线加速度计检定装置(重力场法)

JJG1071—20111线加速度计检定装置(重力场法)检定规程1范围本规程适用于在重力场中基于精密分度法的线加速度计检定装置的首次检定、后续检定和使用中检查。2引用文件GJB585A惯性技术术语GJB1801—1993惯性技术测试设备主要性能试验方法凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本规程;凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本规程。3术语以下术语和定义适用于本规程:3.1线加速度计检定装置(重力场法)verificationequipmentoflinearaccelerometer在重力场中利用重力加速度在被检线加速度计输入轴方向的分量,检定线加速度计性能参数的装置。3.2精密分度装置precisiondigitialdividingequipment能够精密给出被检加速度计输入轴方向与重力加速度方向夹角的装置。3.3精密分度装置的零位zeroofprecisiondigitialdividingequipment安装夹具上被检加速度计安装面的法线与精密分度装置回转轴线垂直,且安装面的法线与精密分度装置回转轴线所确定的平面与水平面平行,同时被检加速度计的摆轴处于同一平面上时精密分度装置的示值。3.4夹具水平方向安装误差mountingerroroffixtureinhorizontaldirection当精密分度装置处于零位时,安装夹具上安装被检加速度计的安装面与水平面,在精密分度装置回转轴线垂直平面上的夹角。3.5夹具垂直方向安装误差mountingerroroffixtureinverticaldirection当精密分度装置处于零位时,安装夹具上安装被检加速度计的安装面与水平面,在精密分度装置回转轴线与重力加速度方向所确定平面上的夹角。4概述4.1组成和原理4.1.1组成线加速度计检定装置(重力场法)(以下简称“检定装置”)包括精密分度装置、电子水平仪(或光电自准直仪)、安装夹具(以下简称“夹具”)和电气连接装置及电源、JJG1071—20112数据采集和处理系统等部分,也可包括温度试验箱。其组成结构示意如图1所示。注:当开展线加速度计的温度系数检定时,必须配备温度试验箱。图1检定装置组成示意图4.1.2工作原理由精密分度装置带动线加速度计(以下简称“加速度计”)在与重力加速度垂直的方向转动,利用重力加速度在加速度计输入轴上的分量输入,对加速度计进行检定或校准,其原理如图2所示。4.2用途检定装置主要用于对加速度计的模型方程系数(包括零偏、标度因数等)的检定或校准,当检定装置包含温度试验箱时,也可以进行加速度计温度系数的校准。图2加速度计重力场法检定原理图5计量性能要求根据检定装置准确度等级不同,主要性能应满足表1要求。JJG1071—20113表1检定装置主要性能要求检定装置准确度等级1等2等3等4等5等6等精密分度装置扩展不确定度(k=2)(g)1.0×10-64.8×10-61.0×10-54.8×10-51.0×10-44.8×10-4(″)0.21.02.0102060夹具水平方向安装误差(″)±1±5±10±20±20±60夹具垂直方向安装误差(″)±5±10±20±30±30±606通用技术要求6.1外观及附件要求6.1.1检定装置应具有铭牌,标明装置的名称、型号、规格、出厂编号、制造厂家或研制单位等。6.1.2检定装置的被检产品安装面(夹具表面)不应有毛刺和明显划伤,不应有腐蚀或碰伤。6.1.3检定装置应配套齐全,连接可靠,应备有使用和维护说明书以及保证其正确使用的信息、通用标志等。6.2其他技术要求6.2.1检定装置配套使用的数据采集和处理系统应根据其准确度等级进行选择,如数字电压表、数据采集卡的选择应满足该检定装置准确度等级要求。6.2.2检定装置配套使用的电子水平仪(或光电自准直仪)应满足装置开展检定工作的要求。6.2.3当检定装置包含温度试验箱时,应有校准证书或检定证书。