1、ICS 17. 160 J 04 喧嚣国家标准国不H11: /、民中华人GB/T 20485. 15-201 O/ISO 16063-15: 2006 振动与冲击传感器校准方法第15部分:激光干涉法角振动绝对校准Methods for the calibration of vibration and shock transducers一Part 15: Primary angular vibration calibration by laser interferometry (ISO 16063-15:2006 ,IDT) 2010-12-23发布2011-06-01实施量生间助他中华人民共和
2、国国家质量监督检验检茂总局中国国家标准化管理委员会发布G/T 20485.15-201 O/ISO 16063-15: 2006 目次前言.1 l 范围-2 规范性引用文件.3 测量不确定度.2 4 仪器设备要求.25 环境条件.76 优选的角加速度及频率值77 六种测量方法的通用步骤88 条纹计数法(方法1A和方法1B)89 最小点法(方法2A和方法2B) 11 10 正弦逼近法(方法3A和方法3四1511 校准结果报告20附录A(规范性附录)振动和冲击传感器激光干涉法角振动绝对校准的不确定度分量22附录B(规范性附录)角位移，角速度。，角加速度和角振动传感器的灵敏度(包括角位移传感器乌、角
3、速度传感器50和角加速度传感器5.)的计算公式27参考文献.GB/T 20485. 15-20 1 O/ISO 16063-15:2006 目。吕GB/T 20485(振动与冲击传感器校准方法主要由以下几大类组成:一一第1类z基本概念;一第2类:绝对法校准(如:激光干涉法振动绝对校准、激光干涉法冲击绝对校准等); 第3类:比较法校准(如:振动比较法校准、冲击比较法校准等); 第4类z环境模拟校准(如:磁灵敏度、声灵敏度、基座应变灵敏度、横向振动灵敏度等)。本部分是GB/T20485第2类中的一个部分。本部分等同采用IS016063-15 :2006(振动与冲击传感器校准方法第15部分:激光干涉
4、法角振动绝对校准(英文版)。本部分等同翻译IS016063-15:2006 0 为使用方便，本部分作了如下编辑性修改:用本部分代替本国际标准;删除国际标准的前言;用小数点叫t替作为小数点的逗号，;一一一第11章IS0原文有a)、b)、c)三项，其中b)项在本部分中拆分为b)安装方法和c)放大器的所有设置，相应地IS0中原来的。项变为本部分的d)项;一一-对IS016063-15:2006中引用的其他国际标准，用等同采用的我国标准代替对应的国际标准。本部分的附录A、附录B为规范性附录。本部分由全国机械振动、冲击与状态监测标准化技术委员会(SAC/TC53)提出并归口。本部分起草单位:中国航空工业
5、集团公司北京长城计量测试技术研究所、广州市计量检测技术研究院。本部分主要起草人:薛景锋、李新良、张大治、周伦彬。I GB/T 20485. 15-2010/ISO 16063-15:2006 振动与冲击传感器校准方法第15部分:激光干涉法角振动绝对校准1 范围GB/T 20485的本部分规定了绝对法校准角振动传感器如角位移传感器、角速度传感器、角加速度传感器(带放大器或不带放大器)的仪器设备和操作程序，以及采用稳态正弦振动和激光干涉测量法获得角振动传感器复灵敏度的幅值和相移的方法。本部分给出的方法适用于GB/T2298中定义的角位移、角速度和角加速度参量的测量仪器(特别是激光角振动测量仪)和角
6、振动传感器的校准。本部分适用的频率范围为1Hz 1.6 kHz，动态范围(幅值)为o.1 rad/ S2 1 000 rad/ S2 (依频率而定)。本部分第3章规定的测量不确定度覆盖了上述范围。若校准频率低于1Hz(如z其他国际标准中的参考频率为0.4Hz)和角加速度幅值小于O.1 rad/豆，可选用一个合适的低频角振动激励器，并采用本部分规定的方法3A或方法3B。方法1A(见第8章条纹计数法的A型干涉仪)和方法1B(见第8章条纹计数法的B型干涉仪)适用于频率范围为1Hz800 Hz的复灵敏度幅值校准。特殊条件下，可用于较高频率段。方法2A(见第9章最小点法的A型干涉仪)和方法2B(见第9章
7、最小点法的B型干涉仪)适用于频率范围为800Hz 1. 6 kHz的灵敏度幅值校准。方法3A(见第10章正弦逼近法的A型干涉仪)和方法3B(见第10章正弦逼近法的B型干涉仪)适用于频率范围为1Hz1. 6 kHz的灵敏度幅值和相移的校准。方法1A、方法1B及方法3A、方法3B规定在不同频率点、固定的角加速度幅值下进行校准。方法2A、方法2B则要求在固定的角位移幅值进行校准(其角速度、角加速度幅值随频率变化)。注1:与GB/T20485. 11-2006类似，方法名称中的数字1-3对应激光干涉仪输出信号不同的处理方法:数字1代表条纹计数法，数字2代表最小点法，数字3代表正弦逼近法。每一种信号处理
