JJF 2084-2023 重力场法线加速度计校准规范

中华人民共和国国家计量技术规范JJF2084—2023重力场法线加速度计校准规范CalibrationSpecificationforLinearAccelerometersbyEarth’sGravitation2023-10-12发布2024-04-12实施国家市场监督管理总局发布重力场法线加速度计校准规范CalibrationSpecificationforLinearAccelerometersbyEarth’sGravitation􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀧣􀧣􀧣􀧣JJF2084—2023归口单位:全国惯性技术计量技术委员会主要起草单位:中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所中国人民解放军第五七一八工厂深圳中航技术检测所有限公司参加起草单位:浙江引领信息科技有限公司广东省计量科学研究院华中科技大学本规范委托全国惯性技术计量技术委员会负责解释JJF2084—2023本规范主要起草人:董雪明(中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所)关伟(中国人民解放军第五七一八工厂)邢馨婷(中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所)魏居锋(深圳中航技术检测所有限公司)参加起草人:黄腾超(浙江引领信息科技有限公司)周颖熙(广东省计量科学研究院)刘金全(华中科技大学)JJF2084—2023目录引言(Ⅱ)………………………………………………………………………………………1范围(1)……………………………………………………………………………………2引用文件(1)………………………………………………………………………………3术语(1)……………………………………………………………………………………4概述(1)……………………………………………………………………………………5计量特性(2)………………………………………………………………………………5.1静态测量模型(3)………………………………………………………………………5.2模型方程系数的灵敏度(3)……………………………………………………………5.3噪声(3)…………………………………………………………………………………6校准条件(4)………………………………………………………………………………6.1校准环境条件(4)………………………………………………………………………6.2测量标准及设备(4)……………………………………………………………………7校准项目和校准方法(5)…………………………………………………………………7.1校准项目(5)……………………………………………………………………………7.2校准方法(5)……………………………………………………………………………8校准结果表达(15)…………………………………………………………………………9复校时间间隔(16)…………………………………………………………………………附录A重力场法线加速度计测量不确定度评定示例(17)………………………………附录B校准证书内页格式(30)……………………………………………………………ⅠJJF2084—2023引言JJF1001—2011《通用计量术语及定义》、JJF1071—2010《国家计量校准规范编写规则》、JJF1059.1—2012《测量不确定度评定与表示》共同构成制定本规范的基础性系列规范。线加速度计广泛应用于国民经济各领域。结合线加速度计校准的实际情况,参考国际电工委员会(IEC)编写的IEC60747-14-4《半导体加速度计》(Semiconductoraccel-erometers),编写本规范。本规范为首次发布。ⅡJJF2084—2023重力场法线加速度计校准规范1范围本规范规定了重力场法线加速度计的校准项目和校准方法,适用于单敏感轴线加速度计的校准。2引用文件本规范引用了下列文件:IEC60747-14-4半导体加速度计(Semiconductoraccelerometers)凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本规范;凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本规范。3术语3.1重力场法earth’sgravitationmethod利用标准重力加速度在被校线加速度计输入轴方向的分量作为输入校准线加速度计的方法。3.2加速度计温度灵敏度temperaturesensitivityofaccelerometer由加速度计工作环境温度变化引起的偏值或者标度因数等参数的变化量与温度变化量的比值。3.3加速度计磁灵敏度magneticsensitivityofaccelerometer由加速度计工作环境磁场变化引起的偏值或者标度因数等参数的变化量与磁场变化量的比值。3.4加速度计气压灵敏度airpressuresensitivityofaccelerometer由加速度计工作环境气压变化引起的偏值或者标度因数等参数的变化量与气压变化量的比值。4概述线加速度计一般由敏感质量、挠性支承和转换线路等构成。工作原理为敏感质量在外界加速度产生的惯性力作用下产生一定位移,该位移与输入加速度相关,其物理模型可简化为:Md2xdt2+Ddxdt+Kx+C=-Ma(1)式中:M———敏感质量,kg;D———周围气体提供的阻尼,N·s/m;K———弹簧刚度,N/m;1JJF2084—2023x———敏感质量质心的相对位移,m;a———输入加速度,m/s2;C———常值,N。对公式(1)进行拉普拉斯变换可得线加速度计的传递函数为:H(s)=1s2+2ξωn+ω2n(2)式中:s———拉普拉斯变换的复变量;ωn———固有频率ωn=KM,Hz;ξ———阻尼比ξ=D2Mωn。