注:温度试验箱应该先由相关计量部门校准或检定,本规程不检定该项目,其校准结果或检定结果应满足用户的使用要求。6.2.4检定装置的生产厂家或研制单位应给出其最大使用功率、安全电流等要求,还应根据检定装置准确度等级给出安装要求。6.2.5根据检定装置的准确度等级还应有相应的隔振以及倾斜角变化等要求。7计量器具控制计量器具控制包括:首次检定、后续检定和使用中检查。7.1检定条件7.1.1检定环境条件检定前应检查检定装置的安装基础,检查结果应满足生产厂家给出的装置使用要求。其他环境条件及其要求如下:a)环境温度:20℃±2℃,每小时变化不大于0.5℃;b)相对湿度:20%~80%。7.1.2检定用仪器的技术要求检定用仪器的技术要求如表2所示。JJG1071—20114表2检定用仪器、设备及指标要求序号被检项目和辅助用具检定用仪器、设备及指标名称测量范围技术指标1外观、附件及工作正常性 2精密分度装置10″及以上正多面棱体0°~+360°12或24面4等5″17或23面1″23面3等0.5″23面0.1″23面2等10″及以上光电自准直仪-1′~+1′分度值:≤1″示值误差:±1″5″-100″~+100″1″-100″~+100″分度值:≤0.5″示值误差:±0.5″0.5″-20″~+20″分度值:≤0.02″示值误差:±0.2″0.1″-5″~+5″分度值:≤0.01″示值误差:±0.05″3夹具水平方向安装误差夹具垂直方向安装误差电子水平仪-0.5°~+0.5°示值误差:Ⅰ挡:±2″Ⅱ挡:±1″光电自准直仪-20″~+20″分度值:≤0.02″示值误差:±0.2″4辅助用具平面镜1级硅油盘反射角≤1″五棱镜转向角≤1″7.2检定项目检定项目见表3。表3检定项目表序号检定项目首次检定后续检定使用中检查1外观、附件及工作正常性+++2精密分度装置角位置定位误差++-角位置定位重复性++-角位置定位分辨力++-主轴回转误差++-3夹具水平方向安装误差+++4夹具垂直方向安装误差++-注:表中“+”表示应检定的项目;“-”表示可不检定的项目。JJG1071—201157.3检定方法7.3.1外观、附件及工作正常性检查7.3.1.1外观、附件目力观察。7.3.1.2工作正常性操作实验。外观、附件及工作正常性检查应满足6的要求。7.3.2精密分度装置检定7.3.2.1角位置定位误差(分度误差)a)直接检定法3等及其以下等级的检定装置用直接检定法,方法如下:按图3所示方法安装,将棱体安装在主轴的旋转中心,将光电自准直仪安装在良好的隔振基础上,使光电自准直仪的光轴线垂直于棱体工作面。启动检定装置,从零位开始,记录光电自准直仪和检定装置的读数,按棱体面数规定的角度间隔转动,正反方向各测量一周,对棱体偏差修正之后,分别求得每个测回的误差值。检定原始记录格式见附录D,检定实例见附录B。图3角位置定位误差检定示意图1—正多面棱体;2—光电自准直仪取各检定点角位置定位误差的最大值和最小值之差作为角位置定位误差。b)排列互比法2等及其以上检定装置用排列互比法检定,以2等23面棱体为例(其他棱体类似),检定方法如下:按图3所示方法安装,精密分度装置起始位置位于0°位置,将棱体固定在精密分度装置主轴上,并调整棱体回转轴线与精密分度装置回转轴同心。将光电自准直仪放在基座上,调整光电自准直仪,使光轴大致通过棱体工作面中心,并对准棱体0°工作面(光电自准直仪对准棱体0°工作面为光电自准直仪的起始位置),读取精密分度装置的读数记为α1,1。控制精密分度装置旋转,使棱体第2工作面对准光电自准直仪起始位置,读取精密分度装置的读数记为α1,2。依次转动精密分度装置,使棱体第3,4,…,23工作面对准光电自准直仪起始位置,读取精密分度装置的读数分别记为α1,3,α1,4,…,α1,23,最后回到棱体第一工作面,回零差应不大于0.10″。JJG1071—20116第2测回检定时,精密分度装置仍位于0°位置,棱体的第2工作面对准光电自准直仪,读取精密分度装置的读数记为α2,1。控制精密分度装置旋转,使棱体第3工作面对准光电自准直仪起始位置,读取精密分度装置的读数记为α2,2。