8、程序可以和本部分详细描述的A型和B型干涉仪一起使用。A型干涉仪是采用迈克尔逊(Michelson)或者马赫-泽德(Mach-Zehnder)干涉原理，后向反射器安装于角振动激励器半径R的位置处。这一类型的干涉仪可测量的转角最大为300B型干涉仪采用测量圆环侧向表面环状衍射光栅的迈克尔逊或马赫-泽德的干涉仪。如果衍射光栅沿圆周(即3600)粘贴，这种激光干涉仪不受转角的限制，通常是最大角振动受角振动激励器的限制。注2.虽然本部分规定的校准方法是用于角度量值的传感器(GB/T2298有定义)，但也可将角运动量值的测量仪器作为校准对象，为了简化描述，它的特性也按传感器给出。激光角振动测量仪的具体详细
9、指标在4.11中给出，见图1102 规范性引用文件下列文件中的条款通过GB/T20485的本部分的引用而成为本部分的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本部分，然而，鼓励根据本部分达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本部分。GB/T 22982010 机械振动、冲击与状态监测词汇(ISO2041: 2009 , IDT) GB/T 32401982 声学测量中的常用频率(neqIS0 266: 1975) GB/T 20485. 1-2008振动与冲击传感器校准方法第1部分:基本概念(lSO16
10、063-1: 1998 , IDT) 1 G/T 20485. 15-20 1 O/ISO 16063-15 :2006 3 测量不确定度应用本部分达到的测量不确定度为:a) 灵敏度幅值参考条件下，测量值的不确定度为0.5%;非参考条件下，测量值的不确定度不超过1%。b) 灵敏度相移参考条件下，测量值的不确定度为O.50; 非参考条件下，测量值的不确定度不超过10。推荐的参考条件为:一一频率:160 Hz、80Hz, 40 Hz、16Hz, 8 Hz(或角频率为10001ad/s、500rad/s、250rad/ s、100 rad/ s、50rad/s); 一一加速度(角加速度幅值或有效值)
11、:100 rad/s2、50rad/s2、20rad/s、10rad/ S2、5rad/s2、2 rad/s2、1rad/s2。放大器设置的选择应考虑噪声、失真及截止频率的影响，使其达到最佳性能。根据GB/T20485. 1-2008，测量不确定度表示为测量的扩展不确定度(简称不确定度)，包含因子走=2。4 仪器设备要求4. 1 总则为了满足第1章中的测量范围及达到第3章中的不确定度要求，本章给出了所需仪器设备的推荐技术指标。允许有的系统只用于上述测量范围的一部分。通常使用不同的系统(例如激振器)覆盖全部频率及动态范围。注:本条款所述仪器设备，包含了本部分描述的六种校准方法所涉及到的全部仪器及
12、设备。在特定方法中使用的仪器设备已做了单独注明(见图2囹8和图10)。4.2 频率发生器和指示器应满足下列特性要求:a) 频率不确定度:不超过读数的0.05%;的频率稳定度:测量期间不超过读数的士0.05%; c) 幅值稳定度:测量期间不超过读数的士0.05%。4.3 功率放大器和角振动激励器组合4.3. 1 总则功率放大器和角振动激励器的组合应满足下列特性要求:a) 总谐波失真:不超过2%;注1:该指标与被校传感器的输入量有关。注2:如果采用方法3A或方法3B，允许有较大的谐波失真度。b) 横向和摇摆角加速度:应当足够小，以避免对校准结果产生过大的影响。对于A型干涉仪，最小角位移时横向运动应
13、小于所要求切向运动的1%。对于B型干涉仪，运动部件(测量台面)以高精度旋转空气轴承支撑的角振动激励器，允许的最大侧向运动(包括偏心运动)为2ffiod 交流声及噪声:比满输出至少低70dBo d) 角加速度幅值稳定度:测量期间不超过读数的士0.05%。4.3.2 电动角振动激励器电动振动激振器采用的基本原理:当带电载体切割磁场时，洛仑兹力对其产生作用。2 GB/T 20485. 15-2010/ISO 16063-15:2006 与一般电动振动激振器产生直线振动相似，置于磁场中的磁空气间隙的线圈，洛仑兹力激发动态扭矩激励装有被校角振动传感器的测量台面实现角振动。在工作频率范围内(1Hz 1.
