ISO 16063-13:2001
(Main)Methods for the calibration of vibration and shock transducers — Part 13: Primary shock calibration using laser interferometry
Methods for the calibration of vibration and shock transducers — Part 13: Primary shock calibration using laser interferometry
Méthodes pour l'étalonnage des transducteurs de vibrations et de chocs — Partie 13: Étalonnage primaire de chocs par interférométrie laser
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 16063-13
First edition
2001-12-01
Methods for the calibration of vibration and
shock transducers —
Part 13:
Primary shock calibration using laser
interferometry
Méthodes pour l'étalonnage des transducteurs de vibrations et de chocs —
Partie 13: Étalonnage primaire de chocs par interférométrie laser
Reference number
ISO 16063-13:2001(E)
© ISO 2001
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ISO 16063-13:2001(E)
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ISO 16063-13:2001(E)
Contents Page
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Uncertainty of measurement . 1
4 Requirements for apparatus . 2
4.1 General . 2
4.2 Shock machine based on rigid body motion of an anvil . 2
4.3 Shock machine based on wave propagation inside a long thin bar . 2
4.4 Seismic block(s) for shock machine and laser interferometer . 4
4.5 Laser . 4
4.6 Interferometer . 4
4.7 Oscilloscope . 7
4.8 Waveform recorder with computer interface . 7
4.9 Computer with data-processing program . 7
4.10 Filters . 7
4.11 Other requirements . 7
5 Ambient conditions . 8
6 Preferred accelerations and pulse durations . 8
7 Method . 8
7.1 Test procedure . 8
7.2 Data acquisition . 9
7.3 Data processing . 9
8 Reporting the calibration results . 13
Annexes
A Expression of uncertainty of measurement in calibration . 14
B Explanation of the procedures . 16
C Alternative method of calculation of magnitude and phase shift of the complex sensitivity. 20
Bibliography. 22
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ISO 16063-13:2001(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies (ISO
member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO technical
committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been established has
the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and non-governmental, in
liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the International Electrotechnical
Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 3.
Draft International Standards adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting.
Publication as an International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this part of ISO 16063 may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
International Standard ISO 16063-13 was prepared by Technical Committee ISO/TC 108, Mechanical vibration and
shock, Subcommittee SC 3, Use and calibration of vibration and shock measuring instruments.
ISO 16063 consists of the following parts, under the general title Methods for the calibration of vibration and shock
transducers:
— Part 1: Basic concepts
— Part 11: Primary vibration calibration by laser interferometry
— Part 12: Primary vibration calibration by the reciprocity method
— Part 13: Primary shock calibration using laser interferometry
— Part 21: Secondary vibration calibration by comparison
Annex A forms a normative part of this part of ISO 16063. Annexes B and C are for information only.
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iv ISO 2001 – All rights reserved
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ISO 16063-13:2001(E)
Introduction
The shock sensitivityS is determined, according to definition, as the relationship between the peak values of the
sh
accelerometer output quantity and the acceleration. S is not a unique quantity but may vary depending on the
sh
duration and shape of the shock pulse and the bandwidth over which the sensitivity of the transducer under test and
the frequency response of the optional conditioning amplifier are sufficiently uniform.
A unique quantity applicable for linearity tests of accelerometers is the complex sensitivity at a frequency f ,
n
calculated in the frequency domain. This part of ISO 16063 makes use of data-processing procedures which allow
the magnitudeS and phase shift' of the complex sensitivity to be calculated, in addition or alternatively to the
n n
shock sensitivityS (cf. informative annex C).
sh
The method specified in this part of ISO 16063 is based on the absolute measurement of the time history of the
motion. This method fundamentally deviates from another shock calibration method which is based on the principle
of the change in velocity, described in ISO 16063-1. The shock sensitivity therefore differs fundamentally from the
shock calibration factor obtained by the latter method, but is in compliance with the calibration factor stated in
1)
ISO 5347-4 .
1) To be revised as ISO 16063-22.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 16063-13:2001(E)
Methods for the calibration of vibration and shock transducers —
Part 13:
Primary shock calibration using laser interferometry
1 Scope
This part of ISO 16063 specifies the instrumentation and procedure to be used for primary shock calibration of
rectilinear accelerometers, using laser interferometry to sense the time-dependent displacement during the shock.
2 2
The method is applicable in a shock pulse duration range 0,05 ms to 10 ms and a range of peak values of 10 m/s
5 2
to 10 m/s (pulse-duration dependent). The method allows the shock sensitivity to be obtained.
2 Normative references
The following normative documents contain provisions which, through reference in this text, constitute provisions of
this part of ISO 16063. For dated references, subsequent amendments to, or revisions of, any of these publications
do not apply. However, parties to agreements based on this part of ISO 16063 are encouraged to investigate the
possibility of applying the most recent editions of the normative documents indicated below. For undated references,
the latest edition of the normative document referred to applies. Members of ISO and IEC maintain registers of
currently valid International Standards.
ISO 5347-22, Methods for the calibration of vibration and shock pick-ups — Part 22: Accelerometer resonance
testing — General methods
ISO 16063-1, Methods for the calibration of vibration and shock transducers — Part 1: Basic concepts
ISO 16063-11, Methods for the calibration of vibration and shock transducers — Part 11: Primary vibration
calibration by laser interferometry
3 Uncertainty of measurement
The limits of the uncertainty of shock sensitivity measurement shall be as follows:
2
— 1 % of the reading at a reference peak value of 1 000 m/s and reference shock pulse duration of 2ms and
reference amplifier gain settings;
— 6 2% for all values of peak acceleration and shock pulse duration.
