郝春法

摘要： 随着汽车技术的日益发展，动态力传感器在汽车NVH、模态试验中用到的越来越多，一般采用动态法校准。本文依据振动与冲击传感器校准方法，以标准振动传感器为标准器，采用正弦力法校准动态力传感器灵敏度，并计算动态力传感器灵敏度测量值的不确定度，确保量准的准确一致和正确传递。

Abstract： With the development of automotive technology， dynamic force sensors are used more and more in vehicle NVH and modal tests， and dynamic calibration is generally adopted. Based on the calibration method of vibration and impact sensor， the sensitivity of dynamic force sensor is calibrated by sinusoidal force method with standard vibration sensor as standard， and the uncertainty of the measured value of dynamic force sensor sensitivity is calculated to ensure the accuracy， consistency and correct transmission of the measurement accuracy.

关键词： 动态力传感器;正弦力法;灵敏度;不确定度

Key words： dynamic force sensor;sinusoidal force method;sensitivity;uncertainty

中图分类号：TP206                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）05-0052-03

0  引言

随着汽车技术的发展，在汽车NVH、模态试验中普遍会用到力锤、阻抗头等设备，它们是结构力学试验中必备的设备之一，其核心是动态力传感器。这些仪器均为动态响应，用傳统静态法标定无法获得其动态灵敏度。本项目采用动态校准原理，使用正弦力法，采用快速傅利叶变化和脉冲理论，建立动态力传感器的校准方法，并计算动态力传感器灵敏度测量值的不确定度，确保量值的准确一致和正确传递。

1  概述

不确定度用以表征合理地赋予被测量值的分散性，是与测量结果相关联的一个参数。

动态力传感器的灵敏度是动态力传感器校准的核心参数，本文以典型的NVH动态力传感器的灵敏度校准进行不确定度评定，标准质量块、被测动态力传感器、标准加速度传感器三者刚性连接到一起，并和振动台相连，之间无相对移动，还应保证振动台台面的中心轴线与传感器和质量块的中轴线重合，以尽量减少偏心负荷和倾斜负荷的影响，控制器通过功率放大器控制振动台台体按照设定的频率和加速度值振动，数据采集系统和数字电压表通过放大器采集被测动态力传感器和标准加速度传感器的数据，校准原理示意图如图1所示。

1.1 测量依据

ISO16063-21振动与冲击传感器校准方法-21部分：相对于参考加传感器的振动比较法校准;

JJF1059.1—2012 《测量不确定度评定与表示》。

1.2 环境条件

温度：（21±5）℃，相对湿度≤70%RH，大气压力：（86～106）kPa，供电电源：（220±22）V，（50±1）Hz。

1.3 测量标准

测量标准的参数范围如表1所示。

辅助设备：

①振动台。

1）加速度波形失真度：参考频率点小于5%，其他频率点小于10%;2）横向运动与纵向运动的加速度幅值之比在参考频率点小于5%，其他频率点小于10%;3）加速度值稳定性：在每个频率点校准过程中优于1%;4）振动台地基的质量应不小于振动运动部件质量的1000倍。

②连接机构。

将质量块通过连接机构与传感器紧密同轴连接，连接机构的材质及质量准确度要求与质量块相同，如图2所示。

③控制器。

1）频率范围：1Hz～3kHz;2）频率最大允许误差：±0.05%;3）频率稳定度：在测量周期内，应在读数的±0.05%之内;4）幅值稳定度：在测量周期内，应在读数的±0.05%之内。

1.4 被测对象

动态力传感器  型号：8230-003  厂家：B&K，实物如图3所示。

1.5 测量过程

参照ISO16063-21振动与冲击传感器校准方法-21 部分：相对于参考加传感器的振动比较法校准，采用正弦信号源激励的方法，将动态力传感器背靠背安装在参考加速度计上，在额定频率和额定加速度条件下记录动态力传感器的电压输出和参考加速度计的电压输出，再将质量已知的质量块安装在动态力传感器上，重复上述步骤，经过计算得出动态力传感器的灵敏度。以此对动态力传感器的灵敏度测量结果不确定度进行评定。以160Hz时的灵敏度为参考点，在全频段对动态力传感器的灵敏度测量不确定度进行分析，校准示意图如图4所示。

2  数学模型

动态力灵敏度计算公式：

SF：动态力灵敏度;U1A：标准加速度传感器空载输出电压值;U1F：被测动态力传感器空载输出电压值;U2A：标准加速度传感器负载输出电压值;U2F：被测动态力传感器负载输出电压值;mΔ：质量块质量;SA：标准加速度传感器灵敏度。

经过推导被校动态力传感器的灵敏度计算公式为：

电压比Vr=，为动态力传感器的电压输出和参考加速度计的输出之比。

式中：S-动态力传感器的灵敏度值;a-参考加速度计的灵敏度值;Δm-质量块质量;V1-标准加速度计输出的电压;V2-被校动态力传感器输出的电压;Vr-电压输出比。