14、6 kHz)，角加速度的幅值与通过线圈的电流成比例。图1所示是角振动激振器的实例，其最大转动幅值是300(即两倍振幅为1rad)。参考文献14J给出了角加速度激励器的另外一个示例(幅值600，即振幅为1rad)。1一一角加速度计;2一一衍射光栅;3 空气轴承;4-一外壳;5一一线圈;6 磁体。-一-一一一-16 1-图1角振动激励器示例(功能示意图)4.3.3 基于无电刷电动机的角振动激励器5 6 5 采用商用电动机设计和制造的特殊角振动激励器，用于角振动传感器的校准。对于惯性导航传感器的测试，所谓的速率台已使用多年，通常装配有电子整流及伺服控制的无刷三相空心轴电机，特别是适合角速度即角速率的
15、运行模式。一般情况下产生不变的角速度，并能获得失真小的正弦角振动。随着控制技术的进步，使得该类激励器可以产生角加速度。但要求采用和平面线圈型的激励器(见3 GB/T 20485. 15-2010/ISO 16063-15:2006 4.3.2)方式相同的空气轴承。由于微分会加大失真，角加速度计的校准可能需要对传感器输出信号进行频率选择性的测量，以保证方法3A和方法3B(即正弦逼近法)的使用。4.4 角振动激励器和激光干涉仪的隔振块为了避免大地脉动引起的相对运动或角振动激励器支撑结构的反作用力对校准结果产生过大的影响，角振动激励器及干涉仪应安装在起隔振作用的同一个大质量块或两个不同的大质量块上。
16、如果用一个普通隔振块，其惯性矩应至少是运动质量惯性矩的2000倍。由此在角振动传感器与干涉仪之间引起的相对角振动小于0.05%。如果隔振块的惯性矩较小，应考虑由角振动激励器引起的隔振块的运动。为减小大地扰动的影响，用在频率范围为1Hzl. 6 kHz的隔振块应由专门设计的阻尼弹簧悬挂支承，以使干扰影响带来的不确定度分量降至0.1%以内。4.5 激光器应该使用红光氮氛激光器或有其他已知波长的单频激光器。在实验室条件(即:大气压100kPa , 温度23OC，相对湿度50%)下，红光氮氛激光器的波长是O.632 81m。如果激光器具有手动或自动气压补偿功能，应将其设置为零或关闭。4.6 干涉仪4.
17、6. 1 总则干涉仪可以用来做如下变换:将角位移(t)转换为与干涉仪输出信号成比例的相位移如(t); 一一一将角速度。转换为与干涉仪输出信号成比例的频移!D(t) (多普勒频率。两种转换都可用零差或外差干涉仪及一个通道或两个通道的装置(见图3图8及图10)实现。本部分详细说明(t)到如(t)的转换作为标准步骤，而.Q(t)J1J!n(t)的转换作为一种可选方案，具体描述见相关文献。A型和B型干涉仪的基本共同点在于测量光束检测平移位移的运动分量，这样，可使用测量线性振动的干涉仪装置。为了使用传统的干涉仪，将被测旋转运动量转化为典型的平移运动分量，具体做法是:A型干涉仪利用后向反射器作为反光镜，B
18、理干涉仪将衍射光栅置于旋转测量台上。在后一种情况中，光学反射的衍射光栅置于气浮旋转台侧表面，以满足最大偏心率2m的要求。对于方法1A和方法1BC见图3和图4)及方法2A和方法2B(见图5和图的，采用单个光电接收器的普通迈克尔逊干涉仪。其由单束测量光或两束测量光实现。对于方法3A和方法3B(见图7和图的则采用改进的迈克尔逊干涉仪，它具有正交信号输出，并带有两个光电接收器检测干涉信号光束。改进的迈克尔逊干涉仪的结构见图901/4披片将入射的线偏振光分成偏振方向相互垂直、相位差为900的两个测量光束。在与线偏振参考光束发生干涉后，两个正交偏振光束由适当的光学器件分开例如:沃尔斯顿(Wollaston
19、)棱镜或偏振分光镜，并由两个光电二极管探测。改进的迈克尔逊干涉仪的两路输出幅值的偏移量应不超过土5%，相对幅值偏差应不超过土5%，与900名义角度的偏差应不超过:!:50。为确保这些允差，要采用适当的方法调整两路干涉信号的偏移量、幅值大小及角度偏差。当振动转角较大时，很难保证改进的迈克尔逊干涉仪两路输出信号的幅值偏差不超过上述允差。为使其符合第3章中的测量不确定度的要求，至少在振动转角小于2X1O-2rad时要保证上述允差。当角位移较大时，允许增大允差。示例z转角为2.5X 10rad(即:频率1Hz，角加速度幅值1rad/s)时，偏移量和帽值相对偏差的允许误差可增大到士10%，偏离90。名义