The uncertainty specifications above are valid for the calibration of acceptable precision-grade transducers (e.g.
reference standard accelerometers) provided that great care is taken to keep all uncertainty components small
enough to comply with the specifications (for uncertainty budgets, see annex A). In particular, the spectral energy
produced by the excitation of any mode of resonance inherent in the transducer or shock machine structure during
calibration must be small relative to the spectral energy contained in the frequency range of calibration. The
transducer resonance testing shall be performed in accordance with ISO 5347-22. In general, this requirement might
preclude the use of pulses with relatively short durations that are given in clauses 1 and 6.
All users of this part of ISO 16063 shall make uncertainty budgets according to annex A to document their level of
uncertainty.
NOTE The uncertainty of measurement is expressed as the expanded measurement uncertainty in accordance with
ISO 16063-1 (briefly referred to as “uncertainty”).
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4 Requirements for apparatus
4.1 General
This clause gives specifications for the apparatus necessary to fulfil the scope of clause 1 and to obtain the
uncertainties of clause 3.
4.2 Shock machine based on rigid body motion of an anvil
The shock machine shall be operated with a hammer (projectile) which shall be permitted to move and strike an anvil
(target) to which the accelerometer is attached. The hammer shall impart a motion to the anvil which shall be
permitted to accelerate freely and rectilinearly while the hammer shall be automatically caught. Steel springs or
cushioning pads made of rubber, paper or another pulse-forming material shall be placed between the hammer and
the anvil to obtain the desired pulse duration and shape. The shock pulses obtained shall have a shape
approximating a half-sine, half-sine squared or Gaussian acceleration shape. The resonance frequencies of the
hammer and the anvil shall be at least 10=T , whereT is the pulse duration.
In order to avoid influences from resonances in the shock machine structure, the hammer and the anvil shall operate
largely isolated from the structure. The hammer and the anvil shall be aligned with a maximum distance of� 0,2 mm
between the two centrelines. The anvil shall be supported in such a way that no unsymmetric forces cause rotation
and deviations from rectilinear motion.
The surface on which the accelerometer is to be mounted shall have a roughness value, expressed as the
arithmetical mean deviation,Ra, of< 1m.
The flatness shall be such that the surface is contained between two parallel planes at a distance apart of 5m, over
the area corresponding to the maximum mounting surface of any transducer to be calibrated.
The drilled and tapped hole for connecting the accelerometer shall have a perpendicular tolerance to the surface of
< 10m1; i.e. the centreline of the hole shall be contained in a cylindrical zone of0m diameter and a height equal
totheholedepth.
NOTE 1 The above requirements can be fulfilled when the anvil or both the anvil and the hammer is (are) equipped with air
bearings (cf. Figure 1 and reference [1]). The shock machine shown in Figure 1 allows impulses of a half-sine squared
acceleration shape to be generated [6].
NOTE 2 Some conventional shock machines used in comparison shock calibrations in accordance with ISO 5347-4 (cf. [2] and
[3]) may not cause a motion which can be accurately measured by laser interferometry.
4.3 Shock machine based on wave propagation inside a long thin bar
The shock machine shall consist mainly of a movable element [e.g. a steel ball (projectile)] which shall be
accelerated to strike a mitigating element (e.g. a steel ball of the same diameter) attached to a bar on which the
accelerometer shall be mounted at the opposite end surface. The bar shall be flexibly supported in such a way that
influences from resonances in the shock machine structure are avoided. The hammer and the anvil bar shall be
aligned sufficiently to meet the uncertainty requirements of clause 3.
Any deviations from the rectilinear motion of the accelerometer's mounting surface shall be so small, at least during
the measurement period which is significant for the data acquisition (maximum: 1ms), that the stated uncertainty in
calibration can be achieved. The shock machine shall be provided with a facility for triggering the data acquisition
process.
The surface on which the accelerometer is to be mounted shall have a roughness value, expressed as the
arithmetical mean deviation,Ra, of< 1m.
The flatness shall be such that the surface is contained between two parallel planes at a distance apart of 5m, over
the area corresponding to the maximum mounting surface of any transducer to be calibrated.
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2 ISO 2001 – All rights reserved
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Key
1Shockmachine(4.2)
2 Spring unit
3 Airborne hammer (e.g. steel, diameter 30 mm, length 200 mm)
4Pad
5 Airborne anvil (e.g. steel, diameter 30 mm, length 200 mm)
6 Accelerometer
7Amplifier
8 Digital waveform recorder (4.8)
9Laser(4.5)
10 Interferometer (4.6)
11 Light detectors (4.6)
st
12 1 seismic block (4.4)
nd
13 2 seismic block (4.4)
Figure 1 — Example of a measuring system for shock calibration based on rigid body motion of an anvil
2 2
(acceleration peak value range 100 m/s to 5 000 m/s )
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The drilled and tapped hole for connecting the accelerometer shall have a perpendicularly tolerance to the surface of
< 10m1, i.e. the centreline of the hole shall be contained in a cylindrical zone of0m diameter and a height equal
totheholedepth.
The dimension of the bar (see references [4], [5]) shall take into account the fact that the end surface must be
accessible to the laser light beam when an accelerometer of single-ended design is mounted for calibration, and that
the period available (see below) is sufficient.
The maximum shock duration and measurement period available for data acquisition is the period from the beginning
of the significant pulse to the occurrence of the pulse reflected at the mounting surface (e.g. 0,8 ms in a bar 2 m in
length as shown in Figure 2).
An example of a shock machine based on elastic wave propagation inside a long thin bar is shown in Figure 2. To
derive a trigger signal, two strain gauges are applied to the opposite sides of the bar. The shock excitation
arrangement with two steel balls shown in Figure 2 leads to acceleration shapes which can be described by the
derivative of a Gaussian function, i.e. Gaussian velocity pulse [6]. This special arrangement gives good repeatability
in repeated shock calibrations and relatively small changes of the spectral frequency content of the shock spectrum
at different acceleration peak values [13]. Other bar sizes than that shown in Figure 2 may be applied in adaptation
to different calibration conditions.