依次转动精密分度装置,使棱体第4,5,…,23,1工作面对准光电自准直仪起始位置,读取精密分度装置的读数分别记为α2,3,α2,4,…,α2,23。最后回到棱体第一工作面,回零差应不大于0.10″。同理,以棱体第3面,第4面,……,第23面为起始位置,重复上述检定,分别得到第3测回,第4测回,……,第23测回的读数值。将上述23个测回的读数值记入表4中,就可以求出精密分度装置的角位置定位误差。表4中竖行和按式(1)计算:式中:j———j=1,2,…,n,n为精密分度装置位置,这里n=23。表4中精密分度装置零起定位误差按式(2)计算:(2)Δ=(Δβj)max-(Δβj)min(3)式中:(Δβj)max———精密分度装置零起定位误差最大值;(Δβj)min———精密分度装置零起定位误差最小值。表4排列互比法检定记录表棱体位置精密分度装置位置及检定读数123…21222311α1,1α1,2α1,3…α1,21α1,22α1,2322α2,1α2,2α2,3…α2,21α2,22α2,2333α3,1α3,2α3,3…α3,21α3,22α3,2344α4,1α4,2α4,3…α4,21α4,22α4,23︙2121α21,1α21,2α21,3…α21,21α21,22α21,232222α22,1α22,2α22,3…α22,21α22,22α22,232323α23,1α23,2α23,3…α23,21α23,22α23,23竖行和βjβ1β2β3…β21β22β23精密分度装置零起定位误差ΔβjΔβ1Δβ2Δβ3…精密分度装置定位误差Δ-(Δβj)minJJG1071—20117取各检定点误差的最大值和最小值之差作为角位置定位误差。7.3.2.2角位置定位重复性同7.3.2.1。角位置定位重复性检定时,测量间隔应不少于12个位置(整圆周均匀分布),下面以12面棱体为例(其他棱体类似),检定方法如下:精密分度装置起始位置位于0°位置,用光电自准直仪对准棱体0°工作面,并进行3次读数,取3次读数的算术平均值记为α0。再将精密分度装置按角度增加方向转动30°,取光电自准直仪3次对准读数的算术平均值记为α30。依次以30°间隔进行检定,分别求出α60,α90,…,α330。最后回到棱体0°位置,完成第一周的检定。按上述相同的方法进行第二周检定,分别求出α′0,α′30,…,α′330。按式(4)、式(5)分别计算第一周和第二周检定时精密分度装置各相邻分度间隔的测量值。第一周:…ý(4)α30-α0=c0,30üïα60-α30=c30,60ïα90-α60=c60,90…ý(4) ïα300-α270=c270 ïα0-α330=c330,0þïα330α0-α330=c330,0þï第二周:α′30-α′0=c′0,30üï ïýα′60-α′30=c′30,60ïα90-α′60=c′60,90ý ïα′300-α′270=c′270,300ïα′330-α′300=c′300,330ïα′0α′330=c′330,0按式(6)计算式(4)和式(5)中各对应测量值之差。c0,30-c′0,30=ν1üïc30,60-c′30,60=ν2ïï…ïc330,0-c′330,0=ν12ï…ïc330,0-c′330,0=ν12JJG1071—20118精密分度装置的角位置定位重复性按式(7)计算:(7)式中:Sn———精密分度装置的角位置定位重复性;n—ν的个数,本例n=12。检定实例见附录C。7.3.2.3角位置定位分辨力精密分度装置直接用多齿盘的检定装置,此项可以不检定。利用光电自准直仪法检定,检定方法如下:按图3所示方法安装,将正多面棱体(以下简称棱体)安装到精密分度装置主轴端,将光电自准直仪按图3所示位置与精密分度装置同基础安装。转动精密分度装置主轴使光电准直仪在工作范围内,用光电自准直仪对准棱体任意工作面并读数,微调精密分度装置使其发生一个读数变化,用光电自准直仪再次对准并读数,两次读数差记为Δθ1。再次微调精密分度装置使其发生一个读数变化,同时用光电自准直仪瞄准并读数,得到Δθ2。重复上述操作,得到Δθ3、Δθ4、Δθ5。检定原始记录格式见附录D,取5次结果的平均值作为装置的角位置定位分辨力。