20、角度的允差可增大到士200(见10.2注1)。上述允差对未对干涉仪正交条纹信号进行修正的情况有效，如果采用Heydemann所述的方法(见4 GB/T 20485.15-201 O/ISO 16063-15: 2006 文献6J)进行修正，允许更大一些的允差。方法1A、方法1B、方法2A、方法2B、方法3A或方法3B中使用的(改进的)迈克尔逊干涉仪可用其他适当的干涉仪代替，如(改进的)马赫-泽德外差干涉仪。A型(见4.6.2)或B型干涉仪(见4.6.3)可以用一个光检测器检测干涉仪信号，其频率响应覆盖必需的带宽。所需最大带宽(频率!max)可由最大角速度幅值。max计算:式中zf QEE -m
21、ax t!.s R一一有效半径(见4.6.2中A型干涉仪和4.6.3中B型干涉仪的定义); t!.s一一干涉仪的位移量化间隔。. ( 1 ) 对于A型干涉仪，单光束装置中t!.s=/2，双光束装置中t!.s= / 4 , 是激光波长。对于B型干涉仪，单测量光束装置t!.s=g，双光束装置中t!.s=g/2 ，g是光栅常数。4.6.2 A型干涉仪(后向反射器干涉仪)方法1A和方法2A采用带有后向反射器的迈克尔逊干涉仪，该后向反射器作为测量反射镜使用，光检测器用来检测干涉信号，其频率响应覆盖所需带宽(见4.6.1)。为补偿干扰运动的影响，采用双光束装置(示例见图3和图日，两个后向反射器在距离转轴R
22、处对称安装(即移动1800)。激光器发出的激光束通过分光镜后分成两束，平行射向后向反射器。反射光彼此重合，相干的部分形成的光强变化由光电检测器转变为电信号(简单说来就是干涉信号)。注:双光束装置不仅可以进行干扰(如地面振动)补偿，还使灵敏度加倍(量化间隔用./4替代/2)。后向反射器(代替平面镜)补偿(在一定范围，见附录B)转动的倾斜影响。另外，干涉仪允许(在一定范围横向干扰运动而不影响测量不确定度。方法3A采用带后向反射器、测量反射镜、参考反射镜的正交干涉仪。如图7和图9所示的零差干涉仪，光源是稳定的单频激光器。激光束的直径由透镜组扩大，以减少光的发散。偏振激光束由分光镜分成参考光和测量光。
23、参考光被后向反射器(参考反射镜)平移反射。由于两次经过/8波片，光程差变为/4o同时，该反射光被分成两个偏振互相成直角的光(即圆偏振光)。测量光束被测量台面上的后向反射器平移反射，仍然保持线偏振状态。该线偏振测量光和圆偏振参考光重合。当通过与反射测量光偏振方向成450的沃尔斯顿棱镜，得到两束线偏振光，其偏振方向互相垂直。在空间中分离了两束光后，得到两个不同的干涉系统，彼此间有相移90。的关系。两个光电探测器将光强强弱转换为电信号，显示为反映测量反射镜位移的正弦和余弦波。4.6.3 B型干涉仪(衍射光栅干涉仪)干涉仪(如迈克尔逊干涉仪)用衍射光栅作为测量反射镜，光检测器检测干涉信号的频带，其频响
24、覆盖所需带宽(见4.6.1)。方法1B和方法2B采用带衍射光栅的改进型迈克尔逊干涉仪(见图2、图4和图的。用特殊衍射光栅干涉仪测量角加速度，角速度或角位移，该干涉仪基于高分辨率的光栅(例如以全息术制造的2400线/毫米或3000线/毫米正弦相位光栅，见参考文献12J、13J)。光学反射光栅置于角振动激励器的气浮测量台上，环绕于旋转轴(见图2)。由稳频的单频氮氛激光器发出的光分成两束平行光，以一级反射衍射角度(根据斜入射的光栅衍射公式)相对于旋转轴对称地射向光栅并以人射方向衍射返回。两束一级衍射光在光学装置中重合。当运动部分旋转时，光束产生一个数量相等、符号相反、与切线速度成比例的频率变化，因而
25、与角速度也成比例。干涉光光强强度随着转动角度的正弦变化而变化。方法3B采用带衍射光栅的零差正交干涉仪(见图的。在单束测量光装置中，正交衍射光栅干涉仪的光束被分为参考光和测量光。测量光以一级反射衍射角度射向旋转轴承上的光栅并以入射方向衍射返回。两束一级衍射光在光学装置中重合。干涉光光GB/T 20485. 15-2010/ISO 16063-15:2006 强强度随着转动角度的正弦变化而变化。对于高精度要求(校准的相对不确定度小于0.5%)，对每一个衍射光栅盘测量台，光栅干涉仪都要进行一次校准，以精确测定位移量化间隔/:;.5和转角量化间隔A(见第7章中的步骤)。2 1一一衍射光栅;2一一被校传
