ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ И МЕТРОЛОГИИ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ГОСТРИСО стандарт    16063-13—

российской    2012

ФЕДЕРАЦИИ

Вибрация

МЕТОДЫ КАЛИБРОВКИ ДАТЧИКОВ ВИБРАЦИИ

И УДАРА

Ч а с т ь 13

Первичная ударная калибровка методами лазерной интерферометрии

ISO 16063-13:2001 Methods for the calibration of vibration and shock transducers —

Part 13: Primary shock calibration using laser interferometry

(IDT)

Издание официальное

Москва

Стандартинформ

2015

Предисловие

1    ПОДГОТОВЛЕН Федеральным государственным унитарным предприятием Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы (ФП'П ВНИИМС) на основе собственного аутентичного перевода на русский язык международного стандарта, указанного в пункте 4, с участием Автономной некоммерческой организации «Научно-исследовательский центр контроля и диагностики технических систем» (АНО «НИЦ КД»)

2    ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 183 «Вибрация, удар и контроль технического состояния»

3    УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 29 ноября 2012 г. № 1379-ст

4    Настоящий стандарт идентичен международному стандарту ИСО 16063-13:2001 «Методы калибровки датчиков вибрации и удара. Часть 13. Первичная ударная калибровка методами лазерной интерферометрии» (ISO 16063-13:2001 «Methods for the calibration of vibration and shock transducers — Part 13: Pnmary shock calibration using laser interferometry»).

Наименование настоящего стандарта изменено относительно наименования указанного международного стандарта для приведения в соответствие с требованиями ГОСТ Р 1.5 (пункт 3.5).

При применении настоящего стандарта рекомендуется использовать вместо ссылочных международных стандартов соответствующие им межгосударственные стандарты, сведения о которых приведены в дополнительном приложении ДА

5    ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Правипа применения настоящего стандарта установлены в ГОСТ Р 1.0-2012 (раздел 8). Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе к Национальные стандарты», а официальный текст изменений и поправок — в ежемесячном указателе «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (gost.ru)

©Стандартинформ, 2015

Настоящий стандарт не может быть полностью или частично воспроизведен, тиражирован и распространен в качестве официального издания без разрешения Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии

ГОСТ Р ИСО 16063-13-2012

Содержание

1    Область применения...................................................1

2    Нормативные ссылки..................................................1

3    Неопределенность измерения.............................................1

4    Требования к испытательному оборудованию и средствам измерений...................2

5    Нормальные условия окружающей среды.....................................7

6    Предпочтительные значения опорного ускорения и длительности импульса...............7

7    Описание метода.....................................................7

8    Представление результатов калибровки.....................................11

Приложение А (обязательное) Расчет неопределенности измерения при калибровке..........12

Приложение В (справочное) Теоретические основы метода..........................14

Приложение С (справочное) Альтернативный метод вычисления модуля и фазового сдвига комплексного коэффициента преобразования..............................17

Приложение ДА (справочное) Сведения о соответствии ссылочных международных стандартов межгосударственным стандартам, действующим в качестве национальных стандартов

Российской Федерации......................................19

Библиография........................................................20

III

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Вибрация

МЕТОДЫ КАЛИБРОВКИ ДАТЧИКОВ ВИБРАЦИИ И УДАРА Ч а с т ь 13

Первичная ударная калибровка методами лазерной интерферометрии

Mechanical vibration. Methods (or the calibration of vibration and shock transducers. Part 13. Primary shock calibration

using laser interferometry

Дата введения — 2013—12—01

1    Область применения

Настоящий стандарт устанавливает требования к аппаратуре и метод, используемый для первичной ударной калибровки акселерометров прямолинейного движения с применением лазерной интерферометрии для определения перемещения во времени при ударе. Метод применяют для ударов длительностью от 0,05 мсдо Юме и в диапазоне от 10¹м/с¹до 10⁵ м/с¹ (в зависимости от длительности удара). Метод позволяет определить коэффициент преобразования по удару.