In general, the longitudinal displacement in the bar will vary as a complicated function of radial position and
frequency depending on the material properties and diameter of the bar. This can introduce a frequency-dependent
base strain to the transducer under test, increase the uncertainty in the calibration, or both.
4.4 Seismic block(s) for shock machine and laser interferometer
The shock exciter and the interferometer shall be mounted on the same heavy block or on two different heavy blocks
so as to prevent relative motion due to ground motion, or to prevent the reaction of the exciter support structure from
having excessive effects on the calibration results.
4.5 Laser
A laser of the red helium-neon type shall be used. Under laboratory conditions, i.e. an air pressure of 100 kPa, a
�
temperature of 23 C and a relative humidity of 50 %, the wavelength is 0,632 81m.
If the laser has manual or automatic atmospheric compensation, this shall be set to zero or switched off.
Alternatively, a single-frequency laser may be used, with another stable wavelength whose value is accurately
known.
4.6 Interferometer
The interferometer shall be of a modified Michelson type, providing quadrature signal outputs, with two light detectors
to sense the interferometer signal bands, and having a frequency response covering the necessary bandwidth. The
required bandwidth can be calculated from the maximum velocityv , which shall be measured using the following
max
equation:
−6 −1
f =v � 3,16� 10 m
max max
The modified Michelson interferometer may be constructed according to Figure 3. A quarter-wavelength retarder
converts the linearly polarized incident light into two measuring beams with perpendicular polarization states and a
�
phase angle difference of 90 . After interfering with the linearly polarized reference beam, the two components with
perpendicular polarization are separated in space by appropriate means (e.g. a Wollaston prism or a polarizing beam
splitter) and detected by two photodiodes.
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4 ISO 2001 – All rights reserved
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Key
1 Shock machine (4.3)
2 Valve (compressed air supply)
3 Air barrel
4 Pair of balls, of 50 mm diameter
5 Silicon rubber
6 Aluminium tube
7O-rings
8 Bar (titanium, diameter 25 mm, length 2 000 mm)
9 Accelerometer
10 Amplifier
11 Digital waveform recorder (4.8)
12 Strain gauges
13 Bridge amplifier
14 Trigger unit
15 Interferometer (4.6)
16 Laser (4.5)
17 Light detectors (4.6)
a
To vacuum
Figure 2 — Example of a measuring system for shock calibration based on shock propagation inside a long
2 2
thin bar (acceleration peak value range 1 000 m/s to 100 000 m/s )
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ISO 16063-13:2001(E)
Key
1 Laser
2 Polarizors
3 Beamsplitter
4 Reference mirror
5 Dummy mass (measuring reflector)
6 Accelerometer
7 Wollaston prism
8 Photodetectors
Figure 3 — Laser interferometer with quadrature output
The two outputs of the modified Michelson interferometer shall have offsets of less than�5% in relation to the
�
amplitude, relative amplitude deviations of less than�5%, and deviations of less than� 5 from the nominal phase
�
angle difference of 90 . To maintain these tolerances, appropriate means shall be provided to adjust the offset, the
signal level and the angle between the two interferometer signals.
The measuring light beam from the interferometer and the anvil bar axis shall be aligned to meet the uncertainty
requirements of clause 3.
For reflection of the measuring light beam, the polished end surface of the anvil bar shall be used if the
accelerometer is of single-ended design, or a polished top surface shall be used in the case of back-to-back
accelerometer design. The use of a mirror shall be avoided.
At high acceleration peak values, a large bandwidth may be needed. To measure, for example, a shock of
2
100 000 m/s peak value and 200s duration (for acceleration shape see 4.3), an interferometer signal frequency
spectrum up to 32 MHz should be transmitted. For details, see reference [6].
The (modified) Michelson interferometer may be replaced by another suitable two-beam interferometer, e.g. a
(modified) Mach-Zehnder interferometer.
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6 ISO 2001 – All rights reserved
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4.7 Oscilloscope
Unless included in 4.8, an oscilloscope shall be provided for checking the waveforms of the interferometer and
accelerometer signals, with a frequency range from d.c. to 50 MHz or higher.
4.8 Waveform recorder with computer interface
A waveform recorder with computer interface capable of analog-to-digital conversion and storage of the two
interferometer quadrature outputs together with the accelerometer output shall be provided. The amplitude
resolution, the sampling rate and the memory shall be sufficient for calibration in the intended dynamic range with the
uncertainty specified in clause 3. For the interferometer quadrature signal outputs, a resolution of> 8 bits is
sufficient. Typically, an amplitude resolution of> 10 bits is used for the accelerometer output. A two-channel
waveform recorder may be used for the interferometer output signals, together with another waveform recorder (with
higher resolution and lower sampling rate) for the accelerometer output signal.
2
EXAMPLE To calibrate an accelerometer at an acceleration peak value of 2 500 m/s and a pulse duration of 2ms, a sampling
frequency of 50 MHz or higher should be used (a memory of 1 Mbyte being sufficient to cover the three signal channels).
4.9 Computer with data-processing program
A computer with data-processing program according to the procedure for the calculations stated in 7.3 shall be
provided.
4.10 Filters
Analog filters applied to the accelerometer output signal and the interferometer signals to avoid aliasing and/or to
suppress noise, shall have an appropriate amplitude- and phase-frequency response to comply with the tolerable
uncertainty of measurement (cf. clause 3). This requirement shall also be fulfilled for the digital filtering in accordance
with the procedures for data processing (cf. 7.3).
