کالیبراسیون شتاب سنج شوک و ارتعاش

کالیبراسیون شتاب سنج شوک و ارتعاش عموما طبق ISO 16063-21 و ISO 16063-22 انجام میپذیرد. پدیده شوک و ارتعاش در اطراف ما در هر چیزی که حرکت می کند وجود دارد. اگر چیزی حرکت کند، شتاب را تجربه می کند. اندازه گیری این شتاب به ما کمک می کند تا درک بیشتری از ماهیت حرکت به دست آوریم. درکی که آگاهی ما را از یک رویداد افزایش می دهد یا به اصلاح طراحی مهندسی یک دستگاه متحرک تشویق می کند.

شتاب سنج ها حسگرهایی هستند که می توانند حرکت مکانیکی سازه متصل را حس کرده و آن را به یک کمیت الکتریکی تبدیل کنند که به راحتی اندازه گیری یا ثبت شود. شتاب سنج، به تنهایی یا همراه با سایر اجزای الکتریکی، سیگنال خروجی الکتریکی مربوط به حرکت اعمال شده را تولید می کند. کالیبراسیون دقیق شتاب سنج راهی برای ارائه معنای فیزیکی به این خروجی الکتریکی است و پیش نیاز اندازه گیری های کیفی است.

سازنده شتاب‌سنج، طراحی را تحت آزمایش‌های مختلفی قرار می‌دهد تا خروجی را به دلیل تعداد ورودی‌های زیاد تعیین کند. مشخصه های خروجی که معمولاً اندازه گیری می شوند عبارتند از حساسیت، پاسخ فرکانسی، فرکانس تشدید، خطی بودن دامنه، حساسیت عرضی، پاسخ دما، ثابت زمانی، ظرفیت خازنی و سایر اثرات محیطی (حساسیت کرنش پایه، حساسیت مغناطیسی و غیره).

زیرمجموعه ای از این پارامترها معمولاً در یک سیستم کالیبراسیون اختصاصی “پشت به پشت” برای استفاده آزمایشگاهی همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است آزمایش می شود. ایستگاه های کاری کالیبراسیون شتاب سنج کنترل شده توسط کامپیوتر نه تنها فرآیند کالیبراسیون گاهی خسته کننده را خودکار می کنند، بلکه به به حداقل رساندن خطاهای انسانی و افزایش تکرارپذیری و دقت سیستم

روش‌های مقایسه معمولاً با اندازه‌گیری‌های پشت سر هم در برابر استاندارد مرجع برای اندازه‌گیری حساسیت، خطی بودن، فرکانس و پاسخ فاز انجام می‌شوند.

شکل 1. ایستگاه کاری کالیبراسیون شتاب سنج در کنار تکان دهنده کالیبراسیون بلبرینگ هوای الکترودینامیکی.

سنسور تحت آزمایش (SUT) به صورت پشت به پشت با یک شتاب سنج مرجع استاندارد نصب شده است، مرجع دارای قابلیت ردیابی تا کالیبراسیون اولیه است. از آنجایی که ورودی حرکت برای هر دو دستگاه یکسان است، نسبت خروجی آنها نیز نسبت حساسیت آنها است و حساسیت Ssut SUT را می توان به صورت زیر محاسبه کرد:

Ssut = Sref (Vsut /Vref )(Gref /Gsut) که در آن:

Sref = حساسیت مبدل مرجع

Vsut = خروجی SUT (mV یا pC)

Vref = خروجی حسگر مرجع (mV یا pC)

Gsut = افزایش SUT (mV/mV یا mV/pC)

Gref = بهره مرجع (mV/mV یا mV/pC)

هر دو سنسور را می توان روی یک تکان دهنده الکترودینامیکی که با ارتعاش سینوسی هدایت می شود نصب کرد و حساسیت SUT در آن فرکانس خاص اندازه گیری می شود. با عبور از محدوده مورد نظر فرکانس، منحنی پاسخ فرکانسی برای SUT ایجاد می شود.

شیکرهای حامل هوا نوع ترجیحی از شیکرهای الکترودینامیکی برای استفاده هستند، زیرا می‌توانند بالاترین کیفیت ارتعاش یک درجه آزادی خالص را در وسیع‌ترین محدوده فرکانس ارائه دهند، در حالی که حرکت عرضی و اعوجاج موجود در سایر لرزاننده‌های الکترودینامیکی را به حداقل می‌رسانند. یکی از محدودیت‌های بیشتر شیکرها این است که سطوح شتاب ممکن برای کالیبراسیون کامل شتاب‌سنج‌های با حساسیت کم که برای کاربردهای شوک طراحی شده‌اند، کافی نیستند.

شتاب‌سنج‌های شوک

به‌طور خاص برای تحمل و اندازه‌گیری شتاب‌های شدید، دامنه بالا و کوتاه مدت طراحی شده‌اند که اغلب با شتاب‌های گذرا مرتبط هستند. چنین شتاب هایی مشخصاً از حد برد موجود در سایر طرح های شتاب سنج ارتعاشی معمولی فراتر می رود. کاربردهای متعددی برای شتاب‌سنج‌های شوک در زمینه‌های مهندسی خودرو و ایمنی انسان (شکل 2)، هوافضا، کاربردهای نظامی و تسلیحاتی، آزمایش بسته و رها، رویدادهای پیروشوک و مطالعات انفجاری، برخورد پرتابه و غیره یافت می‌شود.