26、感器;3一一干涉仪;4一一角加速度激励器(a见图1);5一一激光器。3 一图2带衍射光栅干涉仪(零差法)的角加速度激励器4. 7 干涉仪信号处理设备4.7.1 总则一信号处理设备用作解调光电探测器输出的相位调制电流或电压，以提取所需的振动参数(如正弦角振动的幅值和初相位)。方法1A和方法1B(见4.7.2)、方法2A和方法2B(见4.7.3)以及方法3A和方法3B(见4.7.的中用到不同的处理技术。4.7.2 条纹计数法所用仪器(方法凶手日方法1B)应满足下列特性要求:a) 频率范围:1Hz到最大所需频率(典型值为20MHz); b) 不确定度:不超过读数的0.01%。可用具有相同不确定度的频
27、比计数器代替计数器。4.7.3 零点检测法所用仪器(方法2A和方法2B)应使用具有以下特性的可调带通滤波器或频谱分析仪:a) 频率范围:从不大于800Hz到不小于1.6 kHz; b) 带宽:小于中心频率的12%;c) 滤波器斜率:不小于24dB/Oct; d) 信噪比:相对于最大信号，大于70dB; e) 动态范围:大于60dB。用于零点检测的仪器(不用频谱分析仪)可用频率范围从800Hz到1.6 kHz，该范围应满足检测带通滤波器输出噪声的要求。4.7.4 正弦逼近法所用仪器(方法3A和方法3B)可采用带计算机接口的波形记录仪。该记录仪具有模数转换功能，并能存储干涉仪的两路正交输6 G/T
28、 20485. 15-2010/ISO 16063-15:2006 出信号及角振动传感器的输出信号。它的幅值分辨率应足够高、采样频率应足够高及存储容量应足够大，以在校准的幅值范围内，满足第3章中规定的不确定度。通常用于角振动传感器输出的幅值分辨率应不小于10位，用于干涉仪正交输出信号的分辨率应不小于8位。用一个两通道的波形记录仪记录干涉仪输出信号，另一个波形记录仪(具有更高的分辨率和更低的采样频率)记录角振动传感器输出信号。在任何情况下，干涉仪及角振动传感器输出信号的数据转换都应同时开始、同时结束，其不确定度应该使得校准的测量不确定度符合第3章的规定。当速度最大时，干涉仪输出信号的周期最短。在
29、最短周期内，应保证有足够的采样点数(符合10.3 的规定)。对于一个给定的角加速度幅值，当频率降低时，位移幅值会相应增加，这就要求记录仪具有更高的采样频率及更大的存储器。如不能达到上述要求，应减小角加速度幅值。在振动频率为10Hz、角加速度幅值为1000 rad/s2的条件下校准角加速度计时，如果采样频率不小于20kHz，则存储容量应不小于4M字节。应使用具有数据处理程序的计算机(针对方法3A和方法3酌，程序应按照10.4中描述的计算过程编制。4.8 测量传感器输出的真有效值电压表应满足下列特性要求:a) 频率范围:从不大于1Hz到不小于1.6 kHz; b) 不确定度:不超过读数的0.1%。
30、用有效值乘以因子.J2，得到计算公式中的信号幅值(单峰值)。对于方法1A和方法1B、方法2A和方法2B，应使用有效值电压表。对于方法3A和方法3B，则应按4.7.4使用一种特殊的电压测量仪器;也可以使用有效值电压表(可选)。4.9 失真度测量仪器失真度测量仪应能够测量远小于1%5%的总谐波失真，并且满足下列特性要求:a) 频率范围:从不大于1Hz到不小于1.6 kHz，能够测量到5次谐波;b) 不确定度:失真度范围在o.5%5%时，不超过读数的10%。4. 10 示波器(可选)可选用频率范围至少为1Hz到高频端最小为2MHz的示波器，以确定干涉仪的最佳特性，监测干涉仪信号及加速度计信号的波形。
31、4. 11 其他要求被校准的传感器应该是刚性结构。在计算测量不确定度时，应考虑基座应变灵敏度、横向灵敏度以及角加速度计和放大器组成套组(若作为一个整体校准)的稳定性(参见附录A)。所有影响测量结果的因素都应包含在不确定度计算中。如果运动参数被标准装置(见4.6和4.7)和待校激光干涉仪同时检测，那么方法1B、方法2B和方法3B还可用于激光角振动测量仪的校准。如果两个测量系统检测运动的时间不同，那么旋转振动幅值必须十分稳定，以符合第3章中测量不确定度的要求。图11中给出激光角振动测量仪的校准装置实例。5 环境条件校准应在以下环境条件下进行za) 室内温度:23.C士3.C; b) 相对湿度:最大
