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JJG298-2015《标准振动台检定规程》解读

2016-10-11 16:47:03  来源:中国计量测控网 
字号: 13号字 16号字

  一、规程修订的背景

  国际标准化组织机械振动、冲击与状态监测技术委员会第3分委会——振动冲击测量仪器的应用和校准分委会(ISO TC108/SC3)负责制定振动和冲击测量仪器校准的系列国际标准。其中,ISO16063-11《激光干涉法振动绝对校准》和ISO16063-21《振动比较法校准》中给出的振动校准的频率范围都达到了0.4Hz~10kHz;而且ISO TC108/SC3正在讨论将振动校准的频率范围扩展到0.1Hz~20kHz。我国在国际计量局关键比对数据库(BIPM KCDB)中发布的振动校准测量能力(CMCs)的频率范围为0.1Hz~20kHz。JJF2054-2015《振动计量器具检定系统表》中的频率范围为0.005Hz~20kHz。JJG298-2005《中频标准振动台(比较法)检定规程》(以下简称“旧规程”)适用的频率范围仅为20Hz~2kHz,无法满足国际标准和振动量值传递的要求,因此需要对其进行修订。

  针对标准振动台的检定、校准及其在振动量值传递过程中的影响,起草组向国内外主要标准振动台生产厂家和国内标准振动台使用单位进行了广泛调研,并实际测试了国内在用的多数标准振动台的性能,发现标准振动台的检定/校准存在以下几个主要问题:(1)旧规程无法覆盖振动标准装置的测量范围;(2)部分标准振动台系统集成的测量系统无法单独送检;(3)检定结果在振动校准结果的不确定度评定中如何使用不清楚;(4)对计量性能指标争议较大,有的厂家认为要高,有的认为要低。

  因此,此次规程的修订主要参照以下内容:(1)ISO16063-11;(2)ISO16063-21;(3)ISO16063-41:2011《激光测振仪校准》;(4)BIPM KCDB中公布的我国的CMCs能力;(5)国内在用的各种标准振动台的技术指标。

  经多方努力,2015年12月7日,JJG298―2015《标准振动台检定规程》(以下简称“新规程”)由国家质检总局批准发布,并自2016年6月7日起实施。

  二、规程主要修订内容介绍

  1.规程主要修订内容的确定原则

  (1)计量性能指标的确定原则

  ①参照国际标准和国家标准的推荐。

  ②符合KCDB中我国的CMCs能力。

  ③符合JJF2054-2015的要求。

  ④示值误差、测量不确定度要求符合检定用仪器的能力范围。

  ⑤在满足量传要求的前提下,适当放宽,以覆盖多数在用标准振动台。

  (2)计量器具的确定原则

  ①技术指标必须满足量值传递的要求。

  ②提供可选仪器,增强规程适用性。

  (3)检定方法的确定原则

  ①符合计量性能的定义,检定结果测量不确定度可控。

  ②具有较强可操作性。

  ③在满足计量性能指标测量不确定度的前提下,优化可操作性。

  2.规程主要修订内容解析

  首先按照JJF1002-2010《国家计量检定规程编写规则》的要求,对旧规程中不符合规则要求的格式、内容进行修改,并增加了引言部分。

  由于新规程既适用于绝对法振动校准用的标准振动台,又适用于比较法振动校准用的标准振动台,因此规程名称修订为《标准振动台检定规程》。

  (1)范围

  为适应绝对法和比较法振动检定/校准所用的各种标准振动台的需求,拓展了新规程的范围,去掉了适用的加速度范围和比较法的限制,频率范围扩展到0.1Hz~20kHz。

  (2)引用文献

  ①用JJF1156-2006《振动、冲击、转速计量术语及定义》替代了GB/T2298-1991《机械振动与冲击术语》,确保规程中所引用术语和定义的规范性。

  ②去掉了GB7670-1987《电动振动试验设备特性的描述方法》,引用了国家标准GB/T20485.11-2006(等同采用国际标准ISO16063-11)、GB/T20485.21-2007(等同采用国际标准ISO16063-21)和国际标准ISO16063-41:2011,确保规程和标准内容的一贯性和继承性。