شتاب‌های گذرا می‌توانند بسیار زیاد باشند و احتمالاً حسگرها را به مناطق غیرخطی عملکرد فشار می‌آورند. بسیار مطلوب است که شتاب‌سنج‌ها در سطوح معمولی اندازه‌گیری واقعی آزمایش شوند. به طور کلی، رویدادهای شتاب شوک ممکن است به راحتی از 5000 گرم یا بیشتر با مدت زمان پالس کمتر از 10 میلی ثانیه (1g= 9.80665 متر بر ثانیه) فراتر رود. بسیاری از آزمایشگاه‌های آزمایش هر سنسور را قبل و بعد از هر آزمایش با شوک کالیبره می‌کنند تا بررسی کنند که مبدل زنده مانده یا خیر و داده‌های به‌دست‌آمده را تأیید کنند.

از آنجایی که سطوح شتاب موجود در شیکرهای با کیفیت کالیبراسیون برای آزمایش شتاب‌سنج‌های شوک در سطوح بالا کافی نیست، تکنیک‌های متفاوتی مورد نیاز است. ISO 16063-22 به طور خاص ابزار دقیق و روش های مورد استفاده برای کالیبراسیون شوک ثانویه شتاب سنج ها را با استفاده از شتاب، سرعت یا اندازه گیری نیرو مرجع برای مقایسه شوک وابسته به زمان توصیف می کند. محدوده طول مدت پالس شوک 0.05 تا 8.0 ms و محدوده دینامیکی (مقدار اوج) 10 10000g (وابسته به زمان). داده های حاصل اجازه می دهد تا حساسیت شوک مبدل به دست آید.

نمونه ای از رایج ترین دستگاه تست شوک، تحریک کننده شوک پنوماتیک، این سیستم می تواند کالیبراسیون و بررسی های خطی را تا 10000g انجام دهد و یکی از همه کاره ترین دستگاه های نوع شوک سندان است که برای کالیبراسیون شوک از نظر دامنه دامنه، مدت زمان پالس، تکرارپذیری و قابلیت ردیابی به روش های کالیبراسیون اولیه موجود است. .

در این تحریک‌کننده، فشار هوای تنظیم‌شده، پرتابه‌ای را به سمت «سندان» که مبدل‌ها روی آن نصب شده‌اند را به حرکت در می‌آورد (شکل 4). دریچه پاپت که توسط پایلوت کار می کند برای آزاد کردن سریع فشار کنترل شده استفاده می شود که میزان انتقال تکانه خطی در یک ضربه را کنترل می کند. مدت زمان و سطح پالس فشار را می توان برای کنترل دقیق و تنظیم سطوح شوک پرتابه به خوبی تنظیم کرد. مجموعه‌ای از سندان‌ها با ویژگی‌های سفتی لایه‌های مختلف برای تنظیم شتاب و مدت زمان ضربان ناشی از ضربه موجود است. مجموعه سندان در انتهای لوله ای که یک پرتابه در آن پرتاب می شود، وارد راهنما می شود. مکانیزمی با «انگشتان» روی مجموعه می‌لغزد که مبدل‌ها را در طول پرواز به سمت بالا می‌گیرد. هر مکانیزم انگشت دارای یک سوئیچ ایمنی اینترلاک است که اگر سیستم در موقعیت خود قرار نگیرد، غیرفعال می شود.

گواهی‌های کالیبراسیون چاپی که الزامات مندرج در ISO 17025 را برآورده می‌کنند، می‌توانند به راحتی تولید شوند و نتایج کالیبراسیون را می‌توان در قالب پایگاه داده باز برای سهولت بازیابی و مدیریت داده‌ها ذخیره کرد.

شکل 3. تحریک کننده شوک پنوماتیک 9155C-525.

این سیستم همچنین می‌تواند شتاب‌سنج‌ها را برای ویژگی‌های دیگر، مانند شیفت صفر، زنگ و غیرخطی بودن آزمایش کند. شکل 5 یک اسکرین شات معمولی از شوک اندازه گیری شده و نتایج کالیبراسیون تولید شده با تحریک کننده پنوماتیکی که در بالا توضیح داده شد را نشان می دهد.

یک تقریب چند جمله‌ای حوزه زمان از پالس‌های شوک طبق ISO-16063-22 برای محاسبه مقادیر پیک خروجی دو سنسور انجام می‌شود. مقدار حساسیت برای SUT با استفاده از معادله ای که قبلا توضیح داده شد محاسبه می شود.

روش‌های دیگر کالیبراسیون شوک شامل سیستم‌های نوار هاپکینسون است که به‌خوبی توصیف شده‌اند، که به‌ویژه برای آزمایش سنسورها در سطوح شوک بسیار بالا که معمولاً بین 10000 تا 200000 g است، مناسب هستند.

شکل 4. مبدل آزمایشی، مبدل مرجع و ترتیب نصب سندان.

ISO 16063-22 روش نوار هاپکینسون را ذکر می کند، اما حداکثر سطح 10000g مشخص شده است که به متدولوژی های اولیه اشاره دارد (برای جزئیات به ISO 16063-13 مراجعه کنید6). آخرین اما نه کم‌اهمیت، دستگاه آونگ و دراپ‌بال نیز در ISO 16063-22 شرح داده شده‌اند و می‌توانند به طور متناوب برای کالیبراسیون شوک استفاده شوند.

شکل 5. نتایج کالیبراسیون خروجی برای یک سنسور شوک آزمایش شده از سطوح شتاب 2000-10000 گرم.

در پایان دعوت میکنیم به جدید ترین محصولات وارداتی از برند شینکاوا ژاپن و همچنین سایر مقالات مخصوص به تست و کالیبراسیون آن مطالعه بفرمایید.