加速度传感器动态校准系统不确定度评估方法的研究

张 娜，沈小林, 刘新生

(1.中北大学 计算机与控制工程学院，太原 030051；2.中北大学 控制科学与工程实验室，太原 030051;3.北方激光科技集团有限公司,江苏 扬州 225000)

加速度传感器动态校准系统不确定度评估方法的研究

张 娜，沈小林, 刘新生

(1.中北大学 计算机与控制工程学院，太原 030051；2.中北大学 控制科学与工程实验室，太原 030051;3.北方激光科技集团有限公司,江苏 扬州 225000)

针对加速度传感器动态校准获取其工作频带的过程中，因校准系统存在测试不确定度导致传感器校准不准确的问题，设计了某型号加速度传感器的动态校准试验，以试验数据为依据提出了系统不确定度评估方法;通过对冲击试验台为冲击激励源构成的动态校准系统测试过程中几个主要误差源的分析，结合文中提出的系统不确定度评估方法计算出校准系统的测试标准不确定为1.77%，扩展不确定度为3.54%;对比测量仪器特性评定相关指标可知该校准系统符合工程校准需要，而该评估方法的提出对校准系统的不确定度评估有一定的现实指导意义。

冲击试验台;动态校准;测量不确定度;冲击试验法

0 引言

自动式冲击台测试系统是用于测量和确定产品或包装壳抗冲击特性参数，考核试品在冲击环境下功能可靠性和结构完好性的主要实验设备。该测试系统能自动精确的执行各种常规冲击试验，以模拟产品在实际环境中可能遭受的碰撞和冲击[1-3]，通过测试数据分析产品的抗冲击特性，为改进系统性能、优化产品结构提供了有效的测试手段。基于此，可将其应用于非精准高g值加速度传感器的动态校准。

校准系统采用苏州苏试试验仪器股份有限公司产的型号为CL-100的全自动气压提升冲击台作为冲击信号激励源，由型号为KCL-200的冲击测量控制仪完成对激励源的操控，同时校准系统还包括一下标准测量仪器：标准加速度传感器、电荷放大器、电压放大器和32通道逻辑分析仪。传感器动态校准的精确度受校准系统不确度影响，因而分析校准系统的不确定度对提高传感器的校准精度是大有裨益的[4]。

1 不确定度评估理论与校准系统的使用

校准实验中选用高g值加速度传感器63#(自主生产)作为动态校准对象，用丹麦B&K公司生产的8309传感器作为标准传感器。将两个传感器肩并肩的安装在冲击台台面上，用螺钉固定安装好。8309、63#传感器输出信号都为电荷量，需经电荷放大器将电荷信号转换成电压信号；通过屏蔽电缆线将两路转换后的电压信号接入32通道的逻辑分析仪，由其完成信号的采集、显示和数据存储。实验前在冲击主台体下放5张厚度为1 cm的毡垫将冲击信号波形调整为半正弦波，冲击放大器上放两张牛皮纸以调节冲击波形脉宽保持在30 μs。

在检查校准系统连接无误后接通系统电源，利用冲击测量控制仪预设实验参数和上升高度，当落锤和台面达到预设高度后按下冲击按钮，使落锤冲击到波形台面上产生冲击波形。改变落锤与台面的高度差，能得到不同的冲击脉冲加速度值；改变波形发生器输出信号的类型，可以改变输出信号的波形；改变波形发生器的信号参数，就能改变冲击脉冲的脉宽，简化装置如图1所示。

图1 冲击台简化装置

2 不确定度分析与评定

2.1 重复测量引入的不确定度

1)63#传感器不确定度的估算:

根据上述校准系统的使用方法，设定冲击试验台落锤下落高度，并由32通道逻辑分析仪记录每次实验产生的加速度波形数据[5]。在63#传感器的量程内取选取三段不同的行程区间分别进行6次校准实验，对不同测试数据采用相同的数据处理方法求其工作频带fik。图2分别为某一次实验，传感器8309和63#的输出信号及对应的频谱特性图。

图2 输出信号及对应的频谱特性图

在63#传感器的频谱特性曲线上，以幅值误差±5%和±10%为基准分别读取传感器的工作频带，然后求出每个行程段内传感器工作频带的平均值，最后求出整体工作频带的平均值，即可作为63#传感器的有效工作频带[6]。实验结果如表1所示。

表1 多次校准所得的工作频带

根据公式：

(1)

其中:i=1,2，f1和f2分别是幅值误差为±5%和±10%时的工作频带。由表1中数据可得63#传感器的工作频带的平均值为：

根据公式：

(2)

可得单次校准的不确定度分别为：

s(f1k)=1.158,s(f2k)=1.042，自由度γ=17。

根据公式：

(3)

得到传感器工作频带的标准不确定度为：

根据公式：

(4)

得传感器工作频带的相对不确定度为：

Us1=S(f1)=0.4%，Us2=S(f2)=0.35%

将上述计算的传感器幅值误差为5%和 10%时的工作频带的不确定度结果记录在表2中，以此作为传感器的不确定度判别依据。

表2 传感器的动态不确定度估算结果

2)标准传感器8309的不确定度估算:

通过查询标准传感器性能指标书可知8309传感器的灵敏度测量不确定度为2%，取k=3，则其标准不确定度为：

2.2 电荷放大器引入的不确定度

2.3 电压放大器引入的不确定度

2.4 高冲击台引入的不确定度

高冲击台具有不可避免的横向运动，且该运动是不可消除的，同时横向运动对测量结果的准确性也会有一定的影响。因为高冲击台的横向运动只在一个方向最大，且属于正态分布[8]，因而由其造成的不确定度可以根据横向运动公式计算可知：

横向运动=高冲击台最大允许横向比×标准加速度传感器8309误差=30%×2%=0.6%。

2.5 冲击测量控制仪引入的不确定度

按照冲击测量控制仪给出的不确定度±2.5%，取k=3，根据标准不确定度有：

2.6 32通道逻辑分析仪引入的不确定度

2.7 合成标准不确定度

根据以上计算结果，结合文章提出的不确定度评估方法，取传感器幅值误差为±5%时的不确定度作为传感器的不确定度，又因各计算量之间互不相关，则有高冲击台测量结果的标准不确定度为：

取k=2，则其扩展不确定度为：

U=ku=2×1.77%=3.54%

3 结论

文中对自动式高冲击台为冲击激励源，其他辅助标准测试

仪器组成的动态校准系统在传感器校准应用中的测试不确定度做了分析，并通过不确定度评估方法，计算得该校准系统的扩展不确定度为3.54%优于5%[10]，符合JJF1094-2001测量仪器特性评定的有关规定。系统不确定度分析以实验为基础结合不确定度评估方法完成对校准系统的测试不确定度参数评估研究，提出的XX系统不确定度评估方法可用于一般系统不确定度的评定，该研究在传感器的动态校准、系统误差分析方面具有一定的现实工程意义。

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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。

张 娜(1990-)，女，河北张家口人，研究生， 主要从事控制理论与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