  (3)概述

  能够满足标准振动台计量性能和通用技术要求的振动台即可用做标准振动台,因此不必限制振动台的形式,去掉了旧规程中对电动式振动台的限定。

  (4)计量性能要求

  依据计量性能指标的确定原则,新规程仅给出了影响振动检定/校准测量不确定度的计量性能指标要求。且在附录C和附录D中给出了用检定结果在振动校准中评定由标准振动台所引入的测量不确定度分量的方法和实例。当振动校准对测量不确定度或波形要求较高时,可以参照计量性能参数对测量不确定度分量的贡献,提高对标准振动台计量性能的要求。当需要多传感器同步校准功能时,可参照附录F中的方法对幅值均匀度进行测量。

  开展振动校准时,幅值均匀度、频率特性、共振频率等技术指标不是必需的测量不确定度分量,因此新规程中不作要求。

  ①磁通密度

  旧规程要求测量台面上方50mm处的磁通密度。传感器安装位置的磁通密度才是需要代入测量不确定度评估的具体量值,因此要求测量传感器安装位置的磁通密度。其他参数对于传感器安装位置的描述也是基于相同考虑。

  ②信号噪声比

  考虑到国内当前大部分低频标准振动台的信噪比无法达到70dB,用于绝对法校准的标准振动台的信号噪声比定为60dB。

  ③频率示值误差

  频率是计算振动幅值的一个主要参数,旧规程中要求的频率示值误差不大于满量程的0.25%,会造成不同频率点上由其引入的测量不确定度分量不同,因此参照GB/T20485.21-2007、GB/T20485.11-2006的要求进行了修改。

  ④稳定性

  GB/T20485.21-2007和GB/T20485.11-2006对稳定性的定义是在整个测量期间读数的幅值和频率变化量。不同的校准系统,其每个频率点上的测量时间都可能不同,且可能测量时间很短(比如只用几个周期)。因此,将旧规程以最大加速度幅值“连续振动20min,在任一个2min的时间间隔”改为:“连续振动100秒,在任一个10秒的时间间隔”。即使在0.1Hz时,也可以测量10个周期的稳定性。

  ⑤加速度谐波失真度

  国际上关于加速度谐波失真度对测量不确定度的影响有一个基本共识:由于采用了频谱分析、滤波等技术,失真度对振动传感器校准测量不确定度的贡献相对很小,可以忽略不计;但是当校准不具备频谱分析、滤波等技术的仪器(例如测真有效值的测振仪)时,失真度引入的测量不确定度则不能忽略不计。因此,参照旧规程和GB/T20485.21-2007及GB/T20485.11-2006,取目前国内多数在用的标准振动台系统能普遍达到的失真度指标作为新规程的要求。

  ⑥横向振动比

  将旧规程“要求20Hz~2kHz频率范围内,台面中心横向振动比不大于10%”修订为“1kHz以下应不大于10%,1kHz以上应不大于20%或30%”,与相关国际标准保持一致。对于10Hz以下,GB/T20485.11-2006中未充分考虑重力分量的影响,横向振动比小于1%的要求实际难以达到。基于不影响振动校准结果测量不确定度的原则,10Hz以下的横向振动比的要求也确定为应不大于10%。

  ⑦测量系统电压、电压比、相位差测量误差和加速度幅值控制误差

  部分标准振动台内装或者配置控制传感器,一方面用于实现标准振动台的闭环控制,另一方面还作为比较法校准的参考传感器;通常这类标准振动台还包括具有振动控制和校准功能的控制和测量系统。控制和测量系统无法脱离标准振动台单独使用,难以分开检定或校准,因此新规程中增加4.7~4.10节的内容,以解决控制和测量系统的检定/校准问题。

  根据GB/T20485.21-2007及GB/T20485.21-2007对电压测量仪器的要求,考虑实际检定时所用仪器的量值传递能力及被检系统需要达到的测量不确定度要求,确定测量系统电压、电压比、相位差测量误差。