由有关测试资料和测试经验可知，各测量不确定度分量相互独立，且灵敏度系数C绝对值均为1。

3  标准不确定度的评定

以校准典型的动态力传感器为例，以标准振动传感器为参考标准，由多功能振动测量分析仪输出校准实验的信号，通过功率放大器至标准振动台，使振动台在规定的频率、幅值下振动。标准振动传感器和被校动态力传感器，它们处于同一状态的振动，通过多功能振动测量分析仪分别测量它们通过适调放大器的输出电压，从而确定被校动态力传感器的灵敏度。标准不确定度分量由上述各测量环节产生。

3.1 由测量重复性引入的标准不确定度分量u （rel1）

将动态力传感器分别在50Hz、160Hz、1000Hz三个频率点，参考加速度10m/s2分别进行10次独立测量，采用A类方法评定，测量结果如表2所示。

3.2 由参考标准加速度计套组引入的标准不确定度分量u （rel2）

参考标准加速度计套组引入的标准不确定度分量

u （rel2），采用B类方法进行评定。参考标准加速度套组经中国计量科学研究院检定合格作为参考（一级）加速度计使用，服从均匀分布。

u （rel2）=0.005/=0.0029（参考点160Hz）

u （rel2）=0.01/=0.0058（非参考点）

3.3 由标准加速度计参考灵敏度年稳定度引入的标准不确定度分量u （rel3）

标准加速度计参考灵敏度年稳定性优于±0.05%，按一年的变化考虑，可视为均匀分布。

u（rel3）=0.005/=0.0029

3.4 由动态信号分析仪引入的标准不确定度分量u （rel4）

动态信号分析仪经上海计量院校准，校准不确定度为Urel=5×10-6（k=2）。因此不确定度分量为

u （rel4）=0.000005/2=0.0000025。

3.5 由被校动态力传感器的适调放大器衰减档、归一化误差引入的标准不确定度分量u （rel5）

根据所需10m/s2加速度和160Hz参考频率下被校加速度计灵敏度值，设定电荷放大器衰减档。衰减档和归一化误差可从电荷放大器检定证书中获得，合成误差值为0.0042，可认为是均匀分布

u （rel5）=0.0042/=0.0024

3.6 由电压比Vr测量误差引入的标准不确定度分量u （rel6）

电压比Vr由分析仪测得，由分析仪检定证书可知，其扩展不确定度为0.21%，其中k=2，故电压比Vr测量误差引入的标准不确定度分量为

u （rel6）=0.0021/2=0.00105

3.7 由质量块Δm的质量精度引入的标准不确定度分量u （rel7）

质量块选用标准质量块，根据校准证书，标称值为100g的砝码，其实测值为100.004g，扩展不确定度为0.003g，其中k=2，所以其引入的不确定分量为

u （rel7）==0.000015

3.8 由振动台台面横向振动比引入的标准不确定度分量u （rel8）

被校动态力传感器和标准加速度加速度计连接，再加上质量块，由于高度的增加会受到振动台横向振动的影响，通过参考加速度计横向灵敏度以及横向加速度分量，产生合成的加速度输出，可认为是特殊分布，因此振动台横向镇定比引入的标准不确定度分量为

u （rel8）==0.003

3.9 由加速度失真度引入的标准不确定度分量u （rel9）

校准过程中台面将产生谐波失真，其振動幅值输出中必包含谐波分量贡献的成分，可以通过频谱分析、窄带滤波等有效的消除，在0.2%以下，服从均匀分布，则不确定度分量为u （rel9）=0.002/=0.0012

3.10 由安装参数引入的标准不确定度分量u （rel10）

由于动态力传感器和参考加速度计的安装需要对电缆进行固定，同时质量块对安装扭矩也有相应的要求，考虑到基座应变这些因素对测量信号的影响，在（20～1000）Hz范围内，引入的不确定度分量不大于0.2%，在（1000～2000）Hz范围内，引入的不确定度分量不大于0.4%，服从均匀分布，则不确定度分量为

u （rel10）=0.002/=0.0012   （20～1000）Hz

u （rel10）=0.004/=0.0024   （1000～2000）Hz

4  合成标准不确定度的评定

各不确定度汇总表，如表3、表4、表5所示。

5  扩展不确定度的评定

取k=2

U=k×u=2×0.0082=0.0164×100%=1.64%≈1.7%（50Hz）

U=k×u=2×0.0064=0.0128×100%=1.28%≈1.3%（160Hz）

U=k×u=2×0.0081=0.0162×100%=1.62%≈1.7%（2000Hz）

6  结语

综上所述，得出测量范围及不确定度如下，见表6。正弦力法动态力传感器灵敏度不确定度的评定为相关校准方法提供了一个参考的不确定度评定方式，有利于不确定度评定方法的统一，确保量准的准确一致和正确传递。

参考文献：

[1]JJF1059.1—2012，测量不确定度评定与表示[S].

[2]ISO16063-21，振动与冲击传感器校准方法-21部分：相对于参考加传感器的振动比较法校准[S].

[3]GB/T 20485.21，振动与冲击传感器校准方法-21部分：相对于参考传感器的振动比较法校准[S].