2    Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ИСО 5347-22:1997 Методы калибровки датчиков вибрации и удара. Часть 22. Испытание акселерометра на резонанс. Общие методы (ISO 5347-22:1997. Methods for the calibration of vibration and shock pick-ups — Part 22: Accelerometer resonance testing — General methods)

ИСО 16063-1:1998 Методы калибровки датчиков вибрации и удара. Часть 1. Основные положения (ISO 16063-1:1998, Methods for the calibration of vibration and shock transducers — Part 1: Basic concepts)

ИСО 16063-11:1999 Методы калибровки датчиков вибрации и удара. Часть 11. Первичная вибрационная калибровка методами лазерной интерферометрии (ISO 16063-11:1999. Methods for the calibration of vibration and shock transducers — Part 11: Pnmary vibration calibration by laser interferometry)

3    Неопределенность измерения

Применение методов, установленных настоящим стандартом, должно обеспечивать неопределенность измерения, не превышающую следующие значения:

-    1 % измеренного значения при опорном пиковом значении 1000 м/с¹, опорной длительности удара 2 мс и опорном коэффициенте усиления усилителя;

-    2 % для произвольных пиковых значений ускорения и длительностей импульсов.

Указанная неопределенность установлена для калибровки преобразователей повышенной точности (например, эталонных акселерометров) при условии, что применены все необходимые меры для снижения составляющих неопределенности с целью соответствия установленным требованиям к бюджету неопределенности (см. приложение А). В частности, энергия, связанная с возбуждением резонанса какой-либо части преобразователя или ударного стенда в процессе калибровки, должна быть мала по сравнению с энергией в диапазоне частот калибровки. Эксперимент по определению резонанса датчика должен выполняться в соответствии с ИСО 5347-22. Выполнение данного требования может потребовать отказаться от использования импульсов с относительно короткими длительностями, указанными в разделах 1 и 6.

Пользователи настоящего стандарта должны самостоятельно составлять бюджет неопределенности в соответствии с приложением А. отражающий конкретные условия калибровки.

Примечание — В настоящем стандарте под неопределенностью измерения понимается расширенная неопределенность в соответствии с ИСО 16063-1.

Издание официальное

4 Требования к испытательному оборудованию и средствам измерений

4.1    Общие положения

В настоящем разделе установлены требования, соответствие которым необходимо для достижения целей калибровки, указанных в разделе 1. с неопределенностью, указанной в разделе 3

4.2    Ударный стенд с наковальней

В ударном стенде данного типа возбуждение осуществляется ударом молотка (снаряда) о наковальню (мишень). на которой закреплен акселерометр. После соударения молоток захватывается улавливающим устройством, а переданный им импульс позволяет наковальне совершать свободное прямолинейное движение с ускорением. Между молотком и наковальней размещают стальные пружины или амортизирующие прокладки из резины, бумаги или другого подходящего материала, позволяющие сформировать ударный импульс необходимой формы и длительности Полученные импульсы ускорения должны быть близки к одной из классических форм: полусинусоиды. квадрата полусинусоиды (вер-синусоидальный импульс) или гауссовской (колоколообразный импульс). Резонансные частоты молотка и наковальни должны быть не менее 10IT. где Г — длительность импульса.

Во избежание влияния резонансов конструкции ударного стенда молоток и наковальня должны быть максимально от нее изолированы. Продольные оси молотка и наковальни должны совпадать с предельно допустимым смещением между ними ± 0.2 мм Конструкция опоры наковальни должна обеспечивать отсутствие несимметричных сил. вызывающих вращение и отклонение от прямолинейного движения.

Шероховатость монтажной поверхности наковальни Ra(среднее арифметическое отклонение профиля), на которой закреплен акселерометр, должна быть менее 1 мкм

Отклонение от плоскостности монтажной гюверхности должно быть не более 5 мкм.

Отклонение от перпендикулярности продольной оси резьбового отверстия для монтажа акселерометра должно быть не более 10 мкм на интервале, равному глубине отверстия.

Примечание 1 — Для выполнения указанных требований наковальня и молоток могут быть снабжены воздушными подшипниками (см рисунок 1 и [1]). Ударный стенд, показанный на рисунке 1. воспроизводит версину-соидапьный импульс ускорения (6).

Примечание 2 — Некоторые традиционные ударные стенды, используемые при калибровке методом сравнения (см. [2) и (3]), не способны создавать движение, которое может быть измерено с требуемой точностью методами лазерной интерферометрии. ¹

ГОСТ Р ИСО 16063-13-2012

4.3 Ударный стенд с длинным тонким стержнем, по которому распространяется ударный импульс

В ударном стенде данного типа движущееся с ускорением тело (например, стальной шар) соударяется с амортизирующим элементом (например, стальным шаром такого же диаметра), прикрепленным к стержню, на противоположном конце которого закреплен акселерометр. Стержень должен иметь упругую подвеску, позволяющую избежать влияния резонансов ударного стенда. Соосность молотка и стержня должна находиться в пределах, обеспечивающих выполнение требований к неопределенности измерения (раздел 3).