For the filtering of the interferometer signals, the error description reported in reference [6] should be taken into
account.
4.11 Other requirements
In order to achieve a small measurement uncertainty in calibration (e.g. 1%), the accelerometer and the
accelerometer amplifier should preferably be considered as a single unit and calibrated together.
The accelerometer shall be structurally rigid. The base strain sensitivity, the transverse sensitivity and the stability of
the accelerometer/amplifier combination shall be taken into account when calculating the uncertainty of
measurement (cf. annex A).
If a back-to-back reference standard accelerometer is calibrated, its sensitivity (magnitude and/or phase shift) shall
be measured with a dummy mass that is the equivalent of the mass of the transducer to be calibrated by the
comparison method (cf. ISO 5347-4) using the back-to-back reference accelerometer. The laser light spot may be at
either the top (outer surface) of the dummy mass or the top surface of the reference standard accelerometer.
If the motion is sensed at the top of the dummy mass, then the dummy mass should have an optically polished top
surface and the position of the laser-light spot should be close to the geometrical centre of this surface. In cases
where the motion of the mass departs from that of a rigid body, the relative motion between the top (sensed) and
bottom surfaces shall be taken into consideration.
Alternatively, the motion may be sensed at the top surface of the reference accelerometer via longitudinal holes in the
dummy mass.
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ISO 16063-13:2001(E)
In some conventional shock machines used in comparison shock calibrations, the motion of the accelerometer to be
calibrated is sensed with the base surface of a back-to-back reference accelerometer, both accelerometers being
mounted on a rigid structure. In this case, the back-to-back reference accelerometer shall be calibrated with the
shock motion being sensed at the moving part (e.g. the end surface of the bar) close to the accelerometer.
5 Ambient conditions
Calibration shall be carried out under the following ambient conditions:
�
a) room temperature: (23� 3) C;
b) relative humidity: max. 75 %.
6 Preferred accelerations and pulse durations
The nominal values of acceleration (peak values) and shock pulse duration should preferably be chosen from the
following series.
a) Acceleration, in metres per second squared:
100; 200; 500; 1 000; 2 000; 5000; 10 000; 20 000; 50 000; 100 000.
b) Shock pulse duration, in milliseconds:
0,05;0,1;0,2;0,5;1;2;5;10.
CAUTION — To avoid damage to the accelerometer, the duration of the calibration shock pulse should be
greater than the shortest shock pulse duration specified by the manufacturer.
7 Method
7.1 Test procedure
The equipment should be installed according to Figures 1 or 2, and Figure 3.
The laser interferometer (for an example, see Figure 3) shall be adjusted to give output signalsu andu in phase
1 2
quadrature within the tolerances stated in 4.6.
Before applying a shock, disturbing quantities such as hum and noise shall be measured, and the values shall be
sufficiently small to achieve the required uncertainty of calibration.
After the interferometer settings (4.6) have been optimized and the required standard position of the amplifier range
switch selected, the shock calibration of the accelerometer shall be carried out at the specified accelerations and
pulse durations (see clause 6) as described in 7.2 and 7.3.
NOTE 1 Quadrature signals free from the disturbing parameters tolerated in 4.6 can be generated by digital signal processing in
conjunction with special heterodyne interferometer technique as reported in references [7] and [8]. In this way, an uncertainty
smaller than that obtained by homodyne technique can be achieved. A suitable heterodyne technique has also special
advantages in the photoelectric transmission of interferometer signals of large bandwidth (cf. 4.6), but is considerably more
expensive than the homodyne technique.
NOTE 2 To measure the time-varying acceleration, the generation of quadrature signals may be dispensed with when the
following means are used: a one-channel Michelson interferometer, a time interval analyser and special algorithms for determining
the acceleration values from the measured displacement values and conjugate times (cf. ISO 16063-1; for details see
reference [9]).
©
8 ISO 2001 – All rights reserved
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7.2 Data acquisition
The cut-off frequencies of low-pass filters and, if any, high-pass filters shall be chosen so that disturbing influences
from low- and high-pass filtering on the calibration results are tolerable (cf. reference [6]). To fulfil Nyquist's theorem,
the sampling rate shall be set so that the highest frequency content is lower than half the sampling rate.
The quadrature signals shall be equidistantly
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 16063-13
Première édition
2001-12-01
Méthodes pour l'étalonnage des
transducteurs de vibrations et de chocs —
Partie 13:
Étalonnage primaire de chocs par
interférométrie laser
Methods for the calibration of vibration and shock transducers —
Part 13: Primary shock calibration using laser interferometry
Numéro de référence
ISO 16063-13:2001(F)
© ISO 2001
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ISO 16063-13:2001(F)
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ISO 16063-13:2001(F)
Sommaire Page
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 1
3 Incertitude de mesure . 1
4 Exigences pour l'appareillage . 2
4.1 Généralités . 2
4.2 Machine à chocs fondée sur le mouvement du corps rigide d'une enclume . 2
4.3 Machine à chocs fondée sur la propagation d'ondes dans une longue barre mince . 2
4.4 Bloc(s) sismique(s) pour machine à chocs et interféromètre laser . 4
4.5 Laser . 4
4.6 Interféromètre . 6
4.7 Oscilloscope . 7
4.8 Appareil enregistreur de formes d'ondes avec interface informatique . 7
4.9 Ordinateur avec programme de traitement des données . 7
4.10 Filtres . 7
4.11 Autres exigences . 7
5 Conditions ambiantes . 8
6 Accélérations et durées de signal de choc préférentielles . 8
7 Méthode . 8
7.1 Mode opératoire . 8
7.2 Acquisition des données . 9
7.3 Traitement des données . 9
8 Consignation des résultats de l'étalonnage . 13
Annexes
A Expression de l'incertitude de mesure de l'étalonnage. 15
B Explication des modes opératoires . 17
C Autre méthode de calcul de l'amplitude et du décalage de phase de la sensibilité complexe . 21
Bibliographie. 23
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ISO 2001 – Tous droits réservés iii
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ISO 16063-13:2001(F)
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée aux
comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du comité
technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non gouvernementales, en liaison
avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique
internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI, Partie 3.
