بخش ۳۴: آزمون حساسیت در دمای ثابت

۱. دامنه کاربرد

این سند روش‌ها و تجهیزات لازم برای آزمون حسّاسیت سنسورهای ارتعاش در دماهای ثابت را توضیح می‌دهد. این دستورالعمل برای انواع سنسورهای شتاب‌سنج و سرعت‌سنج خطی قابل استفاده است.

روش‌های مشخص‌شده، شامل مقایسه با سنسور مرجع و همچنین اندازه‌گیری مطلق توسط تداخل سنج لیزری می‌شوند.

این سند برای بازه فرکانسی از 10 Hz تا 3 kHz (بسته به روش)، بازه دینامیکی از 100 m/s² تا 1 m/s² (بسته به فرکانس)، و بازه دمایی از -190°C تا 800°C (بسته به روش) کاربرد دارد. اگرچه ممکن است تمامی این بازه‌ها توسط مجموعه سیستم‌های توضیح داده‌شده حاصل شوند، اما هر سیستم به طور معمول محدودیت‌هایی در این بازه‌ها دارد.

• روش ۱  (استفاده از تداخل سنج لیزری): برای کالیبراسیون بزرگی حساسیت و فاز در بازه فرکانسی 10 Hz تا 3 KHz در دماهای ثابت مناسب است (به بند ۷ مراجعه کنید).
• روش ۲ (استفاده از سنسور مرجع درون محفظه دمایی با محدوده دمایی -70 °C تا 500 °C): برای کالیبراسیون بزرگی حساسیت و فاز در بازه فرکانسی 10 Hz تا 1 KHz در دماهای ثابت به کار می‌رود (به بند ۸ مراجعه کنید).
• روش ۳ (استفاده از سنسور مرجع خارج از محفظه): تنها برای تعیین پاسخ دمایی حساسیت مختلط در یک بازه دمایی مشخص قابل استفاده است (به بند ۹ مراجعه کنید).

یادداشت:

روش‌های ۱ و ۲ می‌توانند انحراف حساسیت مختلط را در یک بازه دمایی مشخص ارائه دهند، مشروط بر این‌که کالیبراسیون در دمای مرجع دمای اتاق 23°C±5 نیز انجام شود.

برای اطمینان از یکنواختی شرایط آزمون و استفاده، سنسور، کابل آن و تقویت‌کننده کاندیشنینگ به‌عنوان یک واحد کامل در نظر گرفته شده و به صورت یکپارچه آزمون می‌شوند.

۲. مراجع الزامی

اسنادی که در این متن به آن‌ها ارجاع شده به گونه‌ای هستند که بخشی یا تمام محتوای آن‌ها الزامات این سند را تشکیل می‌دهد. در مورد مراجع دارای تاریخ، فقط ویرایش ذکرشده کاربرد دارد. در مورد مراجع بدون تاریخ، آخرین ویرایش موجود (شامل اصلاحات) اعمال می‌شود.

• ISO 2041 – ارتعاش مکانیکی، ضربه و پایش وضعیت – اصطلاحات و تعاریف
• ISO 16063-11:1999  -روش‌هایی برای کالیبراسیون سنسورهای ارتعاش و ضربه – بخش ۱۱: کالیبراسیون اولیه ارتعاش با تداخل سنج لیزری
• ISO 16063-21:2003 – روش‌هایی برای کالیبراسیون سنسورهای ارتعاش و ضربه — بخش ۲۱: کالیبراسیون ارتعاش با مقایسه نسبت به سنسور مرجع
• ۳. اصطلاحات و تعاریف
• برای اهداف این سند، اصطلاحات و تعاریف مندرج در استاندارد ISO 2041 و همچنین تعاریف ارائه‌شده در ادامه، کاربرد دارند.

سازمان‌های ISO و IEC پایگاه‌های داده اصطلاح‌شناسی را برای استفاده در استانداردسازی در نشانی‌های زیر نگهداری می‌کنند:

• بستر مرور آنلاین ISO: https://www.iso.org/obp/
• واژه‌نامه الکتروپدیا IEC: http://www.electropedia.org/

۳.۱ پاسخ دمایی temperature response

حساسیت سنسور، در یک فرکانس مشخص، به‌عنوان تابعی از دمای پایدار آن سنسور تعیین می‌شود.

یادداشت ۱

پاسخ دمایی در فرکانس‌های مشخص‌شده، در محدوده فرکانسی نامی سنسور اندازه‌گیری می‌شود.

یادداشت ۲

به طور کلی، حساسیت یک پارامتر تابعی مختلط است و می‌توان آن را برحسب اندازه (بزرگی) و فاز بیان کرد.

۴. عدم قطعیت اندازه‌گیری

محدودیت‌های عدم قطعیت اندازه‌گیری (به صورت عدم قطعیت توسعه‌یافته) که در این سند به‌کار می‌روند به شرح زیر است:

الف) برای بزرگی حساسیت:

• هنگام استفاده از تداخل سنج لیزری (روش ۱): ۰.۵٪ از مقدار اندازه‌گیری‌شده در شرایط مرجع؛ ۱٪ از مقدار اندازه‌گیری‌شده خارج از شرایط مرجع.
• هنگام استفاده از سنسور مرجع (روش ۲): ۱٪ از مقدار اندازه‌گیری‌شده در شرایط مرجع؛ ۲٪ از مقدار اندازه‌گیری‌شده خارج از شرایط مرجع.
• هنگام استفاده از سنسور مرجع (روش ۳): ۲٪ از مقدار اندازه‌گیری‌شده در شرایط مرجع؛ ۳٪ از مقدار اندازه‌گیری‌شده خارج از شرایط مرجع.