Любые отклонения от прямолинейного движения монтажной поверхности акселерометра должны быть малы по крайней мере в течение периода измерения (не более 1 мс). чтобы обеспечить соответствие требованиям к неопределенности измерения. Поэтому ударный стенд должен иметь устройство автоматического управления процессом записи данных.

Шероховатость поверхности Ra, на которой закреплен акселерометр, должна быть менее 1 мкм.

Отклонение от плоскостности монтажной поверхности должно быть не более 5 мкм.

Отклонение от перпендикулярности продольной оси резьбового отверстия для монтажа акселерометра должно быть не более 10 мкм на интервале, равному глубине отверстия.

При определении размера стержня ((4), [5]) следует учитывать, что на его торцовой поверхности должно быть место для крепления калибруемого акселерометра, а также для отражения лазерного луча интерферометра, воспринимающего движение этой поверхности. Кроме того, период измерения (см. ниже) должен быть достаточным.

Максимальная продолжительность удара и период измерения, необходимый для сбора данных, ограничены моментом отражения ударного импульса от монтажной поверхности (например, 0.8 медля стержня длиной 2 м. см. рисунок 2).

Пример ударного стенда, принцип действия которого основан на упругом распространении волны подлинному тонкому стержню, показан на рисунке 2. Для формирования сигналов о начале и окончании периода измерения используются два тензодатчика на противоположных сторонах стержня. Ударный стенд сдвумястальными шарами, показанныйна рисунке 2. обеспечивает воспроизведение ускорения в форме производной гауссовского импульса, что соответствует гауссовскому импульсу скорости (6). Данный стенд обеспечивает хорошую повторяемость результатов при повторных ударных калибровках и относительно малые изменения соотношения частотных составляющих спектра при различных пиковых значениях удара (13).

Применительно к разным условиям калибровки могут использоваться стержни других размеров, чем показаны на рисунке 2. ²

Рисунок 2 — Пример измерительной системы для ударной калибровки с использованием длинного тонкого стержня (диапазон пикового значения ускорения от 1000 до 10000 м/с²)

В общем случае продольное перемещение в стержне описывается сложной функцией радиальной координаты и частоты, зависящей от свойств материала и диаметра стержня. Это может приводить к зависящей от частоты деформации основания калибруемого акселерометра и увеличению неопределенности измерения.

4.4    Сейсмический блок (блоки) для ударного стенда и лазерного интерферометра

Ударный стенд и интерферометр устанавливают на общем или на отдельных массивных блоках с целью предотвратить их относительное перемещение из-за колебаний грунта, а также для предотвращения чрезмерного влияния реакции опоры ударного стенда на результаты калибровки.

4.5    Лазер

Для калибровки используют красный гелий-неоновый лазер.

В лабораторных условиях (при атмосферном давлении 100 кПа. температуре 23 °С и относительной влажности 50 %) номинальная длина волны лазера равна 0,63281 мкм.

Если лазер имеет ручную или автоматическую компенсацию влияния условий окружающей среды, то она должна быть установлена на нуль или отключена.

Допускается использовать одночастотный лазер с другой стабильной и известной длиной волны.

4.6    Интерферометр

Для приема интерференционного сигнала применяют модифицированный интерферометр Май-кельсона. выходные сигналы которого сдвинуты друг относительно друга на 90° (квадратурные сигналы). с двумя фотодетекторами, имеющими частотную характеристику, перекрывающую необходимую ширину полосы частот. ³

ГОСТ Р ИСО 16063-13-2012

Необходимая ширина полосы частот Гц. может быть вычислена по амплитуде измеряемой скорости v^_x, м/с, по формуле

.-3.16-10®.

Модифицированный интерферометр Майкельсона может быть собран в соответствии со схемой, показанной на рисунке 3. Четвертьволновая пластина преобразует падающий линейно поляризованный свет в два измерительных луча со взаимно ортогональной поляризацией и фазовым сдвигом 90°. После интерференции с линейно поляризованным опорным лучом две компоненты со взаимно ортогональными поляризациями пространственно разделяют при помощи соответствующих оптических элементов (например, призмы Волластона или поляризационного светоделителя) и детектируют двумя фотодиодами. Два выходных сигнала модифицированного интерферометра Майкельсона должны иметь сдвиг нуля не более ±5 % амплитуды сигнала, относительную разность амплитуд менее =5 % и отклонение разности фаз от номинального угла 90° не более г5°. Чтобы удовлетворить этим требованиям, должны быть предусмотрены средства регулировки нуля, амплитуды сигнала и сдвига фаз между двумя сигналами интерферометра.

