加速度傳感器動態校準系統不確定度評估方法的研究

張 娜，沈小林, 劉新生

(1.中北大學 計算機與控制工程學院，太原 030051；2.中北大學 控制科學與工程實驗室，太原 030051;3.北方激光科技集團有限公司,江蘇 揚州 225000)

加速度傳感器動態校準系統不確定度評估方法的研究

張 娜，沈小林, 劉新生

(1.中北大學 計算機與控制工程學院，太原 030051；2.中北大學 控制科學與工程實驗室，太原 030051;3.北方激光科技集團有限公司,江蘇 揚州 225000)

針對加速度傳感器動態校準獲取其工作頻帶的過程中，因校準系統存在測試不確定度導致傳感器校準不準確的問題，設計了某型號加速度傳感器的動態校準試驗，以試驗數據為依據提出了系統不確定度評估方法;通過對沖擊試驗臺為沖擊激勵源構成的動態校準系統測試過程中幾個主要誤差源的分析，結合文中提出的系統不確定度評估方法計算出校準系統的測試標準不確定為1.77%，擴展不確定度為3.54%;對比測量儀器特性評定相關指標可知該校準系統符合工程校準需要，而該評估方法的提出對校準系統的不確定度評估有一定的現實指導意義。

沖擊試驗臺;動態校準;測量不確定度;沖擊試驗法

0 引言

自動式沖擊臺測試系統是用于測量和確定產品或包裝殼抗沖擊特性參數，考核試品在沖擊環境下功能可靠性和結構完好性的主要實驗設備。該測試系統能自動精確的執行各種常規沖擊試驗，以模擬產品在實際環境中可能遭受的碰撞和沖擊[1-3]，通過測試數據分析產品的抗沖擊特性，為改進系統性能、優化產品結構提供了有效的測試手段。基于此，可將其應用于非精準高g值加速度傳感器的動態校準。

校準系統采用蘇州蘇試試驗儀器股份有限公司產的型號為CL-100的全自動氣壓提升沖擊臺作為沖擊信號激勵源，由型號為KCL-200的沖擊測量控制儀完成對激勵源的操控，同時校準系統還包括一下標準測量儀器：標準加速度傳感器、電荷放大器、電壓放大器和32通道邏輯分析儀。傳感器動態校準的精確度受校準系統不確度影響，因而分析校準系統的不確定度對提高傳感器的校準精度是大有裨益的[4]。

1 不確定度評估理論與校準系統的使用

校準實驗中選用高g值加速度傳感器63#(自主生產)作為動態校準對象，用丹麥B&K公司生產的8309傳感器作為標準傳感器。將兩個傳感器肩并肩的安裝在沖擊臺臺面上，用螺釘固定安裝好。8309、63#傳感器輸出信號都為電荷量，需經電荷放大器將電荷信號轉換成電壓信號；通過屏蔽電纜線將兩路轉換后的電壓信號接入32通道的邏輯分析儀，由其完成信號的采集、顯示和數據存儲。實驗前在沖擊主臺體下放5張厚度為1 cm的氈墊將沖擊信號波形調整為半正弦波，沖擊放大器上放兩張牛皮紙以調節沖擊波形脈寬保持在30 μs。

在檢查校準系統連接無誤后接通系統電源，利用沖擊測量控制儀預設實驗參數和上升高度，當落錘和臺面達到預設高度后按下沖擊按鈕，使落錘沖擊到波形臺面上產生沖擊波形。改變落錘與臺面的高度差，能得到不同的沖擊脈沖加速度值；改變波形發生器輸出信號的類型，可以改變輸出信號的波形；改變波形發生器的信號參數，就能改變沖擊脈沖的脈寬，簡化裝置如圖1所示。

圖1 沖擊臺簡化裝置

2 不確定度分析與評定

2.1 重復測量引入的不確定度

1)63#傳感器不確定度的估算:

根據上述校準系統的使用方法，設定沖擊試驗臺落錘下落高度，并由32通道邏輯分析儀記錄每次實驗產生的加速度波形數據[5]。在63#傳感器的量程內取選取三段不同的行程區間分別進行6次校準實驗，對不同測試數據采用相同的數據處理方法求其工作頻帶fik。圖2分別為某一次實驗，傳感器8309和63#的輸出信號及對應的頻譜特性圖。

圖2 輸出信號及對應的頻譜特性圖

在63#傳感器的頻譜特性曲線上，以幅值誤差±5%和±10%為基準分別讀取傳感器的工作頻帶，然后求出每個行程段內傳感器工作頻帶的平均值，最后求出整體工作頻帶的平均值，即可作為63#傳感器的有效工作頻帶[6]。實驗結果如表1所示。

