7.2.3校准状态同7.1.3。7.2.4.1短期重复性校准方法a)加速度计按“摆”或“门”状态安装，使加速度计和测试仪器、设备处于工作b)按7.1.4b)的方法进行。c)使离心机逆时针旋转，重复b)。d)记下加速度计的环境温度与工作温度。e)重复进行n次测试，测试次数n不得少于表1规定的最少次数n₀。每次测试之间的时间间隔一般不少于4h,或冷却到室温至少1h以上，具体要求按用户要求。7.2.4.2长期重复性校准方法按两点法进行校准。在规定校准周期内，重复测试次数不少于n₀次(no=6～8,详见表1),每次间隔时间基本相等。7.2.4.3短期稳定性校准方法9按7.2.4.1的方法。在加速度计通电稳定后开始校准，校准过程中不断电。每隔一定时间重复一次7.2.4.1的内容，校准次数不少于n₀次(no=6～8,详见表1),测试过程不少于3h。使用场合最少测试次数no航天产品6航海产品7航空产品87.2.4.4长期稳定性校准方法加速度计连续通电工作至少10天，间隔测试时间和累计测试次数按用户要求进行。7.2.4.5启动重复性校准方法a)在加速度计通电稳定后，进行两点法校准。分度装置在0°和180°两个角度位置进行校准，给定离心机转速每个转速点连续读取5个数据。b)测试结束后，使分度装置回到0°,然后断电，断电时间约30s。再次恢复通电后重复a)的测试，断电次数不少于5次(6次测试数据)。c)对有温控的加速度计，断电时间长短应根据用户要求而定。7.2.4.6分辨力校准方法a)按两点法安装加速度计，使离心机在给定转速下工作，加速度计处于给定加速度输入状态。b)计算在给定加速度输入状态时，与加速度计分辨力相对应的角速度增量△w。c)在相应给定加速度输人状态下，测试加速度计的输出值，然后按相对应的角速度增量△o,增加离心机的转速产生加速度增量△a;,测试加速度计的输出，共递增测试3次，读取各次测试的输出值。d)在每一角速度下读取5个数据取其平均值。7.2.5校准结果7.2.5.1短期重复性a)计算升降速对应离心机转速的加速度计输出的平均值和顺、逆时针旋转时的总平均值和升降速平均值之差。b)按附录A进行数据处理，计算出模型方程系数K₀,K₁,K₂,K₃。c)按7.1.5f)的方法计算滞后误差。7.2.5.2长期重复性校准结果a)按7.1规定的内容进行。b)根据n次测试值分别计算各次的系数K₀,K₁,K₂,K₃,然后计算各系数的平均值和标准偏差。例如K₀,og,的计算公式如下： K₀;——第i次所测得偏值，g;n——测试次数；类似。c)检查每次测试时加速度计的工作温度与环境温度是否有显著变化，如有应考虑温度对上述系数的影响。d)检查各次测试中各性能参数有无向同一个方向漂移的趋势。7.2.5.3短期稳定性校准结果按短期重复性进行。7.2.5.4长期稳定性校准结果按短期重复性进行。7.2.5.5启动重复性校准结果a)计算各次在0°和180°的测试平均值。b)根据各次测试平均值，用最小二乘法计算各次的模型系数K₀,K₁,K₂,K₃。的标准偏差σg,,σk₁,Ok₂,Gxd)如各次所得K₀,K₁,K₂,K₃值，有随时间向同一个方向漂移的趋势，则应计算漂移速率。7.2.5.6大g值下分辨力校准结果a)加速度增量△a;的计算：首先计算对应每一角速度增量△w的加速度增量△a;。△a₁=[(o₁+△w)²-w²]R≈式中：R——离心机工作半径；o;——离心机给定角速度；△w——相对于给定角速度w;的角速度增量，rad/s。b)加速度计理想输出增量△E的计算如下：△E=k₁△a。c)根据测试数据，计算每一位置角增量实测输出值的平均值△E,。于等于50%,如当：7.3两点法校准加速度计的静态输入量程和高次项系数校准加速度计的静态输入量程和在大量程时的模型方程中非线性系数k₂和k₃的值。7.3.2校准设备离心机、专用安装夹具、输出量测试设备(如数字电压表温度计等)。7.3.3校准状态a)加速度计通过专用安装夹具固定在离心机转臂上，其输入、输出引线通过离心机的信号传输装置接到测试台，用测试仪器测量加速度计的输出。b)“摆”或“门”状态安装正向输入：将加速度计输入基准轴沿旋转半径并指向转动中心。c)“摆”或“门”状态安装反向输入：将加速度计输入基准轴绕输出基准轴旋转180°安装，即使输入基准轴沿旋转半径而背向转动中心，摆基准轴在水平面内但与原来取向相反。7.3.4校准方法a)通过对结构尺寸的测量或采用反算法(5.2.1)确定离心机工作半径。b)启动离心机，使作用在加速度计检测质量上的等效加速度从1g开始至正最大输入加速度之间基本等间隔地选择若干个(一般大于8个)加速度值，(在接近加速度计静态输入量程附近可加大分点密度)。输入加速度由小到大，然后由大到小。当离心机转速达到规定校准点的额定转速并稳定后，同时记录离心机旋转周期和加速度计的输出值(至少取5个数据),以及加速度计的工作温度和环境温度。c)重复上述测试1次。7.3.5校准结果根据加速度计各输人加速度值与相应输出值，用最小二乘法对各次测试数据进行系数分离，因而求得等系数k₂,k₃的最佳估计值、标准偏差和拟合误差。8校准结果表达校准结果应在校准证书或校准报告上反映。校准证书或报告至少应包括以下信息a)标题，“校准证书”或“校准报告”;b)实验室名称和地址；c)证书或报告的编号，每页及总页数的标识；d)校准单位校准专用章；e)送校单位的名称和地址；f)被校对象的名称、制造厂、型号规格、编号；g)进行校准的日期及被校对象的接收日期；h)对校准所依据的技术规范的标识，包括名称及代号i)本次校准所用测量标准的名称、出厂编号、准确度/等级、证书编号、溯源性及有效性说明；j)校准环境条件的描述，包括：温度、湿度等；k)校准结果及其测量不确定度的说明；1)校准证书或校准报告签发人的签名、职务，以及签发日期；m)校准试验的操作人及核验人的签名；n)校准结果仅对被校对象有效的声明；o)未经实验室书面批准，不得部分复制证书或报告的声明。9复校时间间隔9.1对于用于惯性系统的加速度计按相关系统的要求确定复校时间间隔。9.2对于测量用加速度计，建议复校时间间隔一般为1年。用最小二乘法确定被测加速度计的数学模型和不确定度分析A.1用最小二乘法确定被测加速度计的数学模型由试验得到一组被测加速度计的输入数据门状态(A-1)和摆状态a₁=w²Rcosφ,cosa₄+gsina;