7.3.2.4主轴回转误差(倾角回转误差)按图4所示方法安装,将平面反射镜(以下简称“平面镜”)安装在回转轴系的回转中心线的垂直位置,光电自准直仪照准平面反射镜中心位置。启动检定装置,旋转被测轴,调整平面镜,使平面镜与主轴回转中心线垂直度小于旋转90°,重复X方向检定过程,记录被测轴在各相应角位置上光电自准直仪的读数Wyi,检定原始记录格式见附录D。图4光电自准直原理检定主轴回转误差示意图1—平面镜;2—光电自准直仪测量值Wxi、Wyi是被测轴角位置θi的周期函数。将其展开成傅氏级数,扣除自准直仪零位和平面镜与主轴不垂直度引起的零次和一次谐波分量,得到主轴回转误差的两个垂直分量ΔWxi、ΔWyi,合成得ΔWi。JJG1071—20119具体按以下步骤进行:a)傅氏级数展开按式(8)进行傅氏级数展开:式中:Wxi—x向双轴光电准直仪的测量值;ax0—x向双轴光电准直仪的测量值的傅氏级数展开式零次项谐波系数;ax1,bx1—x向双轴光电准直仪的测量值的傅氏级数展开式一次项谐波系数;kk=1,2,3,…,n,为谐波次数;axk,bxk—x向双轴光电准直仪的测量值的傅氏级数展开式k次项谐波系数。按式(9)进行傅氏级数展开:式中:Wyi—y向双轴光电准直仪的测量值;ay0—y向双轴光电准直仪的测量值的傅氏级数展开式零次项谐波系数;ay1,by1—y向双轴光电准直仪的测量值的傅氏级数展开式一次项谐波系数;ayk,byk—y向双轴光电准直仪的测量值的傅氏级数展开式k次项谐波系数。 x向零次项谐波系数ax0按式(10)计算:ax0=(10)x向一次项谐波系数ax1按式(11)计算:ax1=Wxicosθi(11)x向一次项谐波系数bx1按式(12)计算:1=Wxisinθi(12)y向零次项谐波系数ay0按式(13)计算:ay0=(13)y向一次项谐波系数ay1按式(14)计算:ay1=Wyicosθi(14)y向一次项谐波系数by1按式(15)计算:by1=Wyisinθi(15)b)扣除安装误差,从傅氏级数中扣除自准直仪零位和平面镜与主轴不垂直度引起的零次和一次谐波分量,得主轴回转误差的两个垂直分量ΔWxi、ΔWyi。主轴回转误差的两个垂直分量ΔWxi、ΔWyi按式(16)、式(17)计算。10式中:ΔWxi———主轴回转误差在x方向的垂直分量。式中:ΔWyi———主轴回转误差在y方向的垂直分量。c)主轴回转误差计算主轴回转误差按式(18)计算。ΔWi=(18)取ΔWi中绝对值最大值为主轴回转误差。7.3.2.5精密分度装置的扩展不确定度a)精密分度装置的不确定度分量1)角位置定位误差引入的不确定度分量u1角位置定位误差为Δ(θ),按B类评定,假设均匀分布,则:(19)2)角位置定位重复性引入的不确定度分量u2角位置定位重复性为Sn,则:u2=Sn(20)3)角位置定位分辨力引入的不确定度分量u3角位置定位分辨力为d,其不确定度分量等于极限值为a=0.5d的矩形分布的不确定度分量,则:(21)4)主轴回转误差引入的不确定度分量u4主轴回转误差为ΔW,按B类评定,假设均匀分布,则:(22)b)精密分度装置的合成标准不确定度精密分度装置的合成标准不确定度uc按式(23)计算:uc=u12+u22+u32+u42(23)c)精密分度装置的扩展不确定度精密分度装置的扩展不确定度U按式(24)计算:U=k·uc(k=2)(24)精密分度装置的扩展不确定度应满足表1的要求。7.3.3夹具水平方向安装误差的检定a)电子水平仪法JJG1071—201111夹具水平方向安装误差大于1″的检定装置用电子水平仪法,方法如下:在检定之前,应对电子水平仪零位进行校准。控制检定装置带动夹具旋转到90°0′0″,将电子水平仪沿着与精密分度装置轴向成90°方向放置于夹具上,如图5所示,记录电子水平仪读数,并利用±(ç1+Aö÷·Δ转换成角度值,其中A为电子水平仪读数,Δ为电子水平仪相应量程挡的分辨力值。再将电子水平仪调转180°放置于夹具上(与前相同的位置),并记录电子水平仪读数,检定原始记录格式见附录D。