表1 多次校準所得的工作頻帶

根據公式：

(1)

其中:i=1,2，f1和f2分別是幅值誤差為±5%和±10%時的工作頻帶。由表1中數據可得63#傳感器的工作頻帶的平均值為：

根據公式：

(2)

可得單次校準的不確定度分別為：

s(f1k)=1.158,s(f2k)=1.042，自由度γ=17。

根據公式：

(3)

得到傳感器工作頻帶的標準不確定度為：

根據公式：

(4)

得傳感器工作頻帶的相對不確定度為：

Us1=S(f1)=0.4%，Us2=S(f2)=0.35%

將上述計算的傳感器幅值誤差為5%和 10%時的工作頻帶的不確定度結果記錄在表2中，以此作為傳感器的不確定度判別依據。

表2 傳感器的動態不確定度估算結果

2)標準傳感器8309的不確定度估算:

通過查詢標準傳感器性能指標書可知8309傳感器的靈敏度測量不確定度為2%，取k=3，則其標準不確定度為：

2.2 電荷放大器引入的不確定度

2.3 電壓放大器引入的不確定度

2.4 高沖擊臺引入的不確定度

高沖擊臺具有不可避免的橫向運動，且該運動是不可消除的，同時橫向運動對測量結果的準確性也會有一定的影響。因為高沖擊臺的橫向運動只在一個方向最大，且屬于正態分布[8]，因而由其造成的不確定度可以根據橫向運動公式計算可知：

橫向運動=高沖擊臺最大允許橫向比×標準加速度傳感器8309誤差=30%×2%=0.6%。

2.5 沖擊測量控制儀引入的不確定度

按照沖擊測量控制儀給出的不確定度±2.5%，取k=3，根據標準不確定度有：

2.6 32通道邏輯分析儀引入的不確定度

2.7 合成標準不確定度

根據以上計算結果，結合文章提出的不確定度評估方法，取傳感器幅值誤差為±5%時的不確定度作為傳感器的不確定度，又因各計算量之間互不相關，則有高沖擊臺測量結果的標準不確定度為：

取k=2，則其擴展不確定度為：

U=ku=2×1.77%=3.54%

3 結論

文中對自動式高沖擊臺為沖擊激勵源，其他輔助標準測試

儀器組成的動態校準系統在傳感器校準應用中的測試不確定度做了分析，并通過不確定度評估方法，計算得該校準系統的擴展不確定度為3.54%優于5%[10]，符合JJF1094-2001測量儀器特性評定的有關規定。系統不確定度分析以實驗為基礎結合不確定度評估方法完成對校準系統的測試不確定度參數評估研究，提出的XX系統不確定度評估方法可用于一般系統不確定度的評定，該研究在傳感器的動態校準、系統誤差分析方面具有一定的現實工程意義。

[1]袁俊先,蔡 菁. 基于正弦壓力校準裝置的壓力傳感器不確定度評定[J]. 計測技術,2013(S1):190-192.

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[3] 邢東華. 動態汽車衡示值誤差測量結果的不確定度評定[J]. 質量技術監督研究,2015(2):2-5.

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[9] 黃俊欽. 動態不確定度的估算方法和應用實例[J]. 計量學報,2005(4):372-375.

[10] 趙志剛. 動態測量不確定度理論的拓展及其應用研究[D].北京：清華大學,2009.

Research on Uncertainty Evaluation Method of Dynamic Calibration System for Acceleration Sensor

Zhang Na，Shen Xiaolin，Liu Xinsheng

(1.College of Computer and Control Engineering, North Central University, Taiyuan 030051,China;2.Laboratory of Control Science and Engineering, North Central University,Taiyuan 030051,China;3.North Laser Technology Group Co., Ltd., Yangzhou 225000,China)

For acceleration sensor dynamic calibration to obtain the operating frequency band, for the above process, due to the calibration of the system existence test uncertainty leads to the problem of inaccurate sensor calibration design dynamic calibration test of a certain type of acceleration sensor, using experimental data as the basis the system uncertainty evaluation method. Through the analysis of several major error sources of shock testing machine for impact excitation source dynamic calibration system of testing process, combined with the system proposed in this paper, uncertainty degree evaluation method of calculated system calibration test standard uncertainty is 1.77%, and the expanded uncertainty of 3.54%. It is known that the calibration system can meet the requirements of Engineering calibration, and the evaluation method is of practical significance to the evaluation of the uncertainty of the calibration system.

impact test bench; dynamic calibration;measurement uncertainty; impact test

2016-06-29；

2016-08-20。

張 娜(1990-)，女，河北張家口人，研究生， 主要從事控制理論與控制工程方向的研究。

1671-4598(2017)02-0222-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.02.060

TP216

A