Les projets de Normes internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour
vote. Leur publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments de la présente partie de l'ISO 16063 peuvent faire l'objet
de droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne pas
avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
La Norme internationale ISO 16063-13 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 108, Vibrations et chocs
mécaniques, sous-comité SC 3, Utilisation et étalonnage des instruments de mesure des vibrations et des chocs.
L'ISO 16063 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Méthodes pour l'étalonnage des
transducteurs de vibrations et de chocs:
— Partie 1: Concepts de base
— Partie 11: Étalonnage primaire de vibrations avec interféromètre de laser
— Partie 12: Étalonnage primaire de vibrations par méthode réciproque
— Partie 13: Étalonnage primaire de chocs par interférométrie laser
— Partie 21: Étalonnage secondaire de vibrations par comparaison
L'annexe A constitue un élément normatif de la présente partie de l'ISO 16063. Les annexes B et C sont données
uniquement à titre d'information.
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ISO 16063-13:2001(F)
Introduction
La sensibilité au choc S est définie comme la relation entre les valeurs de crête de la grandeur de sortie de
sh
l'accéléromètre et l'accélération.S n'est pas une valeur unique mais peut varier en fonction de la durée et de la
sh
forme du signal de choc et de la largeur de bande au-dessus de laquelle la sensibilité du capteur soumis à l'essai et
la réponse en fréquence de l'amplificateur de conditionnement optionnel sont suffisamment uniformes.
La sensibilité complexe à une fréquence f calculée dans le domaine fréquentiel constitue la grandeur unique
n
applicable aux essais de linéarité des accéléromètres. La présente partie de l'ISO 16063 utilise les procédures de
traitement des données qui permettent de calculer l'amplitude S et le décalage de phase ' de la sensibilité
n n
complexe, en complément ou en remplacement de la sensibilité au chocS (voir l'annexe informative C).
sh
La méthode spécifiée dans la présente partie de l'ISO 16063 est fondée sur la mesure absolue de la variation
temporelle du mouvement. Elle s'écarte fondamentalement d'une autre méthode d'étalonnage des chocs fondée,
elle, sur le principe de la variation de vitesse et décrite dans l'ISO 16063-1. Par conséquent, la sensibilité au choc
diffère fondamentalement de la constante d'étalonnage obtenue avec la méthode précédente, mais est conforme à
1)
la constante d'étalonnage citée dans l'ISO 5347-4 .
1) À réviser en tant que ISO 16063-22.
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NORME INTERNATIONALE ISO 16063-13:2001(F)
Méthodes pour l'étalonnage des transducteurs de vibrations et de
chocs —
Partie 13:
Étalonnage primaire de chocs par interférométrie laser
1 Domaine d'application
La présente partie de l'ISO 16063 spécifie l'appareillage et le mode opératoire pour l'étalonnage primaire de chocs
des accéléromètres rectilignes, utilisant l'interférométrie laser pour détecter le déplacement en fonction du temps
pendant le choc. Cette méthode est applicable pour une gamme de durées du signal de choc comprise entre
2 2 5 2
0,05 ms et 10 ms et une gamme de valeurs de crête comprise entre 10 m/s et 10 m/s (en fonction de la durée du
signal de choc). Cette méthode permet d'obtenir la sensibilité au choc.
2 Références normatives
Les documents normatifs suivants contiennent des dispositions qui, par suite de la référence qui y est faite,
constituent des dispositions valables pour la présente partie de l'ISO 16063. Pour les références datées, les
amendements ultérieurs ou les révisions de ces publications ne s'appliquent pas. Toutefois, les parties prenantes
aux accords fondés sur la présente partie de l'ISO 16063 sont invitées à rechercher la possibilité d'appliquer les
éditions les plus récentes des documents normatifs indiqués ci-après. Pour les références non datées, la dernière
édition du document normatif en référence s'applique. Les membres de l'ISO et de la CEI possèdent le registre des
Normes internationales en vigueur.
ISO 5347-22, Méthodes pour l'étalonnage de capteurs de vibrations et de chocs — Partie 22: Essai de résonance
par accéléromètres — Méthodes générales
ISO 16063-1, Méthodes pour l'étalonnage des transducteurs de vibrations et de chocs — Partie 1: Concepts de
base
ISO 16063-11, Méthodes pour l'étalonnage des transducteurs de vibrations et de chocs — Partie 11: Étalonnage
primaire de vibrations avec interféromètre de laser
3 Incertitude de mesure
Les limites de l'incertitude de mesure de la sensibilité au choc doivent être les suivantes:
2
— 1 % de la lecture à une valeur de crête de référence de 1 000 m/s et une durée de signal de choc de référence
de 2ms et aux positions de gain de l'amplificateur de référence;
— 6 2% pour toutes les valeurs de crête d'accélération et les durées d'un signal de choc.
Les spécifications d'incertitude mentionnées ci-dessus sont valables pour l'étalonnage de capteurs d'un niveau de
précision acceptable (par exemple les accéléromètres étalons) dans la mesure où il est pris grand soin que les
composantes d'incertitude soient maintenues à un niveau suffisamment faible pour satisfaire aux spécifications (pour
les valeurs d'incertitude, voir l'annexe A). En particulier, l'énergie spectrale produite par l'excitation d'un mode
quelconque de résonance inhérent à la structure du capteur, ou de la machine à chocs lors de l'étalonnage, doit être
faible par rapport à l'énergie spectrale comprise dans la gamme de fréquences de l'étalonnage. L'essai de
résonance du capteur doit être effectué conformément à l'ISO 5347-22. Cette exigence peut généralement
empêcher l'utilisation des signaux de choc à durée relativement courte cités dans les articles 1 et 6.