重复上述过程3次,分别计算两个方向各3次电子水平仪读数的算术平均值,取这两个算术平均值之差的一半作为夹具水平方向安装误差。图5夹具安装误差(电子水平仪法)检定示意图1—夹具;2—电子水平仪b)光电自准直仪法夹具水平方向安装误差小于等于1″的检定装置用光电自准直仪法,方法如下:按图6所示,先在装五棱镜位置(或附近)安装硅油盘,调整光电自准直仪处于水平,然后取下硅油盘。再按图6所示方法安装并固定好五棱镜和平面镜,微调光电自准直仪,使光电自准直仪对准平面镜。控制检定装置带动平面镜旋转到90°0′0″,读取光电自准直仪读数,检定原始记录格式见附录D,重复以上步骤3次,计算装置在90°0′0″时3次读数算术平均值。转动检定装置到270°0′0″,读取光电自准直仪读数,重复以上步骤3次,计算装置在270°0′0″时3次读数算术平均值。取两位置读数平均值中最大值作为夹具水平方向安装误差。图6夹具安装误差(光电自准直仪法)检定示意图1—夹具;2—平面镜;3—光电自准直仪;4—五棱镜JJG1071—201112检定结果应满足表1的要求。7.3.4夹具垂直方向安装误差控制检定装置带动夹具旋转到90°0′0″,将电子水平仪沿着精密分度装置轴向放置于夹具上,如图7所示。图7夹具垂直方向安装误差检定示意图1—夹具;2—电子水平仪记录电子水平仪读数,检定原始记录格式见附录D。再将电子水平仪调转180°放置于夹具上(与前相同的位置),并记录电子水平仪读数。重复上述过程3次,分别求得正向3次电子水平仪读数的算术平均值和反向3次电子水平仪读数的算术平均值,取这两个算术平均值之差的一半作为夹具垂直方向安装误差。检定结果应满足表1的要求。7.4检定结果的处理首次检定时,按照检定装置生产厂家或研制单位给定的等级进行检定;后续检定时,按照前一次给定的等级进行检定。经检定符合本规程对应等级要求的检定装置发给检定证书或加盖检定合格印,并注明准确度等级,检定证书内页格式见附录E;经检定不符合本规程对应等级要求的发给检定结果通知书,并应注明不合格项,检定结果通知书内页格式见附录F。后续检定或使用中检查的检定装置,如检定不合格的,在征得送检单位同意后,也可根据检定结果降等级使用。7.5检定周期检定装置的检定周期为1年。13附录A测量不确定度评定实例本实例以4等检定装置的技术指标为例。A.1检定装置加速度的测量不确定度u(a)根据检定装置的工作原理,装置产生的加速度的数学模型为:a=g·sin(Θ)·cos(Φ)(A.1)式中:Θ———加速度计的输入轴与水平面的夹角;从式(A.1)可以看出影响加速度测量不确定度的分量有:重力加速度的测量不确定度、夹具垂直方向安装误差的测量不确定度和被检加速度计的输入轴与水平面夹角的测量不确定度。夹具垂直方向安装误差Φ:即夹具垂直方向安装误差θ90。加速度计的输入轴与水平面夹角Θ包括:精密分度装置的定位误差θ、夹具水平方向安装误差θ0。通过对检定装置的检定,4等检定装置检定结果为:角位置定位误差θ:1″角位置定位重复性Sn:0.06″角位置定位分辨力:0.18″,(取半个字)主轴回转误差为:0.62″夹具水平方向安装误差θ0:1″夹具垂直方向安装误差θ90:20″A.2重力加速度的测量不确定度u(g)重力加速度可通过专业部门测量,目前技术水平,其测量精度达到10-8m/s2量级,相对技术指标可忽略。A.3夹具垂直方向安装误差Φ的测量不确定度u(Φ)夹具垂直方向安装误差:Φ=θ90=20″,按B类评定,假设三角分布,则:=8.16″(A.2)A.4加速度计的输入轴与水平面夹角Θ的测量不确定度u(Θ)测量不确定度分量包括:角位置定位误差、夹具水平方向安装误差、角位置定位重复性三部分。