ب) برای تغییر فاز حساسیت:

• هنگام استفاده از تداخل سنج لیزری (روش ۱): ۰.۵ درجه در شرایط مرجع؛ ۱ درجه خارج از شرایط مرجع.
• هنگام استفاده از سنسور مرجع (روش ۲): ۱ درجه در شرایط مرجع؛ ۲.۵ درجه خارج از شرایط مرجع.
• هنگام استفاده از سنسور مرجع (روش ۳): ۲ درجه در شرایط مرجع؛ ۳ درجه خارج از شرایط مرجع.

ج) شرایط مرجع پیشنهادی به شرح زیر است:

فرکانس: f = 160, 80, 40, 16 Hz

یا فرکانس زاویه‌ای: ω = 1000, 500, 250, 100 rad/s

دامنه یا مقدار RMS شتاب: 50, 20, 10, 5 m/s²

یادداشت

در عمل، ممکن است این حدود به‌دلیل ویژگی‌های ارتعاشی پایه‌ی نگهدارنده متصل به شیکر، فراتر رود. در برخی فرکانس‌ها، بسته به نیازهای کاربردی، مقادیر بالاترِ عدم قطعیت قابل‌قبول هستند.

برای انجام اندازه‌گیری‌ها در کل بازه دمایی پیشنهادی و در عین‌حال پشتیبانی برآورد عدم‌قطعیت مربوط به شتاب‌های عرضی، خمشی، زاویه‌ای، نویز و حرکت نسبی، این اندازه‌گیری‌ها باید در دمای اتاق انجام شوند؛ زیرا میله‌ی سرامیکی انتخاب‌شده باید در تمام بازه دمایی پیشنهادی صُلب و سختی مکانیکی خود را حفظ کند.

عدم قطعیت اندازه‌گیری باید مطابق با ISO 16063-11:1999، پیوست A و ISO 16063-21:2003، پیوست A ارزیابی و گزارش شود، تا سطح عدم قطعیت به‌صورت عدم قطعیت توسعه‌یافته، با ضریب پوشش ۲ یا احتمال اطمینان ۹۵٪، مستند گردد. مسئولیت اطمینان از معتبر بودن مقادیر گزارش‌شده عدم قطعیت توسعه‌یافته برعهده آزمایشگاه یا کاربر نهایی است.

۵. شرایط محیطی

فرایند کالیبراسیون باید در شرایط محیطی زیر انجام شود:

الف) دمای اتاق: 23±5 ° C

ب) رطوبت نسبی، حداکثر

۶. تجهیزات

تجهیزات معمول آزمایشگاهی و به طور خاص موارد زیر باید استفاده شوند:

۶.۱ شیکر (Vibration exciter)

شیکر، که می‌تواند به‌طور عمودی یا افقی قرار گیرد، باید برای پوشش‌دادن بازه‌های فرکانس و دینامیکی مورد نیاز به‌کار برده شود.

۶.۲ پایه‌ی نگهدارنده (Fixture)

پایه‌ی نگهدارنده باید از سرامیک قابل ماشین‌کاری ساخته شود و ویژگی‌هایی مانند رسانایی حرارتی پایین و سختی مکانیکی بالا داشته باشد.

با نصب سنسور تحت آزمون در بالای یک میله سرامیکی، این میله از شیکر، که روی آن قرار گرفته به درون محفظه دمایی امتداد می‌یابد.

برای بازتاب مناسب لیزر، سطح نصب سنسور باید نوری صیقل داده شود، یا با آینه پوشانده گردد، یا با کروم اندود شود؛ در غیر این صورت تمهید مناسب دیگری به‌کار رود.

۶.۳ محفظه دمایی (Temperature chamber)

محفظه باید دارای بازه دمایی – 190 °C از تا 800 °C باشد و به‌طور ویژه طراحی شده باشد تا دمای هوای فضای کاری (بخش محفظه که تجهیز تحت آزمون [DUT] در آن قرار دارد) با یکنواختی دمایی ±2°C در دماهای ثابت حفظ شود.

در بالای محفظه باید روزنه‌ای تعبیه و با یک پنجره اپتیکی مناسب ، بر اساس طول‌موج لیزر آب‌بندی شود.یک روزنه اضافی در کنار محفظه لازم است تا کابل‌های سنسور تحت آزمون به آمپلی‌فایر شرطی‌ساز خارجی هدایت شوند.

آب‌بندی مناسب باید به‌گونه‌ای انجام شود که دمای محفظه حفظ گردد.

طراحی تجهیز باید همچنین محل مهار کابل‌های سنسور را برای کاهش کشش و لرزش کابل‌ها در نظر بگیرد.

الزامی نیست که بازه دمایی و یکنواختی  ±2°C همیشه برقرار باشد؛ با این حال توصیه می‌شود محفظه محدوده‌ی دمایی مورد نیاز را شامل شود و در موارد لازم یکنواختی ±2°C رعایت گردد.