32、75%。应注意防止外部振动和噪声对测量结果的影响。6 优选的角加速度及频率值均匀覆盖角加速度计工作范围的角加速度(幅值或有效值)和频率应按以下系列值优先选用:7 GB/T 20485. 15-2010/ISO 16063-15:2006 a) 角加速度(方法1A和方法1B、方法3A和方法3B): o. 1 rad/s2、o.2 rad/s2、O.5 rad/s2、1rad/s2、2rad/s2、5rad/s2、10rad/s2、20rad/s2、50 rad/s2、100rad/ S2 , 200 rad/ S2、500rad/s2、1000 rad/ S2 (1 000 rad/ S2仅适用
33、于灵敏度幅值的测量); b) 频率:一在1Hzl. 6 kHz范围内，按GB/T3240-1982标准的1/3倍频程频率系列进行选取(或由=1 000 rad/s推算出的角频率系列)。7 六种测量方法的通用步骤方法1A、方法1B、方法2A、方法2B、方法3A和方法3B共同之处是干涉仪(类型A或B)检测的是距离角振动台圆形测量台面的旋转轴为R(等效半径)处的位移变化量。位移幅值;由干涉仪测得，转角幅值由式(2)得到:岳=主 ( 2 ) 式中，R是等效半径，其值可通过特殊干涉仪校准得到，该过程在校准传感器之前完成。在所有的情况下，对;的测量是与亚微米量级范围内已知精确值的比较得到的。对于A型干涉仪
34、，该值是既定的氮氛激光器的激光波长0.63281mo对于B型干涉仪，该精确值是光栅常数g(刻线宽度，例如，每毫米3000线的正弦相位衍射光栅的光栅常数是0.33333m)，g准确己知(可以由光栅生产厂家测得)。注:如果不准确知道光栅常数g，那么与干涉信号周期相一致的角度量化间隔A由一种特殊的衍射光栅干涉仪校准测定(见口3J)，然后用有位移量化间隔C:;s的表达式C:;s=RC:;(如图8所示的单光束B型干涉仪中的C:;s=g)来约去半径R，见式(2)，这时，该式不用于计算由式(2)得到的振动转角幅值岳适用于所有六种方法，可计算下列参数:a) 角位移传感器的灵敏度(幅值)乌由式(3)计算:S，=
35、土 b) 角速度传感器的灵敏度(幅值)Sn由式(4)和式(5)计算:. ( 3 ) AUTO - O S ( 4 ) 其中:。=2Xfc) 角加速度计的灵敏度(幅值)Sa由式(6)和式(7)计算:. ( 5 ) Sa=旦 ( 6 ) 其中:马=42XP岳. ( 7 ) 式中:一一角振动传感器输出u的幅值(例如角加速度计的输出电压); -一角速度。的幅值;一一角加速度的幅值。角振动传感器复灵敏度的相移只能由方法3A和方法3B测得，相移校准的通用步骤见1008 条纹计数法(方法1A和方法1B)8. 1 总则本方法用于频率范围在1Hz户、斗、-注:在频率80oHz，、角加速度幅值为10Oo rad/
36、s2时，转角幅值是4X10扩-5rad。如果后向反射器或衍射光栅放于离转轴50mm处，相应的位移幅值是2m(即衍射光栅在直径为100mm圆盘的侧表面)。不用特殊方法减小盐8 GB/T 20485. 15-2010/ISO 16063-15 :2006 化误差(见参考文献1J和参考文献l1J)，利用条纹计数法就可测量最小2m的位移幅值，其不确定度符合第3章的规定。如果减小量化误差(见参考文献1J和参考文献11J)，方法1A和方法1B也可用于更小幅值的测量，可以在更高频率指定角加速度传感器幅值(如1000 rad/ S2)的情况下进行校准。对于A型和B型干涉仪(即方法1A和方法1B)，信号周期(如
37、最大强度)数N由式(8)给出:N=4/ !:.s . ( 8 ) 则:N. 11 5zz A5=7 . ( 9 ) 式中:;一一干涉仪测得的位移幅值，该值用于式(2)式(7);!:.s一一量化间隔，对两种A型干涉仪由式(10)和式(11)确定;对两种B型干涉仪由式(12)和式(13)确定;f 角振动激励器的振动频率;11-(平均的)干涉条纹频率。代人!:.s的相关表达式，即A型干涉仪的式(10)或式(11)、B型干涉仪的式(12)或式(13)，通过式(2)把位移转化为振动转角，得到振动转角的幅值岳。角速度幅值b和角加速度幅值A分别由式(5)和式(7)计算。角振动传感器的灵敏度由式(3)、式(4
