低频标准振动台的可计量性设计研究

吕琦; 王俊博; 张颖; 刘志华; 夏岩; 蔡晨光

doi:10.12338/j.issn.2096-9015.2021.0675

低频标准振动台的可计量性设计研究

doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2021.0675

吕琦^1,,
王俊博²,
张颖³,
刘志华¹,
夏岩¹,
蔡晨光^1, ,

1.
中国计量科学研究院，北京 100029
2.
中国计量大学，杭州 310018
3.
北京航空航天大学，北京 100191

基金项目: 国家重点研发计划项目(2021YFF0600103)。

详细信息

作者简介:
吕琦（1992-），中国计量科学研究院助理工程师，研究方向：振动校准与计量、振动机电控制等，邮箱：lvqi@nim.ac.cn

通讯作者:
蔡晨光（1978-），中国计量科学研究院副研究员，研究方向：机械振动和冲击的测量标准和测试方法，邮箱：caichenguang@nim.ac.cn

计量
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出版历程
- 录用日期: 2022-04-08
- 网络出版日期: 2022-04-22

Design Study on the Measurability of Low-Frequency Standard Shaker

1.
National Institute of Metrology, Beijing 100029, China
2.
China Jiliang University, Hangzhou 310018, China
3.
Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100191, China

摘要

摘要: 低频标准振动台是低频振动标准装置的主要组成部分，其计量性能直接影响低频振动校准的测量不确定度，通过开展低频标准振动台的可计量性设计研究，可以提升低频标准振动台计量保障的能力。以低频标准振动台的功能分析为基础，分析定型试验、常规使用和定期计量三个低频标准振动台的典型计量场景，梳理提取横向振动比、加速度谐波失真度、频率示值误差三个关键计量参数，以其相关要求作为可计量性需求，进而开展可计量性设计和验证。针对低频振动传感器在低频校准时失真度较大的问题，提出基于光栅的计量方法，采用可计量性设计方法设计了光栅的计量接口，有效提高失真度计量的便利性和准确性，可为其他检定校准装置的可计量性设计提供借鉴。
- 低频标准振动台 /
- 失真度 /
- 光栅 /
- 可计量性设计 /
- 传感器校准
Abstract: The low-frequency standard shaker is the main component of the low-frequency vibration standard device, and its measurement performance directly affects the measurement uncertainty of low-frequency vibration calibration. By carrying out the design and research on the measurability of the low-frequency standard shaker, the ability of the metrology guarantee can be improved. Based on the functional analysis of low-frequency standard shakers, this paper analyzes three typical measurement scenarios of low-frequency standard shakers, including type test, conventional use, and periodic measurement, and composes and extracts three key measurement parameters and relevant requirements as the measurable requirements, including transverse vibration ratio, acceleration harmonic distortion, and frequency indication error, and then carries out the measurable design and verification. Given the large distortion of the low-frequency accelerometer in low-frequency calibration, a grating-based measurement method is proposed. The measurement interface and method of the grating are designed by using the measurable design method, which effectively improves the convenience and accuracy of distortion measurement. The measurability design method and the process can provide a reference for the measurability design of other verification and calibration devices.
- low-frequency standard shaker /
- distortion /
- grating /
- measurability design /
- sensor calibration.

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图 1 低频标准振动台可计量性设计流程

Figure 1. Measurablity design process of low-frequency standard shaker

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图 2 低频标准振动台实物图

Figure 2. Low-frequency standard shaker

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图 3 低频标准振动台可计量性需求分析流程

Figure 3. Measurability requirement analysis of low-frequency standard shaker

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图 4 低频标准振动台可计量性方案设计流程

Figure 4. Measurablity scheme design process of low-frequency standard shaker

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图 5 低频标准振动台可计量性方案验证流程

Figure 5. Verification for measurablity design of low-frequency standard shaker

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图 6 实验方案

Figure 6. Experimental scheme

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图 7 0.1Hz测量结果

Figure 7. 0.1Hz measuring result

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图 8 0.05Hz测量结果

Figure 8. 0.05 Hz measuring result

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表 1 低频标准振动台指标要求

Table 1. Specification of low-frequency standard shaker

参数	指标
工作频率范围	0.1~100 Hz
共振频率	80 Hz
额定推力	211 N
最大负载质量	大于10 kg
最大加速度幅值	(空载) 2.5 g
最大加速度幅值	(满载) 0.5 g
最大位移幅值	800 mm
最大横向振动比	5%
最大加速度失真度	5%
额定工作特性曲线	正弦
连续工作时间	≥24小时