۶.۴ سنسور دما (Temperature sensor)

دمای هوای داخل محفظه توسط سنسور دمایی که در نزدیکی سنسور تحت آزمون قرار دارد، اندازه‌گیری و کنترل می‌شود. محل سنسور نباید روی نصب و ارتعاش سنسور اثر بگذارد.

علاوه بر سنسور کنترل، باید یک سنسور دما برای اندازه‌گیری مستقل نیز استفاده شود؛ حداقل پایداری حرارتی هوای داخل محفظه باید به‌طور جداگانه پایش شود.

۶.۵ اینترفرومتر (Interferometer)

اینترفرومتر یک ابزار اندازه‌گیری‌شناسی (Metrology) نوری فوق‌العاده دقیق است که بر اساس پدیده تداخل (Interference) امواج عمل می‌کند و برای سنجش ویژگی‌های موجی، جابجایی‌های میکروسکوپی یا تغییرات ضریب شکست محیط با دقتی در حد کسری از طول موج (اغلب در محدوده نانومتر) طراحی شده است. مکانیسم بنیادین آن این است که یک پرتو نور واحد و کوهرنت (coherent) توسط یک شکافنده پرتو (Beam Splitter) به دو پرتو مجزا تقسیم می‌شود؛ این دو پرتو مسیرهای اپتیکی متفاوتی (مسیر مرجع و مسیر اندازه‌گیری) را طی می‌کنند و هنگامی که مجدداً ترکیب می‌شوند، هرگونه اختلاف در طول مسیر اپتیکی (OPD) منجر به جابجایی فاز (Phase Shift) و تشکیل یک الگوی تداخلی (Interference Pattern) مشخص (نوارهای روشن و تاریک) می‌شود. بنابراین، با تحلیل دقیق و ریاضی این الگوهای تداخلی، می‌توان اطلاعات بسیار دقیقی در مورد پارامترهای فیزیکی نظیر طول، سرعت، ضریب شکست، و حتی اعوجاج‌های سطح اپتیکی به دست آورد؛ از کاربردهای برجسته آن می‌توان به کالیبراسیون دقیق ابزارها، اندازه‌گیری‌های تلسکوپی نجومی و آشکارسازی ام گرانشی (مانند پروژه LIGO) اشاره کرد.

۶.۶ سنسور مرجع (Reference transducer)

به‌همراه آمپلی‌فایر شرطی‌ساز، سنسور مرجع باید طبق بند ۷ با عدم قطعیت مستند کالیبره شود (برای روش ۲) و با روش اولیه یا مقایسه‌ای، با عدم قطعیت مستند، کالیبره گردد (برای روش ۳). در روش ۳، تأثیر دما بر سنسور مرجع نباید بیشتر از 0.5%± ناپایدار باشد.

سایر تجهیزات (مانند ابزارآلات ثبت و جمع‌آوری داده) باید مطابق با بند ۳ استاندارد  ISO 16063-11:1999برای روش ۱ و مطابق با بند ۴ استاندارد ISO 16063-21:2003 برای روش‌های ۲ و ۳ انتخاب و استفاده شوند.

۷. روش ۱: تعیین حساسیت مختلط با استفاده از تداخل سنج لیزری

۷.۱ کلیات

این سامانه آزمون عمدتاً شامل یک شیکر، مجهز به پایه‌ی نگهدارنده ویژه برای نصب سنسور، یک محفظه دمایی، و یک تداخل سنج لیزری است؛ شکل ۱ را ببینید.

کلید

1 — شیکر (Vibration exciter) ‏(عمودی یا افقی)

2 — پایه‌ی نگهدارنده (Fixture) ‏(میله سرامیکی)

3 — سنسور تحت آزمون (Transducer under test)

4 — محفظه دمایی (Temperature chamber)

5 — سنسور کنترل دما (Control temperature sensor)

6 — تداخل‌سنج لیزری (Interferometer)

7 — سنسور اندازه‌گیری دما (Measure temperature sensor)

شکل ۱ — سامانه آزمون با استفاده از تداخل سنج لیزری

هنگام انجام آزمون با تداخل سنج لیزری، می‌توان خطای تابع تبدیل پایه‌ی نگهدارنده را نادیده گرفت و پاسخ فرکانسی حساسیت مختلط سنسور تحت آزمون را در یک بازه فرکانسی مشخص و در دمای ثابت تعیین نمود.

تداخل‌سنج لیزری باید طوری نصب شود که بتواند دامنه‌ی ارتعاش قسمت بالایی میله‌ی سرامیکی را، درست در نزدیکی محل نصب سنسور تحت آزمون، اندازه‌گیری کند.

برای کاهش خطاهای ناشی از خمش، واژگونی و حرکت عرضی، لازم است چندین اندازه‌گیری در اطراف پایه سنسور تحت آزمون انجام شود و میانگین نتایج برای محاسبه شتاب مورد استفاده قرار گیرد.

۷.۲ روش

۷.۲.۱ رویه آزمون

تجهیزات را مطابق شکل ۱ نصب کنید.

سنسور تحت آزمون بر اساس گشتاور پیشنهادی در دفترچه‌ی راهنمای سازنده و در شرایط محیطی استاندارد نصب می‌شود. انجام آزمون در این شرایط، امکان مقایسه‌ی حساسیت مختلط سنسور را با مقادیر آن در دماهای دیگر فراهم می‌کند.