  (5)通用技术要求

  在旧规程基础上增加了对振动台面的要求。

  (6)计量器具控制

  根据计量性能和量传的要求,调整了检定用器具及技术指标要求。

  ①根据GB/T20485.21-2007及GB/T20485.11-2006对测量系统的要求及新规程计量性能要求,确定动态信号分析仪、数字电压表、频率计、正弦信号发生器的技术指标。由于可用高性能的动态信号分析仪,数字电压表、频率计和正弦信号发生器列为可选仪器。

  ②根据JJF2054-2015,确定对参考加速度计套组、加速度计套组、三轴向加速度计套组的要求。由于采用单轴向加速度计也可以实现横向振动比的测量,三轴向加速度计套组调整为可选仪器。

  ③加速度计的安装谐振频率对高频(如10kHz以上)检定结果的影响较大,新规程将激光测振仪和三轴向激光测振仪列为可选仪器。

  根据计量性能和检定方法的最新研究成果,调整了部分检定方法。

  ①频率点的选择:考虑到不同频率范围的应用,增加了可选的参考点;取消了1/3倍频程要求,振动台检定的频率点最好和标准加速度传感器检定的频率点对应,但是一些特殊要求或美国振动校准系统可能不会选取1/3倍频程点。

  ②磁通密度是振动校准的测量不确定度影响量,因此将测量位置调整为传感器安装位置。

  ③考虑新规程实施中的可操作性,6.3.4~6.3.8最大加速度幅值、信噪比、频率示值误差、稳定性、加速度谐波失真度的检定既可用参考加速度计,又可用加速度计或三轴向加速度计;6.3.4~6.3.7中加速度计输出的测量既可用动态信号分析仪,又可用频率计和数字电压表。

  ④横向振动比是振动校准的主要测量不确定度来源。基于理论和实验研究的成果,中国计量科学研究院主导修订了国际标准ISO16063-1《振动冲击校准方法基本概念》,在其中给出了基于平面运动合成的横向振动比的测量方法,新规程直接采用了该测量方法,提高了测量准确度。考虑到振动频率较高(10kHz以上)时加速度传感器横向共振较大,增加可选激光测振仪测量的方法。

  ⑤增加了测量系统电压、电压比、相位差测量误差和加速度幅值控制误差(6.3.10~6.3.13)的检定内容。

  (7)附录

  增加附录C~D,以说明新规程检定结果在比较法和绝对法校准系统中的使用方法;增加了附录E,评估新规程主要检定结果的测量不确定度;附录F,建议了均匀度指标的测量方法。

  三、规程执行中应注意的问题

  1.什么是标准振动台

  国际上,并没有对标准振动台进行明确定义,通常满足振动校准要求(主要是振动校准测量不确定度要求)的振动台就可以是标准振动台。新规程规定,满足本规程计量性能要求的振动台即是标准振动台。

  2.新规程的使用方法

  标准振动台检定的主要目的是确定振动检定/校准时由振动台所引入的测量不确定度分量。使用新规程时,首先按照计量正文部分对计量性能进行测量,然后可根据附录C和附录D给出的方法和实例计算各测量不确定度分量。

  3.标准振动台测量范围的确定

  满足计量性能要求的频率范围和加速度范围即是被检标准振动台的可用合格范围。

  4.测量系统的检定

  测量系统电压、电压比、相位差测量误差和加速度幅值控制误差是可选项,如果标准振动台的控制系统具备这些功能,且这些功能无法脱离振动台单独使用,才必须进行检定。

  5.加速度波形失真度

  频率较高时(如谐波频率接近传感器的安装谐振频率时),安装谐振将极大地增加加速度谐波失真度的测量不确定度,此时建议采用激光干涉仪测量加速度谐振失真度。

  6.检定结果的测量不确定度评估

  附录E中给出了标准振动台主要检定结果的测量不确定度的评定方法和实例,分析过程中假设了一些条件,并进行了修约。引入新规程检定结果测量不确定度评估结果时,应注意这些假设条件和修约是否仍然成立。

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