A.4.1精密分度装置定位角的测量不确定度u(θ)角位置定位误差:Δ(θ)=1″,按B类评定,假设均匀分布,则:=0.58″(A.3)14A.4.2夹具水平方向安装误差θ0的测量不确定度u(θ0)夹具水平方向安装误差:Δ(θ0)=1″,按B类评定,假设均匀分布,则:=0.58″(A.4)A.4.3加速度计的输入轴与水平面夹角Θ的测量不确定度u(Θ)各测量不确定度分量相互独立,则:A.5检定装置加速度各参数的传递系数重力加速度的传递系数:u(Θ)=u2(θ)+u2(θ0)+S=A.5检定装置加速度各参数的传递系数重力加速度的传递系数:=cos·sin(A.6)精密分度装置回转轴与水平面夹角的传递系数:=-g·sin·sin(A.7)加速度计的输入轴与水平面夹角的传递系数:=g·cos·cos(A.8)A.6检定装置加速度的测量不确定度u(a)=[c(g)·u(g)]2+[c(Φ)·u(Φ)]2+[c(Θ)·u(Θ)]2=[cos(Φ)·sin(Θ)·u(g)]2+[g·sin(Φ)·sin(Θ)·u(Φ)]2+[g·cos(Φ)·cos(Θ)·u(Θ)]2(A.9)考虑到u(g)很小,sin(Φ)·u(Φ)也很小,cos(Φ)≈1。则(A.9)式可简化为:u(a)=g·cos(Θ)·u(Θ)=4.0×10-6·cos(Θ)·g(A.10)当Θ=0°(或180°),即a=0g时:u(a0g)=4.0×10-6g(A.11)当Θ=90°(或270°),即a=±1g时:A.7检定装置的扩展不确定度检定装置扩展不确定度:u(a±1g)=A.7检定装置的扩展不确定度检定装置扩展不确定度:U=k·u(a)(A.13)=8.0×10-6·cos(Θ)·g,(k=2)(A.14)因为Θ=0°~360°,所以=8.0×10-6·cos(Θ)·g,(k=2)(A.14)U=8.0×10-6g(k=2)JJG1071—201115附录B角位置定位误差直接检定法计算实例表B.1角位置定位误差直接检定法计算精密分度装置位置(°)棱体位置(面)读数(″)相对零位的差值(″)棱体偏差(″)精密分度装置角位置定位误差(″)正向反向正向反向正向反向010.360.100.000.000.000.000.0015.6521720.460.540.100.440.000.100.4431.3043531.111.000.750.90-0.100.851.0046.9565241.161.000.800.90-0.301.101.2062.6087051.631.511.271.41-0.401.671.8178.2608761.701.541.341.44-0.401.741.8493.9130471.751.521.391.42-0.401.791.82109.5652281.881.641.521.54-0.101.621.64125.2173991.931.611.571.510.201.371.31140.86957101.571.111.211.01-0.301.511.31156.52174112.151.671.791.570.201.591.37172.17391121.671.111.311.01-0.401.711.41187.82609132.381.822.021.720.201.821.52203.47826142.542.052.181.950.102.081.85219.13043152.682.102.322.000.102.221.90234.78261162.251.691.891.59-0.202.091.79250.43478172.141.581.781.48-0.101.881.58266.08696182.081.551.721.450.101.621.35281.73913191.431.021.070.920.100.970.82297.39130200.830.460.470.360.100.370.26313.04348210.14-0.23-0.22-0.33-0.20-0.02-0.13328.69565220.430.010.07-0.090.20-0.13-0.29344.34783230.27-0.14-0.09-0.24-0.200.11-0.04角位置定位误差Δ:Δ=(Δαj)max-(Δαj)min=2.22-(-0.29)=2.51″16附录C角位置定位重复性检定计算实例表C.1角位置定位重复性检定计算精密分度装置位置(°)第一周(″)第二周(″)ν(″)c-c′读数平均值α相邻角测量值c