دمای محفظه را روی مقدار مشخص‌شده تنظیم کنید. هنگامی که دمای اندازه‌گیری‌شده توسط سنسور دما به مقدار تنظیم‌شده رسید، این دما را حفظ کنید تا سنسور تحت آزمون به پایداری حرارتی برسد (پیوست A را ببینید). پایداری دما در محدوده ±2°C توصیه می‌شود. سپس فرکانس آزمون را تنظیم کرده، دامنه شیکر، را روی سطح معین قرار دهید و حساسیت مختلط را با استفاده از تداخل سنج لیزری اندازه‌گیری کنید.

برای تعیین پاسخ فرکانسی حساسیت مختلط، چندین فرکانس آزمون مورد نیاز است. سپس دما را تغییر دهید و رویه‌ی فوق را تکرار کنید. نهایتاً می‌توان پاسخ دمایی سنسور تحت آزمون را به دست آورد.

یادداشت

پایداری دما در محدوده ±2°C الزامی نیست، با این حال در مواردی که حساسیت سنسور در نزدیکی یک دمای خاص تغییر زیادی دارد، به‌ویژه در دماهای بسیار بالا یا بسیار پایین، مقادیر مجاز بزرگ‌تر می‌توانند موجب افزایش عدم قطعیت شوند (پیوست B را ببینید).

طرح سامانه باید همچنین اطمینان دهد که هیچ‌گونه میعان یا یخ‌زدگی روی شیشه روزنه و سطح بازتابنده میله سرامیکی ایجاد نشود که بتواند اندازه‌گیری دامنه توسط تداخل سنج لیزری را دچار خطا کند.

برای بازه‌های دمایی شامل دماهای مثبت و منفی، بهتر است ابتدا آزمون دماهای مثبت انجام شود، سپس محفظه خشک گردد و آزمون دماهای منفی انجام گیرد تا از تشکیل یخ و برفک جلوگیری شود.

۷.۲.۲ بیان نتایج

چنانچه از روش شمارش نوارهای تداخلی استفاده شود، بزرگی حساسیت S_t​ را مطابق بند ۷.۳ در استاندارد 16063-11:1999  ISO محاسبه کنید. به این ترتیب می‌توان بزرگی  S_tسنسور را را در فرکانس انتخابی یا پاسخ فرکانسی آن در یک دمای ثابت به دست آورد.

چنانچه از روش تقریب سینوسی استفاده شود، بزرگی حساسیت S_t، و تغییر فاز Δ_φt ، را مطابق بند 9.4 استاندارد ISO 16063-11:1999  محاسبه کنید.

اگر داده‌های آزمون در دمای اتاق موجود باشد، می‌توان تغییر حساسیت مختلط سنسور را برحسب دما محاسبه کرد و نتایج را به‌صورت منحنی پاسخ دمایی سنسور نمایش داد.

یادداشت ۱

بازه فرکانسی آزمون می‌تواند از   یا حتی بالاتر باشد، بسته به محدوده کاری شیکر،، جرم پایه‌ی نگهدارنده و سنسور تحت آزمون و غیره.

یادداشت ۲

به جای اینترفرومتر، می‌توان از لیزر ویبرومتر به‌عنوان مرجع کالیبراسیون استاندارد استفاده کرد. برای تعیین حساسیت مختلط در شرایط دمای ثابت، از دو روش شمارش نوارهای تداخلی  (fringe-counting)و تقریب سینوسی  (sine-approximation) استفاده می‌شود.

روش شمارش نوارهای تداخلی برای آزمون بزرگی حساسیت در بازه فرکانسی کاربرد دارد؛ این روش را می‌توان برای فرکانس‌های بالاتر نیز به کار برد، مشروط بر این‌که خطای کوانتیزاسیون با تدابیر ویژه حذف شود.

روش تقریب سینوسی برای آزمون بزرگی حساسیت و تغییر فاز در بازه فرکانسی  قابل استفاده است. برای جزئیات بیشتر به استاندارد ISO 16063-11:1999 مراجعه کنید.

۷.۲  روش 1

۷.۲.۱ دستورالعمل اجرایی (رویه) آزمون

تجهیزات را مطابق با شکل ۱ نصب کنید.

سنسور تحت آزمون در شرایط محیطی و با استفاده از گشتاور توصیه‌شده در دفترچه راهنمای سازنده نصب می‌شود. آزمون در این شرایط امکان مقایسه حساسیت مختلط سنسور را در سایر دماها فراهم می‌کند.

دمای محفظه را روی مقدار مشخص تنظیم کنید. هنگامی که دمای اندازه‌گیری‌شده توسط سنسور دما به مقدار تعیین‌شده رسید، این دما را حفظ کنید تا سنسور تحت آزمون به پایداری حرارتی برسد (پیوست A را ببینید). پایداری دما در محدوده2°C ± توصیه می‌شود. سپس فرکانس آزمون را تنظیم کرده، دامنه شیکر، را روی سطح مشخصی قرار دهید و حساسیت مختلط را با تداخل سنج لیزری اندازه‌گیری کنید.

برای تعیین پاسخ فرکانسی حساسیت مختلط، لازم است چندین فرکانس آزمون انجام شود. سپس دما را تغییر داده و دستورالعمل اجرایی آزمون فوق را تکرار کنید. در نهایت، می‌توان پاسخ دمایی سنسور تحت آزمون را به دست آورد.