38、)和式(6)计算。8.2 方法1A和方法1B的通用测试步骤将激光干涉仪调整到最佳状态后(见4.的，在所需角振动频率和角加速度幅值(见第6章)下，通过使用计数器(4.7.2)测量干涉条纹频率(使用图3、图4的条纹计数法)，或使用频比计数器(4.7.2)测量干涉条纹频率和振动频率的比值的方法，来确定角振动传感器的灵敏度。8.3 测量结果的表达见B.2。8.3. 1 方法1A(后向反射器干涉仪)由式(9)得到的干涉条纹频率计算位移幅值。对图3中所示的双光束装置用式(10): !:.s=/4 . ( 10 ) 或对图7所示的单光束测量装置用式(11): !:.s=/2 .( 11 ) 式中:=0.63
39、2 81m，红光氮氛激光器的激光波长。幅值岳和振动转角由式(2)计算，角位移传感器的灵敏度幅值乌由式(3)计算，角速度传感器的灵敏度幅值So由式(4)和式(5)计算，角加速度计灵敏度幅值Sa由式(6)和式(7)计算。8.3.2 方法1B(衍射光栅干涉仪)由式(9)得到的干涉条纹频率计算位移幅值。对图4中双光束装置用式(12): !:.s= g/2 . ( 12 ) 对图8中单光束装置用式(13): !:.s= g . ( 13 ) 式中:g一一衍射光栅的光栅常数(线宽，即正弦相位衍射光栅的光栅常数为O.333 33m时每毫米有3 000线)。振动转角的幅值由式(2)计算，角位移传感器的灵敏度幅
40、值乌由式(3)计算，角速度传感器的灵敏度幅值So由式(4)和式(5)计算，角加速度计灵敏度幅值Sa由式(6)和式(7)计算。9 G/T 20485. 15-2010/ISO 16063-15:2006 10 1 频率发生器(4.2); 2 功率放大器(4.3); 3 角振动激励器(4.3); 4一角振动传感器;5一一后向反射器;6一一干涉仪(4.6); 7-一激光器(4.5); 8分光镜;9一一光电接收器z10 放大器;11 用于频比计数法(4.7.2); 12一一一计数器(或频比计数器)(4. 7. 2) ; 13一一电压表(4.8);14 失真度仪(4.9); 15一一一示波器(4.10)
41、。图3方法1A的测量系统实例(反射式干涉仪，条纹计数法)GB/T 20485. 15-2010/ISO 16063-15:2006 1一一频率发生器(4.2); 2一一一功率放大器(4.3); 3一一-角振动激励器(4.3); 4二一角振动传感器;5一一衍射光栅;6 干涉仪(4.6); 7 激光器(4.5); 9一一光电接收器;10-放大器;11 用于频比计数法(4.7.2);12一一计数器(或频比计数器)(4.7.2);13-电压表(4.8); 14一失真度仪(4.的515一一示波器(4.10)。8 分光镜;图4方法lB测量系统实暂IJ(衍射光栅干涉仪，条按计数法)9 最小点法(方法2A和方
42、法2B)9. 1 总则本方法适用于频率范围为800Hz 1. 6 kHz的角振动传感器灵敏度幅值校准。本方法是用第一类一阶贝塞尔函数零点对应的自变量值来确定位移。注:还有一种用第一类苓阶贝塞尔函数零点对应的自变量值的等效方法来测量位移，该技术需要对参考镜的位置进行调制(见参考文献2J)。考虑到光强变化频谱，调节角振动幅值使与振动频率相同的频率成分为零，用干涉仪测量位移幅值，按式(14)计算位移幅值:式中:3一激光干涉仪检测得到的位移幅值;-、.s s=s.=x. 工一占5Xn-一对应于表1中的贝塞尔函数零值点的自变量;. ( 14 ) 11 GB/T 20485. 15-2010/ISO 16
43、063-15:2006 6.s 位移量化间隔。详细说明见A型干涉仪对应式(10)和式(11)，及B型干涉仪对应式(12)和式(13)。用式(2)得到振动转角幅值的对应值，用式(5)和式(7)计算分别得到角速度幅值b和角加速度幅值斗，角振动传感器的灵敏度由式(3)、式(4)和式(6)计算得到。表1对应于第一类一阶零点贝塞尔函数法的自变量Xn值零点序号nX. 零点序号nX. 零点序号nX. 。11 35.332 30 21 66.753 23 1 3.831 70 12 38.47477 22 69.895 07 2 7.015 59 13 41. 61709 23 73.036 90 3 10.