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表 2 低频标准振动台计量需求确认表

Table 2. Measurability requirements confirmation form of low-frequency measurement

参数名称	参数量值范围		最大允许误差	测量条件	溯源要求	确认
参数名称	绝对法	比较法	最大允许误差	测量条件	溯源要求	确认
频率示值误差	±0.05%	±0.1%	±0.1%	实验室条件	原位、在线	√
信号噪声比	≥60dB	≥50dB	≥50dB	实验室条件	原位、在线	√
频率稳定性	≤0.05%	≤0.1%	≤0.1%	实验室条件	原位、在线	√
加速度谐波失真度	条纹计数法：≤2%最小点法：≤2% 正弦逼近法：≤5%	≤5%(f＞20 Hz) ≤10%(f≤20 Hz)	≤5%	实验室条件	原位、在线	√
横向振动比	≤10%	≤10%	≤5%	实验室条件	原位、在线	√
测量系统电压测量误差	±0.5%( f＜20 Hz)； ±0.2%( f≥20 Hz)		≤0.5%	实验室条件	离线、离位	√
测量系统电压比测量误差	±0.5%( f＜20 Hz)； ±0.2%( f≥20 Hz)		≤0.2%	实验室条件	离线、离位	√
测量系统相位差测量误差	±0.5°( f＜20 Hz)； ±0.2°3( f≥20 Hz)		≤±0.2°	实验室条件	离线、离位	√
加速度幅值控制误差	±5%(0.1 Hz≤ f≤20 Hz)； ±2%( f＞20 Hz)		≤0.3%	实验室条件	原位、在线	√
最大加速度幅值	≤0.1%	≤0.3%	不小于15m/s²	实验室条件	原位、在线	√

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表 3 低频标准振动台可计量性设计总表

Table 3. Measurablity design summary of low-frequency standard shaker

项目或参数名称	计量场景	计量方法	计量接口	溯源链	不确定度评定	检定设备	符合性设计
横向振动比	定型试验	内嵌三轴标准传感器	传感器BNC接口	见表4	参考JJG 298-2015 《标准振动台检定规程》	动态信号分析仪	符合
	常规使用
	定期计量
加速度谐波失真度	定型试验	内嵌三轴标准传感器+光栅	传感器BNC接口+网口	见表4	参考JJG 298-2015 《标准振动台检定规程》	动态信号分析仪	符合
	常规使用
	定期计量
频率示值误差	定型试验	内嵌三轴标准传感器	传感器BNC接口	见表4	参考JJG 298-2015 《标准振动台检定规程》	动态信号分析仪	符合
	常规使用
	定期计量

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表 4 低频标准振动台计量溯源方案

Table 4. Measurement traceability scheme of low-frequency standard shaker

计量场景	项目或参数名称	设备资源	文件资源	需求来源	人员资源
定型试验	横向振动比加速度谐波失真度频率示值误差	正弦信号发生器、标准加速度传感器	JJG 298-2015 《标准振动台检定规程》	研发人员	≥2
常规使用	横向振动比加速度谐波失真度频率示值误差	正弦信号发生器、标准加速度传感器	JJG 298-2015 《标准振动台检定规程》	使用人员	≥2
定期计量	横向振动比加速度谐波失真度频率示值误差	正弦信号发生器、标准加速度传感器	JJG 298-2015 《标准振动台检定规程》	计量人员	≥2

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