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ISO 16063-13:2001(F)
Tous les utilisateurs de la présente partie de l'ISO 16063 doivent établir des valeurs d'incertitude conformément à
l'annexe A afin de documenter leur niveau d'incertitude.
NOTE L'incertitude de mesure est exprimée comme l'incertitude de mesure étendue conformément à l'ISO 16063-1 (appelée
«incertitude» sous une forme abrégée).
4 Exigences pour l'appareillage
4.1 Généralités
Le présent article recommande des spécifications relatives à l'appareillage, nécessaires pour satisfaire le domaine
d'application de l'article 1 et pour obtenir les incertitudes de l'article 3.
4.2 Machine à chocs fondée sur le mouvement du corps rigide d'une enclume
La machine à chocs doit fonctionner avec un marteau (projectile) qui doit pouvoir déplacer et frapper une enclume
(cible) à laquelle l'accéléromètre est attaché. Le marteau doit transmettre un mouvement à l'enclume qui doit pouvoir
accélérer librement et de manière rectiligne pendant que le marteau doit être attrapé automatiquement. Des ressorts
d'acier ou des tampons en caoutchouc, en papier ou tout autre matériau générateur d'impulsions, doivent être placés
entre le marteau et l'enclume afin d'obtenir la durée de signal de choc et la forme désirées. Les signaux de choc
obtenus doivent avoir une forme plus ou moins demi-sinus, demi-sinus carrée ou la forme d'une accélération de type
gaussien. Les fréquences de résonance du marteau et de l'enclume doivent être d'au moins 10=T , oùT est la durée
du signal de choc.
Afin d'éviter des influences de résonance dans la structure de la machine à chocs, le marteau et l'enclume doivent
fonctionner indépendamment de la structure. Le marteau et l'enclume doivent être alignés avec une distance
maximale entre leurs axes de� 0,2 mm. L'enclume doit être soutenue de sorte qu'aucune force dissymétrique ne
cause de rotation ni d'écarts par rapport au mouvement rectiligne.
La surface sur laquelle l'accéléromètre doit être monté doit avoir une valeur de rugosité, donnée comme l'écart
moyen arithmétique,Ra, inférieure à 1m.
La planéité de la surface doit être telle que la surface puisse être contenue entre deux plans parallèles distants de
5m, au-dessus de la zone correspondant à la surface de montage maximale de tout capteur à étalonner.
Le trou percé et taraudé pour la connexion de l'accéléromètre doit avoir une tolérance de perpendicularité par
rapport à la surface< 10m, c'est-à-dire que l'axe du trou doit se trouver dans une zone cylindrique de 10m de
diamètre et d'une hauteur égale à la profondeur du trou.
NOTE 1 Les exigences susmentionnées peuvent être satisfaites lorsque l'enclume ou le marteau ou les deux est/sont équipé(s)
de coussins d'air (voir Figure 1 et référence [1]). La machine à chocs illustrée à la Figure 1 permet de générer des impulsions de
forme d'accélération demi-sinus carrée [6].
NOTE 2 Il est possible que certaines machines à chocs conventionnelles utilisées pour les étalonnages de chocs par
comparaison conformément à l'ISO 5347-4 (voir [2] et [3]) ne causent pas un mouvement qui puisse être mesuré avec précision
par interféromètre laser.
4.3 Machine à chocs fondée sur la propagation d'ondes dans une longue barre mince
La machine à chocs doit être principalement constituée d'un élément mobile, [par exemple une bille d'acier
(projectile)], qui doit être projeté contre un élément modérateur (par exemple une autre bille d'acier de même
diamètre) attaché à une barre sur laquelle l'accéléromètre doit être fixé sur la surface inférieure opposée. Afin
d'éviter des influences de résonances dans la structure de la machine à chocs, la barre doit être soutenue de
manière flexible. Le marteau et la barre-enclume doivent être suffisamment alignés pour satisfaire aux exigences
d'incertitude de l'article 3.
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Légende
1 Machine à chocs (4.2)
2 Unité à ressort
3 Marteau (par exemple acier, diamètre 30 mm, longueur 200 mm)
4 Tampon
5 Enclume (par exemple acier, diamètre 30 mm, longueur 200 mm)
6 Accéléromètre
7 Amplificateur
8 Enregistreur numérique de formes d’ondes (4.8)
9Laser(4.5)
10 Interféromètre (4.6)
11 Détecteurs de lumière (4.6)
er
12 1 bloc sismique (4.4)
e
13 2 bloc sismique (4.4)
Figure 1 — Exemple d'un système de mesure pour l'étalonnage de chocs fondé sur le mouvement du corps
2 2
rigide d'une enclume (gamme des valeurs de crête d'accélération comprise entre 100 m/s et 5 000 m/s )
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Tout écart par rapport au mouvement rectiligne de la surface de montage de l'accéléromètre doit être suffisamment
faible, au moins durant la durée de mesurage significative pour l'acquisition des données (maximum: 1ms), afin
d'obtenir l'incertitude d'étalonnage prescrite. La machine à chocs doit être équipée d'un dispositif permettant de
déclencher le processus d'acquisition des données.
La surface sur laquelle l'accéléromètre doit être monté doit avoir une valeur de rugosité, donnée comme l'écart
moyen arithmétique,Ra, inférieure à 1m.