44、173 46 14 41.759 32 24 76.17870 4 13.323 69 15 47.90146 25 79.320 49 5 16.47063 6 19.615 86 16 51. 043 53 26 82.462 27 7 22.760 09 17 54. 185 56 27 85.604 02 8 25.903 68 18 57.327 53 28 88.745 77 9 29.046 83 19 60.469 45 29 91. 887 52 10 32.189 68 20 63.611 36 30 95.029 24 9.2 方法2A和方法2B的通用测试步骤将激光干涉仪
45、调整到最佳状态后(见4.的，在所需角振动频率(见第6章)和角加速度幅值下确定传感器的灵敏度。通过带通滤波器(4.7.3)对光电接收器(4.6)检测到的信号进行滤波，中心频率等于角振动台的频率。惊波后的信号在特定振动幅值(即位移幅值L和振动转角幅值岳n)处有一系列最小值点，这些特定振动幅值和表1中的自变量Xn相对应。设置校准频率，从零开始调节振动台振幅，使滤波后的光电检测信号达到一个最大值后返回到一个最小值。这个最小值是第一个最小点，该点对应的振幅为一规定的值，由激光干涉仪的类型和构造来决定(见9.3)。最小点法的测量系就见图5和图60注1:加速度计的灵敏度也可以由第一类零阶贝塞尔函数得到，方法
46、是调制参考镜的位置并使其振动频率比校准频率小，设定带通滤波器或频率分析仪的中心频率与参考反射镜的调制频率一致见参考文献3J)。注2:调制参考反射镜的位置也可改善第一类一阶贝塞尔函数最小点法(见参考文献4J)。9.3 测量结果的表达见B.309.3. 1 方法2A(后向反射器干涉仪12 由式(14)和相关的自变量值岛计算得到位移幅值3=L。对图3中所示的双光束装置z6. s=)/4 见式(10)J对图7所示的单光束测量装置:6.S=/2 见式(11)J式中，=0.63281m，红光氮氛激光器的激光波长。注2如果位移幅值L采用表2中的所列的第个极小点的位移值，就不用式(14)计算。对于图7中的单光
47、束装置，用式(2)将幅值;转化为振动转角的幅值，与表2中所列;n相同:. ( 15 ) 对于图3中的双光束装置，用式(2)将幅值;转化为振动转角的幅值，是表2中所列;n值的一半:- Sn S=2 . ( 16 ) GB/T 20485.15-2010/180 16063-15:2006 9.3.2 方法2B(衍射光栅干涉仪)由式(14)和关联幅值Xn计算得到位移幅值;二L。对图6中所示的双光束装置:.s=g/2 见式(12)J对图8所示的单光束测量装置:.s= g 见式(13)J式中:g衍射光栅的光栅常数(线宽，即正弦相位衍射光栅的光栅常数为o.333 33m时每毫米有3000线)注:如果位移幅值S.采用表2中的所列的第n个极小点的位移值，就不用式(14)计算。对于图8中的单光束装置，用式(2)将幅值;转化为振动转角的幅值，与表2中所列L相同见式(15) J;对于图6中的双光束装置，用式(2)将幅值;被转化为振动转角的幅值，是表2中所列L值的一半见式(16)J。1 频率发生器(4.2); 2一一功率放大器(4.3); 3一一角振动台(4.3); 4一一角振动传感器;5一一后向反射器;6一一干涉仪(4.的;7一一激光器(4.5); 8一一分光镜;L_一il-一一一一一一l_j9 光电接收器;10 放大器;1