Для соблюдения требований к неопределенности измерения, указанных в разделе 3. направление измерительного луча интерферометра должно совпадать с осью стержня.

При калибровке акселерометра с одной монтажной поверхностью для отражения измерительного луча необходимо использовать полированную торцевую поверхность стержня, а при калибровке акселерометра, в конструкции которого имеется две монтажные поверхности (что допускает его крепление с другим акселерометром в положении «спина к спине»), — полированную поверхность акселерометра. Использование зеркал не допускается.

При больших пиковых значениях ускорения необходима широкая полоса пропускания. Например, для удара с пиковым значением ускорения 100000 м/с² и длительностью 200 мкс (при форме импульса, указанной в 4.3) верхняя граница частотного спектра передаваемого сигнала интерферометра составляет 32 МГц (см. (6J). ⁴

Вместо интерферометра Майкельсона (модифицированного) может быть использован другой подходящий двухлучевой интерферометр, например интерферометр Маха-Цендера (модифицированный).

4.7    Осциллограф

Если осциллограф не входит в состав регистратора формы сигнала (см. 4 8). то он должен быть использован в качестве отдельного устройства для контроля формы сигналов интерферометра и акселерометра в диапазоне частот от 0 до 50 МГц и выше.

4.8    Регистратор формы сигнала с компьютерным интерфейсом

Измерительная система должна иметь в своем составе регистратор формы сигнала с компьютерным интерфейсом, позволяющим выполнять аналого-цифровое преобразование и хранить в памяти два квадратурных выходных сигнала интерферометра и выходной сигнал акселерометра. Разрешающая способность по амплитуде, частота выборки и объем памяти должны быть достаточными для калибровки в требуемом динамическом диапазоне с неопределенностью, указанной в разделе 3. Обычно для выходного сигнала акселерометра достаточно разрядности аналого-цифрового преобразования Юбит, а для выходных квадратурных сигналов интерферометра — 8 бит. Допускается использование двух регистрирующих устройств: двухканального для выходных сигналов интерферометра и устройства с более высокой разрешающей способностью и более низкой частотой выборки для выходного сигнала акселерометра.

Пример — Для калибровки акселерометра при пиковом значении ускорения 2500 м/с* и длительности импульса 2 мс частота выборки должна быть 50 МГц или выше (памяти 1 Мбит достаточно для записи сигналов трех каналов).

4.9    Компьютер с программной обработкой данных

Компьютер с программой обработки данных используют при расчетах по 7.3.

4.10    Фильтры

Аналоговые фильтры, используемые для выходных сигналов акселерометра и интерферометра для подавления шума, а также с целью избежать наложения спектров, должны иметь амллитудно- и фазочастотные характеристики, позволяющие удовлетворить требованиям к неопределенности измерения (раздел 3). Это относится также к цифровым фильтрам, используемым в процессе обработки дан-ных(см. 7.3).

При фильтрации сигналов интерферометра необходимо принимать во внимание возможные источники погрешности, указанные в (6].

4.11    Другие требования

Для достижения достаточно малой неопределенности измерения (например, не более 1 %) рекомендуется акселерометр и усилитель акселерометра рассматривать как единое устройство и калибровать их совместно.

Конструкция акселерометра должна быть жесткой. При расчете неопределенности измерения (см. приложение А) должны быть приняты во внимание чувствительность акселерометра к деформации основания, коэффициент поперечного преобразования и стабильность характеристик системы «акселерометр — усилитель».

При калибровке эталонного акселерометра, который впоследствии предполагают применять для калибровки методом сравнения в положении «спина к спине», измерение коэффициента преобразования (как модуля, так и фазового сдвига)следует проводить с использованием имитатора, масса которого равна массе акселерометра, калибруемого методом сравнения. Луч лазера должен падать на верхнюю поверхность имитатора (внешняя поверхность) или на верхнюю поверхность калибруемого акселерометра.

Если измеряют ускорение верхней поверхности имитатора, то она должна быть отполирована, и пятно лазерного луча должно находиться вблизи геометрического центра этой поверхности. В случаях, когда имитатор нельзя считать абсолютно твердым телом, следует учитывать относительное движение верхней и нижней поверхностей имитатора.