La planéité de la surface doit être telle que la surface puisse être contenue entre deux plans parallèles distants de
5m, au-dessus de la zone correspondant à la surface de montage maximale de tout capteur à étalonner.
Le trou percé et taraudé pour la connexion de l'accéléromètre doit avoir une tolérance de perpendicularité par
rapport à la surface< 10m, c'est-à-dire que l'axe du trou doit se trouver dans une zone cylindrique de 10m de
diamètre et d'une hauteur égale à la profondeur du trou.
La dimension de la barre (voir références [4], [5]) doit tenir compte du fait que le faisceau lumineux du laser doit
atteindre la surface inférieure lorsqu'un accéléromètre à sortie simple est monté pour l'étalonnage et que la période
disponible (voir ci-dessous) est suffisante.
La période maximale comprenant la durée d'un signal de choc et la durée de mesurage disponible pour l'acquisition
des données correspond à la période comprise entre le début du signal significatif et l'apparition du signal réfléchi
sur la surface de montage (par exemple 0,8 ms dans une barre de 2 m de long, tel qu'illustré à la Figure 2).
La Figure 2 montre l'exemple d'une machine à chocs fondée sur la propagation d'ondes élastiques dans une longue
barre mince. Deux extensomètres sont installés aux extrémités de la barre pour mesurer le signal de
déclenchement. Le dispositif d'excitation par choc à billes d'acier, illustré à la Figure 2, produit des formes
d'accélération qui peuvent être décrites par la dérivée d'une fonction gaussienne, c'est-à-dire, un signal de vitesse de
type gaussien [6]. Ce dispositif présente également des caractéristiques de bonne fidélité pour l'étalonnage de chocs
répétés et de variations relativement faibles de la composante fréquentielle spectrale du spectre de choc à
différentes valeurs de crête d'accélération [13]. Il est admis d'utiliser des barres de dimensions différentes de celles
illustrées à la Figure 2 pour satisfaire à d'autres conditions d'étalonnage.
En règle générale, le déplacement longitudinal à l'intérieur de la barre varie comme une fonction complexe de
position et de fréquences radiales en fonction des propriétés du matériau et du diamètre de la barre. Ceci peut
introduire une contrainte de base dépendant de la fréquence au capteur soumis à l'essai, augmenter l'incertitude
d'étalonnage, ou les deux.
4.4 Bloc(s) sismique(s) pour machine à chocs et interféromètre laser
Le générateur de chocs et l'interféromètre doivent être montés sur le même bloc lourd ou sur deux blocs lourds
différents de manière à éviter tout mouvement relatif dû aux vibrations du sol, ou à éviter que la réaction de la
structure d'appui du générateur de chocs ait des effets excessifs sur les résultats de l'étalonnage.
4.5 Laser
Un laser de type hélium-néon rouge doit être utilisé. Dans des conditions de laboratoire, c'est-à-dire à une pression
�
atmosphérique de 100 kPa, une température de 23C5et une humidité relative de0%, la longueur d'onde est de
0,632 81m.
Si le laser possède une compensation atmosphérique manuelle ou automatique, celle-ci doit être mise à zéro ou
débranchée.
Un laser à fréquence unique peut également être utilisé avec une autre longueur d'onde stable dont la valeur est
précisément connue.
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Légende
1 Machine à chocs (4.3)
2 Soupape (à air comprimé)
3 Conteneur d’air
4 Paire de billes, diamètre 50 mm
5 Caoutchouc de silicone
6 Tube d’aluminium
7 Joints toriques
8 Barre (titane, diamètre 25 mm, longueur 2 000 mm)
9 Accéléromètre
10 Amplificateur
11 Enregistreur numérique de formes d’ondes (4.8)
12 Extensomètres
13 Amplificateur en pont
14 Unité de déclenchement
15 Interféromètre (4.6)
16 Laser (4.5)
17 Détecteurs de lumière (4.6)
a
Vers le vide
Figure 2 — Exemple d'un système de mesure pour l'étalonnage de chocs fondé sur la propagation du choc
dans une longue barre mince (gamme des valeurs de crête d'accélération
2 2
comprise entre 1 000 m/s et 100 000 m/s )
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4.6 Interféromètre
L'interféromètre doit être de type Michelson modifié, fournissant des sorties de signaux en quadrature, avec deux
détecteurs de lumière des bandes de signaux de l'interféromètre et ayant une réponse en fréquence couvrant la
largeur de bande nécessaire. La largeur de bande requise peut être calculée à partir de la vitesse maximalev qui
max
doit être mesurée à l'aide de l'équation suivante:
−6 −1
f =v � 3,16� 10 m
max max
L'interféromètre Michelson modifié peut être construit conformément à la Figure 3. Un retardateur de quart de
longueur d'onde convertit la lumière incidente à polarisation linéaire en deux faisceaux de mesure avec des états de
�
polarisation perpendiculaire et une différence de phase de 90 . Après interférence avec le faisceau de référence à
polarisation linéaire, les deux composants à polarisation perpendiculaire sont séparés dans l'espace à l'aide
d'instruments appropriés (par exemple un prisme de Wollaston ou un séparateur de faisceau polarisant) puis sont
détectés par deux photodiodes.
Légende
1 Laser
2 Polariseurs
3 Séparateur de faisceaux
4 Miroir de référence
5 Masse fictive (réflecteur de mesure)
6 Accéléromètre
7 PrismedeWollaston
8 Photodétecteurs
Figure 3 — Interféromètre laser avec sortie en quadrature
Les deux sorties de l'interféromètre Michelson modifié doivent avoir un décalage inférieur à�5% par rapport à
�
l'amplitude, un écart d'amplitude relative inférieur à�5%, et un écart inférieur à� 5 par rapport à la différence de
�
phase nominale de 90 . Afin de conserver ces tolérances, des moyens appropriés doivent être prévus pour régler le
décalage, le niveau du signal et l'angle entre les deux signaux d'interféromètre.