یادداشت – پایداری حرارتی در محدوده2°C ± اجباری نیست، ولی در مواردی که حساسیت سنسور در نزدیکی یک دما (به‌ویژه در دماهای بسیار بالا یا پایین) تغییر زیادی دارد، محدوده‌های دمایی بزرگ‌تر می‌تواند باعث افزایش عدم قطعیت شود (پیوست B را ببینید).

طرح سامانه (کل ست‌آپ آزمایش) باید به گونه‌ای باشد که از ایجاد میعان یا یخ‌زدگی روی شیشه روزنه و سطح بازتابنده میله سرامیکی جلوگیری کند، چرا که این پدیده‌ها می‌توانند بر اندازه‌گیری دامنه توسط تداخل سنج لیزری اثر منفی بگذارند.

برای بازه‌های دمایی که شامل دماهای مثبت و منفی می‌شوند، بهتر است ابتدا آزمون دماهای مثبت انجام شود، سپس محفظه خشک گردد و آزمون دماهای منفی انجام گیرد تا از تشکیل یخ و برفک جلوگیری شود.

۷.۲.۲ بیان نتایج

اگر از روش شمارش نوارهای تداخلی استفاده شود، بزرگی حساسیت S_t​ را طبق بند ۷.۳ استاندارد ISO 16063-11:1999 محاسبه کنید. بدین ترتیب می‌توان بزرگیS_t ​ سنسور را در فرکانس انتخابی یا پاسخ فرکانسی آن در یک دمای ثابت به دست آورد.

چنانچه از روش تقریب سینوسی استفاده شود، بزرگی حساسیت  S_t ​ و تغییر فاز Δ_φt​ را مطابق بند ۹.۴ استاندارد ISO 16063‑11:1999  محاسبه کنید. به این ترتیب می‌توان بزرگی S_t ​و تغییر فاز  Δ_φt  ​سنسور را در فرکانس انتخابی یا پاسخ فرکانسی آن را در یک دمای ثابت به‌دست آورد.

اگر داده‌های آزمون در دمای اتاق موجود باشد، تغییر حساسیت مختلط نسبت به دما را محاسبه کنید. نتایج می‌تواند به‌صورت منحنی پاسخ دمایی سنسور ارائه شود.

یادداشت ۱

بازه فرکانسی آزمون می‌تواند از  یا حتی بالاتر باشد، بسته به محدوده کاری شیکر، جرم پایه‌ی نگهدارنده و سنسور تحت آزمون و غیره.

یادداشت ۲

به جای اینترفرومتر، می‌توان از لیزر ویبرومتر به عنوان مرجع استاندارد استفاده نمود.

۸ روش ۲ – مقایسه با سنسور مرجع

۸.۱ کلیات

این سامانه آزمون اساساً شامل یک ارتعاش‌ساز، یک محفظه دمایی و یک سنسور مرجع است. روش مشخص‌شده اجازه می‌دهد که سنسور مرجع و سنسور تحت آزمون به‌صورتی مناسب روی پایه‌ی نگهدارنده داخل محفظه دمایی نصب شوند؛ به شکل ۲ نگاه کنید.

این روش محدود به بازه‌های فرکانس و دمایی شناخته‌شده‌ی سنسورمرجع است.

این روش برای آزمون حساسیت مختلط سنسور، در بازه فرکانسی  و بازه دمایی ۷۰‑ درجه سلسیوس تا ۵۰۰ درجه سلسیوس کاربرد دارد.

کلید اجزاء

۱ — شیکر، (عمودی یا افقی)

۲ — پایه‌ی نگهدارنده (میله سرامیکی)

۳ — سنسور تحت آزمون

۴ — سنسور مرجع

۵ — محفظه دما

۶ — سنسور کنترل دما

۷ — سنسور اندازه‌گیری دما

شکل ۲ — سامانه آزمون با سنسور مرجع داخل محفظه دما

۸.۲ روش

۸.۲.۱ رویه آزمون

تجهیزات را مطابق شکل ۲ الف) نصب کنید.

در شرایط محیطی، سنسور تحت آزمون و سنسور مرجع را، بسته به نیاز، یا به‌صورت کنار هم ‌(شکل ۲‑الف) یا پشت به پشت ‌(شکل ۲‑ب)، روی بالای پایه‌ی نگهدارنده نصب می‌کنند. این کار باید با گشتاور بستن توصیه‌شده انجام شود تا اتصال مکانیکی پایدار و بدون خطا باشد. سنسور تحت آزمون در داخل محفظه دما قرار می‌گیرد، به‌گونه‌ای که فقط پایه‌ی نگهدارنده و سنسور مرجع در خارج از محفظه باشند؛ یا در شرایط خاص اندازه‌گیری، می‌توان هر دو سنسور را در داخل محفظه دما قرار داد.

دمای محفظه را روی مقدار مشخص تنظیم کنید و اجازه دهید سنسور تحت آزمون به تعادل حرارتی برسد (رجوع شود به پیوست A). شیکر، را روی فرکانس و دامنه موردنظر برای آزمون تنظیم نمایید.

سیگنال‌های خروجی هر دو سنسور را به‌طور هم‌زمان، با استفاده از یک سامانه اخذ داده دوکاناله یا سامانه معادل، ثبت کنید. این اندازه‌گیری‌ها را برای دماها و فرکانس‌های موردنیاز، بر اساس برنامه آزمون، تکرار کنید.