В качестве альтернативы можно измерять ускорение верхней поверхности опорного акселерометра через продольное отверстие в имитаторе массы.

В некоторых ударных стендах, применяемых для ударной калибровки методом сравнения, измеряют ускорение калибруемого акселерометра относительно монтажной поверхности эталонного акселерометра, на которой калибруемый акселерометр установлен. При этом оба акселерометра смонтированы на жесткой конструкции. В этом случае при калибровке эталонного акселерометра удар- ⁵

ГОСТ Р ИСО 16063-13-2012

ное ускорение необходимо измерять на близкой к акселерометру движущейся части ударного стенда (например, на торцевой поверхности стержня).

5    Нормальные условия окружающей среды

Калибровку проводят при следующих условиях окружающей среды:

a)    комнатная температура (23 г 3)^вС;

b)    относительная влажность не более 75 %.

6    Предпочтительные значения опорного ускорения и длительности

импульса

Предпочтительные значения (пиковые) опорного ускорения и длительности импульса выбирают из следующих рядов:

a)    ускорение, м/с²:100; 200; 500; 1000:2000; 5000; 10000; 20000; 50000; 100000,

b)    длительность ударного импульса, мс: 0.05; 0,1; 0.2; 0.5; 1; 2; 5; 10.

Предупреждение — Во избежание повреждения аксеперометра длительность калибровочного ударного импульса не должна превышать указанной изготовителем минимальной длительности импульса.

7 Описание метода

7.1    Процедура

Измерительная система должна быть собрана в соответствии с рисунком 1 или 2. а также рисунком 3. Лазерный интерферометр (например, показанный на рисунке 3) должен быть отъюстирован для получения выходных сигналов и, и и₂с фазой квадратурного сигнала в пределах допускаемых значений, указанных в 4.6. Перед воспроизведением удара необходимо измерить помехи (шум), которые должны быть малыми настолько, чтобы обеспечить требования к неопределенности измерения.

После того, как отрегулировано положение элементов интерферометра (см. 4.6) и выбрано требуемое положение переключателя диапазона усилителя, выполняют калибровку акселерометра при заданных опорных ускорениях и длительностях импульса (см. раздел 4). как описано в 7.2 и 7.3.

Примечание 1 — Применение цифрового сигнального процессора совместно со специальным гетеродинным интерферометром, как указано в (7] и (8]. позволяет получить квадратурные сигналы без искажений, допуски на которые установлены в 4.6. В этом случав может быть достигнута меньшая неопределенность измерения по сравнению с методом, установленным настоящим стандартом. Соответствующая гетеродинная техника имеет также преимущества в передаче фотоэлектрических интерференционных сигналов с широкой полосой частот (см. 4.6), но ее недостатком является значительно более высокая стоимость.

Примечание 2 — При измерении сигнала ускорения вместо метода, основанного на формировании квадратурных ситалов. можно использовать одиоканальный интерферометр Майкельсона. измеритель временных интервалов и специальные алгоритмы для определения ускорения по значениям перемещения в фиксированные моменты времени (см. [9]).

7.2    Сбор данных

Частоты среза низкочастотного фильтра и высокочастотного фильтра (если он используется) должны быть выбраны такими, чтобы влияние помех на отфильтрованный сигнал было в пределах допускаемых значений (см. (6J). В соответствии с теоремой Найквиста-Котельникова частота выборки должна не менее чем вдвое превышать максимальную частоту измеряемого сигнала.

Выборочные значения квадратурных сигналов должны быть эквидистантны в пределах периода измерения ^ < t < ^ + 7^^, где /₀ — время начала, а /₀ + T_Mtgt — время конца сбора данных.

Начальный момент измерений должен предшествовать началу ударного импульса, воздействующему на монтажную поверхность акселерометра (рекомендуемый сдвиг по времени 0.1 Г. где 7 — длительность импульса). Заканчиваться период измерения должен до прихода отраженного импульса (рекомендуемый сдвиг по времени 0.057).

При формировании выборки квадратурных сигналов {(/,(/,)} и {u₂(t,)} на периоде измерения t₀<t< ^к*о* Т'/иьм период дискретизации должен быть Д/ = /,-/,_,= const.

Одновременно формируют выборку выходного сигнала акселерометра {i/(f,)}.

Собранные данные должны быть переданы в память компьютера. ⁶

1

2

3

4

5

6