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Le faisceau lumineux de mesure provenant de l'interféromètre et l'axe de la barre-enclume doivent être alignés afin
de satisfaire aux exigences d'incertitude de l'article 3.
La surface inférieure plane de la barre-enclume doit être utilisée pour réfléchir le faisceau lumineux de mesure, si
l'accéléromètre est à sortie simple, ou bien la surface supérieure plane doit être utilisée si l'accéléromètre est monté
en opposition. Aucun miroir ne doit être utilisé.
Pour des valeurs de crête d'accélération élevée, il peut être nécessaire d'utiliser une grande largeur de bande. Pour
2
mesurer, par exemple, un choc d'une valeur de crête de 100 000 m/s et d'une durée de 200s (pour la forme de
l'accélération, voir 4.3), il convient de transmettre un spectre de fréquence des signaux d'interféromètre jusqu'à
32 MHz. Voir référence [6]pour les détails.
L'interféromètre Michelson (modifié) peut être remplacé par un autre interféromètre à deux faisceaux approprié, par
exemple un interféromètre Mach-Zehnder (modifié).
4.7 Oscilloscope
À moins qu'il ne fasse partie de 4.8, un oscilloscope doit être prévu pour vérifier les formes d'ondes de
l'interféromètre et des signaux de l'accéléromètre, avec une gamme de fréquences comprise entre la valeur du c.c.
et 50 MHz ou plus.
4.8 Appareil enregistreur de formes d'ondes avec interface informatique
Un appareil enregistreur de formes d'ondes avec interface informatique à conversion analogique-numérique et
mémorisation des deux sorties en quadrature de l'interféromètre et de la sortie de l'accéléromètre doit être prévu. La
définition en amplitude, la fréquence d'échantillonnage et la mémoire doivent être suffisantes pour permettre un
étalonnage dans la gamme dynamique prévue avec l'incertitude spécifiée à l'article 3. Pour les sorties du signal en
quadrature de l'interféromètre, une définition> 8 bits est suffisante. Une définition en amplitude> 10 bits est
généralement utilisée pour la sortie de l'accéléromètre. Un appareil enregistreur de formes d'ondes à deux voies
peut être utilisé pour les signaux de sortie de l'interféromètre, avec un autre appareil enregistreur de formes d'ondes
(avec une définition plus élevée et une fréquence d'échantillonnage inférieure) pour le signal de sortie de
l'accéléromètre.
2
EXEMPLE Pour étalonner un accéléromètre à une valeur de crête d'accélération de 2 500 m/s et une durée de signal de choc
de 2ms, il convient d'utiliser une fréquence d'échantillonnage> 50 MHz — une mémoire de 1 Moctet (1 mégaoctet) suffit à
couvrir les trois voies de signaux.
4.9 Ordinateur avec programme de traitement des données
Un ordinateur avec programme de traitement des données conformément au mode opératoire propre aux calculs
énoncés en 7.3 doit être prévu.
4.10 Filtres
Des filtres analogiques appliqués au signal de sortie de l'accéléromètre et aux signaux de l'interféromètre pour éviter
le repliement, et/ou pour éliminer le bruit, doivent avoir une réponse en fréquence d'amplitude et de phase
appropriée afin de satisfaire à l'incertitude acceptable de mesure (voir article 3). Cette exigence doit également être
satisfaite pour le filtrage numérique conformément aux modes opératoires de traitement des données (voir 7.3).
Pour le filtrage des signaux d'interféromètre, il convient de prendre en compte la description d'erreurs énoncée dans
la référence [6].
4.11 Autres exigences
Pour satisfaire une faible incertitude d'étalonnage (par exemple1%), il est recommandé de considérer de préférence
l'accéléromètre et l'amplificateur d'accéléromètre comme une unité et de les étalonner ensemble.
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ISO 16063-13:2001(F)
L'accéléromètre doit être d'une structure rigide. La sensibilité de la contrainte de base, la sensibilité transverse et la
stabilité de la combinaison accéléromètre/amplificateur doivent être prises en compte dans le calcul de l'incertitude
de mesure (voir l'annexe A).
Lorsqu'un accéléromètre étalon monté en opposition est étalonné, sa sensibilité (amplitude et/ou décalage de
phase) doit être mesurée avec une masse fictive équivalente à la masse du capteur à étalonner par la méthode de
comparaison (voir l'ISO 5347-4) en utilisant l'accéléromètre de référence monté en opposition. Le point de lumière
du laser peut être situé à la partie supérieure (surface extérieure) de la masse fictive ou au niveau de la surface
supérieure de l'accéléromètre étalon.
Lorsque le mouvement est détecté à la partie supérieure de la masse fictive, il convient alors que cette dernière ait
une surface supérieure optique plane et que la position du point de lumière du laser soit proche du centre
géométrique de cette surface. Lorsque le mouvement de la masse diffère de celui d'un corps rigide, le mouvement
relatif entre les surfaces supérieure (détectée) et inférieure doit être pris en considération.
Le mouvement peut également être détecté au niveau de la surface supérieure de l'accéléromètre de référence par
l'intermédiaire de perforations longitudinales dans la masse fictive.
Dans certaines machines à chocs conventionnelles utilisées pour les étalonnages de chocs par comparaison, le
mouvement de l'accéléromètre à étalonner est détecté avec la surface de base d'un accéléromètre de référence
monté en opposition, les deux accéléromètres étant montés sur une structure rigide. Dans ce cas, l'accéléromètre de
référence monté en opposition doit être étalonné en détectan
...
Questions, Comments and Discussion
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