۸.۲.۲ بیان نتایج

حساسیت مختلط سنسور تحت آزمون (DUT)  را با گرفتن نسبت سیگنال خروجی آن به سیگنال خروجی سنسور مرجع و ضرب نتیجه در حساسیت مختلط شناخته‌شده سنسور مرجع محاسبه کنید.

در صورتی که داده‌های کالیبراسیون سنسور مرجع در فرکانس آزمون موجود باشد، از آن‌ها مستقیماً استفاده کنید. در صورت نیاز، داده‌های مرجع را بین فرکانس‌های کالیبره‌شده با استفاده از درون‌یابی محاسبه نمایید.

پاسخ دمایی سنسور تحت آزمون را به‌صورت نمودار بزرگی حساسیت و، در صورت اندازه‌گیری، تغییر فاز بر حسب دما ترسیم کنید.

یادداشت

در صورتی که مسیر انتقال ارتعاش از شیکر به سنسور مرجع و سنسور تحت آزمون از نظر امپدانس مکانیکی یکسان نباشد، عدم‌قطعیت اضافی ایجاد می‌شود. لازم است اتصال مکانیکی صلب و متقارن باشد تا خطاهای اندازه‌گیری کاهش یابد.

۹ روش ۳: تعیین حساسیت مختلط با استفاده از سنسور مرجع خارج از محفظه دما

۹.۱ کلیات

این آزمون باید علاوه بر یک کالیبراسیون مقایسه‌ای انجام شود، زیرا تغییر حساسیت مختلط را نسبت به دمای اتاق ارزیابی می‌کند. سامانه آزمون شامل یک شیکر، مجهز به پایه‌ی نگهدارنده طراحی‌شده ویژه است (به شکل ۳ مراجعه شود).

این روش برای تعیین تغییر کالیبراسیون حساسیت مختلط در بازه فرکانسی  و دامنه دمایی از قابل‌اجرا است.

از آنجا که خطاهای تابع انتقال پایه‌ی نگهدارنده جبران نشده و نسبت‌های انتقال با فرکانس تغییر می‌کنند، حساسیت به‌دست‌آمده متناسب با نسبت انتقال است. بنابراین نتایج فقط می‌توانند به‌صورت تغییر حساسیت مختلط بر حسب دما، در فرکانس انتخاب‌شده، بیان شوند.

• شیکر (تولید کننده ارتعاش) منبع اصلی ارتعاش که انرژی لازم برای آزمون را فراهم می‌کند.
• سنسور مرجع شتاب (Reference Accelerometer) سنسور کالیبره شده‌ای که حرکت واقعی ورودی به بلوک کوپلینگ را با دقت بسیار بالا اندازه‌گیری می‌کند.
• بلوک کوپلینگ / بلوک حرارتی (Coupling/Thermal Block) پلتفرم/فیکسچری که سنسور تحت آزمون (4) روی آن نصب می‌شود و دما را به آن منتقل می‌کند.
• سنسور تحت آزمون (SUT) همان سنسوری که برای تعیین حساسیت در دماهای مشخص، مورد کالیبراسیون قرار می‌گیرد.
• محفظه/عایق حرارتی (Thermal Chamber/Furnace) ساختار عایق‌بندی شده که دما را در اطراف سنسور (4) و بلوک (3) به صورت دقیق کنترل می‌کند.
• سنسور/ترمومتر کنترل دما پروبی که دمای محفظه (5) را می‌خواند و برای تنظیم حلقه کنترلی (PID) کوره‌ استفاده می‌شود.
• سنسور/ترمومتر اندازه‌گیری مرجع دما پروب دقیق (مثل PRT) که برای ثبت نهایی و تأیید دمای محیط آزمون به کار می‌رود.

شکل ۳ — سامانه‌ی آزمون با یک مبدل مرجع در خارج از محفظه‌ی دما

۹.۲ روش

۹.۲.۱ رویه آزمون

تجهیزات را مطابق شکل ۳ نصب کنید.

ابتدا، سنسور را در دمای اتاق، در داخل محفظۀ دما و با مقایسه با سنسور مرجع، مورد آزمون قرار دهید. حساسیت – ضریب کالیبراسیون S₀ – سنسور و تغییر فاز  φ₀  بین خروجی سنسور تحت آزمون و سنسور مرجع را، در فرکانس‌ها و دامنه‌های مشخص، ثبت کنید.

سپس دمای محفظه را روی مقدار تعیین‌شده تنظیم نمایید. هنگامی که دما به مقدار تنظیم‌شده رسید، این دما را تا زمانی که سنسور تحت آزمون به پایداری حرارتی برسد، حفظ کنید (رجوع شود به پیوست A). توصیه می‌شود پایداری حرارتی در محدوده باشد.

فرکانس‌ها و دامنه‌ها را مانند مرحله قبلی تنظیم کرده و حساسیت (ضریب کالیبراسیون S_t​) سنسور تحت آزمون و تغییر فاز φ_t ​ بین خروجی سنسور تحت آزمون و سنسور مرجع را، در دمای آزمون، اندازه‌گیری کنید.

دمای محفظه را تغییر داده و این رویه را تکرار کنید. در این حالت، می‌توان پاسخ دمایی حساسیت مختلط را به‌دست آورد.