5计量特性线加速度计的计量特性包括偏值、偏值一致性、标度因数、失准角、阈值、分辨力、0g/1g稳定性、偏值短期稳定性、标度因数短期稳定性、偏值短期重复性、标度因数短期重复性、偏值温度灵敏度、标度因数温度灵敏度、偏值磁灵敏度和标度因数磁灵敏度、偏值气压灵敏度和标度因数气压灵敏度以及噪声等。用于线加速度计的主要校准设备包括精密分度装置(如精密分度头、端齿盘等)、相应的数据采集和处理系统,以及校准灵敏度配套的温控试验箱、气压试验箱、标准磁场发生装置。对于采用摆式工作原理的线加速度计,通常用输入基准轴(IRA)、输出基准轴(ORA)、摆基准轴(PRA)来表示加速度计的3个正交方向,相应的安装状态分为摆态和门态两种。对于非摆式工作原理的线加速度计,如果不能区分门态和摆态,则按照与输入基准轴(IRA)正交的两个方向进行安装和测试。但本规范中统一按照门态和摆态进行描述。图1和图2分别为两种状态的位置和意义。图1摆态安装校准位置定义2JJF2084—2023图2门态安装校准位置定义5.1静态测量模型重力场法校准线加速度计时,线加速度计的静态模型为:EK1=K0+ai+K2a2i+δoap-δpao(3)式中:E———加速度计输出,加速度计输出单位,如mA、mV、V、Hz等;K0———偏值,m/s2或g(g为实验室所在地重力加速度,一般情况下g=9.80665m/s2,下同);K1———标度因数,加速度计输出单位/g;ai———沿加速度计输入基准轴IRA的加速度,g;ap———沿加速度计输出基准轴ORA的加速度,g;ao———沿加速度计摆基准轴PRA的加速度,g;K2———二阶非线性系数,g/g2;δo———输入轴IA相对于输入基准轴IRA绕输出基准轴ORA的安装误差,rad;δp———输入轴IA相对于输入基准轴IRA绕摆基准轴PRA的安装误差,rad。精密分度头等精密分度装置可为加速度计提供±1g范围内的输入,用于校准线加速度计的偏值、偏值一致性、标度因数、失准角、阈值、分辨力、0g/1g稳定性、偏值短期稳定性、标度因数短期稳定性、偏值短期重复性、标度因数短期重复性等参数。5.2模型方程系数的灵敏度精密分度装置配套使用温控试验箱、气压试验箱、标准磁场发生装置等,则可校准线加速度计的偏值温度灵敏度和标度因数温度灵敏度、偏值气压灵敏度和标度因数气压灵敏度、偏值磁灵敏度和标度因数磁灵敏度等。5.3噪声背景噪声的大小决定了加速度计噪声测量结果的“最小值”。背景噪声如果以白噪声为主,采用两只传递函数一致的加速度计,即利用“双表法”,可以使测量结果更加逼近加速度计噪声的设计值(电噪声值)。根据加速度计IRA指向不同,可以分为0g噪声和1g噪声。如果背景噪声远小于加速度计理论噪声,则可以测0g噪声或1g噪声;如果背景噪声与加速度计理论噪声接近,则建议测1g噪声。3JJF2084—20236校准条件6.1校准环境条件温度:(20±3)℃。相对湿度:20%~85%。周围无强电磁场,无腐蚀性气体或液体,无强振源。6.2测量标准及设备校准用标准装置及配套设备如表1所示。表1校准用标准装置及推荐技术指标序号校准用标准装置及配套设备技术指标用途1重力场法线加速度计检定(校准)装置精密分度装置定位误差:±2″;分辨力:1″电压表(频率计)7位半水平仪示值误差:±0.2偏值;偏值一致性;标度因数;失准角;阈值;分辨力;0g/1g稳定性;偏值短期稳定性;标度因数短期稳定性;偏值短期重复性;标度因数短期重复性2温控试验箱偏差:±2℃;波动度:±1℃;均匀度:2℃偏值温度灵敏度;标度因数温度灵敏度3气压试验箱气压偏差:±300Pa;分辨力:100Pa偏值气压灵敏度;标度因数气压灵敏度4标准直流磁场发生装置(一般包含亥姆霍兹线圈一对、电源一台、数字高斯计一台)中心磁场强度:20mT;磁场均匀度:0.5%,均匀区域:10cm×10cm偏值磁灵敏度;标度因数磁灵敏度5动态信号分析仪或者相位噪声及艾伦方差测试仪测量精度:±1.0dB;偏移频率范围:1×10-4mHz至1MHz;艾伦方差:优于3×10-15(0.5Hz,BW)噪声4JJF2084—20237校准项目和校准方法7.1校准项目校准项目见表2。表2校准项目一览表序号项目名称校准方法1偏值7.2.1.17.2.1.27.2.1.32偏值一致性7.2.1.23标度因数7.2.1.17.2.1.27.2.1.34失准角7.2.1.17.2.1.25阈值7.2.1.46分辨力7.2.1.570g/1g稳定性7.2.1.68短期稳定性偏值短期稳定性7.2.1.7标度因数短期稳定性7.2.1.79短期重复性偏值短期重复性7.2.1.8标度因数短期重复性7.2.1.810温度灵敏度偏值温度灵敏度7.2.2标度因数温度灵敏度7.2.211磁灵敏度偏值磁灵敏度7.2.3标度因数磁灵敏度7.2.312气压灵敏度偏值气压灵敏度7.2.4标度因数气压灵敏度7.2.413噪声0g噪声7.2.51g噪声7.2.57.2校准方法7.2.1模型方程系数校准7.2.1.1多点法多点法用于在重力场内进行多点翻滚校准以分离线加速度计模型方程的各项系数,包括偏值、标度因数和失准角等。按照摆态和门态分别进行校准,如果摆态测试和门态5JJF2084—2023测试的数据一致性好,或根据实际使用安装状态,则可以简化为其中一种安装状态的校准。a)摆态安装1)分度头转轴处于水平位置,并将分度头转到0°位置,加速度计安装到分度头上,输入基准轴(IRA)位于水平方向,摆基准轴(PRA)的正向垂直向上,输出基准轴(ORA)与分度头转轴平行。2)加速度计上电预热,输出稳定后记录加速度计的输出(输出稳定时间参照具体技术条件,数据量不少于5个,取算术平均值作为测试数据参与计算,下同)。3)选择测试点数n。按角度增量θn=360/n转动分度头,各转角依次为0°、θn、2θn、…、kθn、…、(n-1)θn,在每一角位置上记录加速度计的输出值Ek+,k=0、1、2、…、n-2。4)将分度头旋转到360°,然后再反向旋转分度头,按角度θn依次递减到0°,依次记录每一角位置上加速度计的输出值Ek-。5)分别计算分度头正转