بیان نتایج

۱. تغییر نسبی حساسیت (Sensitivity Deviation)

تغییر نسبی حساسیت سنسور تحت آزمون S_rel به‌صورت درصدی از انحراف ضریب کالیبراسیون در دمای آزمون نسبت به دمای مرجع (دمای اتاق)، در یک فرکانس و دامنه‌ی مشخص، طبق رابطه‌ی (۱) محاسبه می‌شود:

رابطه (۱)

که در آن:

Srel​: تغییر نسبی حساسیت (برحسب درصد).
KT​: ضریب کالیبراسیون سنسور تحت آزمون در دمای آزمونT (برحسب V/(m/s2)).
Kref: ضریب کالیبراسیون سنسور تحت آزمون در دمای مرجع (Tref​) یا دمای اتاق (برحسب V/(m/s2)).

دامنه‌ها، فرکانس‌ها و دماهای ترجیحی

دامنه‌ها، فرکانس‌ها و دماهای ترجیحی را می‌توان از مجموعه‌های زیر انتخاب کرد، به‌طوری‌که حداقل در شش سطح، کل بازه دمایی و فرکانسی سنسور را به‌طور یکنواخت بپوشاند:

الف) دامنه (شتاب)، بر حسب متر بر مجذور ثانیه:

1، 2، 5، 10 و مضارب دهگان آن‌ها

ب) فرکانس، بر حسب هرتز:

10، 16، 20، 40، 80، 160، 315، 630، 1000، 1250، 1600، 2000، 2500، 3000

پ) دما، بر حسب درجه سلسیوس:

190-،150-، 120-، 100-، 70-، 50-، 40-، 25-، 10-، 5-، 0، 5، 15، 40، 70، 100، 155، 200، 300،400، 500، 600، 700، 800

توجه ویژه باید به فرآیندهای گرمایش و سرمایش معطوف شود. افزایش بیش از حد دما (Temperature overshoot) نباید بیش از  بالاتر از دمای تنظیم‌شده در بیشترین (یا کمترین) دمای کاری سنسور باشد.

دمای محفظه باید به‌طور تدریجی و همراه با تغییر تدریجی دمای سنسور افزایش یا کاهش یابد.

در پایان آزمون حساسیت دمایی، سنسور تحت آزمون باید به‌آرامی به دمای محیط بازگردانده شود. پس از یک دوره استراحت مناسب، دستگاه باید دوباره کالیبره شود تا اطمینان حاصل شود که یا حساسیت اصلی آن در دمای محیط بازگشته است یا تغییری دائمی در حساسیت ایجاد نشده است.

برای برخی سنسورها، بازیابی کامل ممکن است بیش از یک روز طول بکشد.

در مواردی که یک میله سرامیکی رابط بین شیکر و محفظه دما استفاده می‌شود، باید دقت شود از آزمون در فرکانس‌هایی که جابجایی عرضی بالای میله رخ می‌دهد، اجتناب گردد.

11 گزارش آزمون

حداقل اطلاعاتی که باید در گزارش آزمون قید شود:

— ارجاع به این سند، یعنی ISO 16063-34:2019؛

— روش استفاده‌شده؛

— نتایج، همراه با اشاره به بند مربوط، که نحوه محاسبه نتایج را توضیح می‌دهد، شامل:

• مقادیر دماهای آزمون، فرکانس‌ها و دامنه‌های ارتعاش؛
• مقادیر حساسیت مختلط یا پاسخ دمایی؛
• عدم قطعیت گسترده اندازه‌گیری (شامل عدم قطعیت دمایی، در صورت امکان)، و ضریب k در صورتی که متفاوت از k = 2 باشد؛

— هرگونه انحراف از رویه آزمون؛

— هرگونه ویژگی غیرعادی مشاهده‌شده؛

— تاریخ انجام آزمون؛

— شرایط و مشخصات زیر:

• شرایط محیطی:

دمای محیط؛

رطوبت نسبی؛

هر شرایط محیطی خاص دیگر که ممکن است بر نتایج اثر بگذارد (مثلاً جریان هوا محسوس، تغییر دمای محیط در طی آزمون و غیره)؛

• مشخصات تجهیزات و تنظیمات:

نوع و شماره سریال سنسور تحت آزمون؛

نوع و شماره سریال سنسور مرجع؛

• مشخصات و شماره سریال شیکر (شیکر) و هر تقویت‌کننده/تقسیم‌کننده مورد استفاده؛
• مشخصات و شماره سریال دستگاه‌های اندازه‌گیری (آمپلی‌فایر، سنسور، آنالایزر فرکانس/فاز، فلکس‌متری و غیره)؛
• شرح اتصال مکانیکی بین سنسورها و شیکر (نوع رابط، طول و جنس میله رابط، نحوه بسته‌شدن و تقارن اتصال)؛
• هندسه و مشخصات محفظه دما (در صورت استفاده)؛
• روش نگهداری و تنظیم دما (کنترل‌کننده دما، سنسور مرجع و موقعیت آن نسبت به سنسور)؛
• پارامترهای عملیاتی:
• دامنه‌ها و فرکانس‌های آزمون استفاده‌شده؛
• توالی گرمایش/ سرمایش و زمان‌های نهان/ پایداری دما در هر گام؛
• مدت زمان هر اندازه‌گیری در هر شرایط دمایی؛
• تعداد تکرارها و میانگین‌گیری یا روش‌های آماری استفاده‌شده؛
• هر فیلتراسیون، همگام‌سازی یا پردازش سیگنال انجام‌شده پیش از محاسبه حساسیت یا فاز؛
• محاسبات و نتایج:

معادلات و روش‌های به‌کاررفته برای محاسبه حساسیت مختلط، تغییر نسبی حساسیت و تغییر فاز (اشاره به روابط و تعاریف مورد استفاده)؛

• نتایج خام و پردازش‌شده (جداول و/ یا نمودارهای پاسخ دمایی شامل بزرگی حساسیت و تغییر فاز بر حسب دما)؛
• مقدار و منشأ اجزاء عدم قطعیت (مولفه‌های سازنده عدم قطعیت) و نحوه تجمیع آن‌ها تا عدم قطعیت گسترده؛
• ملاحظات اضافی:

هر نشانه از تغییر دائمی در حساسیت یا آسیب به سنسور پس از بازگشت به دمای محیط؛

زمان لازم جهت بازیابی کامل حساسیت (در صورت مشاهده)؛

هر توصیه یا محدودیت عملی مرتبط با نتیجه آزمون (مثلاً دماها یا فرکانس‌هایی که باید اجتناب شوند)؛

— امضا یا نام آزمون‌کننده و نهادی که آزمون را انجام داده است؛

— تاریخ و نسخه گزارش.

پیوست A

(اطلاع‌رسانی)

تعیین زمان دستیابی به دمای نقطهی تنظیم برای یک تجهیز تحت آزمون

هنگام آزمون در دماهای ثابت، امکان نصب مستقیم سنسور دما بر روی تجهیز تحت آزمون (DUT) وجود ندارد. بنابراین، قبل از انجام آزمون برای تعیین مدت زمانی که DUT نیاز دارد تا به دمای نقطهی تنظیم و پایداری برسد، باید این زمان مشخص شود. برای این کار می‌توان از یک مبدل ساختگی (Dummy Transducer) با ابعادی تقریباً مشابه DUT استفاده کرد. DUT را با مبدل ساختگی جایگزین کرده و سنسور دما را با استفاده از پیچ نصب یا بستن با سیم، روی آن ثابت کنید؛ مطابق شکل A.1.

کلید شکل:

سنسور شبیه‌ساز (Dummy Transducer)  این یک ماکت مکانیکی از سنسور اصلی تحت آزمون (SUT) است. حاوی هیچ عنصر حسگری فعال نیست، اما جرم، هندسه، ضریب انبساط حرارتی و رابط نصب (مثلاً مواد تیتانیوم یا فولاد ضد زنگ) آن دقیقاً با SUT واقعی یکسان است. وظیفه اصلی آن، تعیین زمان پایداری حرارتی است. ابتدا دامی را در بلوک قرار می‌دهند تا از رسیدن به شرایط ایزوترمال (دمای یکنواخت و پایدار) اطمینان حاصل شود و پس از آن، سنسور اصلی برای انجام آزمون نصب می‌شود تا از شوک حرارتی به قطعه حساس جلوگیری شود.

سنسور اندازه‌گیری دما (Measure Temperature Sensor)  این سنسور به عنوان استاندارد مرجع دماسنجی عمل می‌کند (معمولاً یک PRT کلاس A یا ترموکوپل‌های بسیار دقیق کالیبره شده). برخلاف سنسور کنترل، داده‌های این پروب مستقیماً به سیستم جمع‌آوری داده وصل شده و دمای نهایی و تأیید شده محفظه آزمون را ثبت می‌کند که در گواهی کالیبراسیون ذکر خواهد شد. مکان قرارگیری آن باید بسیار نزدیک به محل اتصال SUT باشد تا دمای واقعی حسگر را منعکس کند.

نگهدارنده (میله سرامیکی) (Ceramic Rod Holder) این قطعه یک جداکننده حرارتی و مکانیکی حیاتی است. معمولاً از جنس سرامیک‌های با خلوص بالا (مثل آلومینا یا زیرکونیا) ساخته می‌شود که رسانایی حرارتی بسیار پایینی دارند و در دماهای بالا پایداری ساختاری خود را حفظ می‌کنند. وظیفه اصلی آن، به حداقل رساندن انتقال حرارت از محفظه داغ (5) به شیکر (1) است تا دقت کالیبراسیون حفظ و شیکر از آسیب حرارتی محافظت شود.

سنسور کنترل دما (Control Temperature Sensor) این یک سنسور دما است که وظیفه دارد به صورت پیوسته دمای داخلی محفظه (5) را بخواند و این داده‌ها را به کنترل‌کننده PID کوره فیدبک دهد. هدف آن تنظیم خودکار و دینامیک جریان برق به المنت‌های حرارتی است تا محفظه بتواند با حداقل نوسان (معمولاً در حد چند میلی‌کلوین) در نقطه تنظیم شده پایدار بماند.

محفظه دما (Temperature Chamber) این فضای کنترل‌شده با عایق حرارتی بالا است که شامل المنت‌های گرمایشی (و شاید سرمایشی) است. طراحی آن به گونه‌ای است که شرایط ایزوترمال را در اطراف بلوک کوپلینگ (3) و سنسور تحت آزمون (4) ایجاد کند. کارکرد آن فراهم کردن شرایط محیطی است که اجازه می‌دهد حساسیت سنسور به عنوان تابعی از تغییرات دمایی (Temperature Sensitivity Shift) اندازه‌گیری و مشخص شود.

شکل A.1 — سیستم آزمون برای تعیین زمان رسیدن به دما با استفاده از سنسور شبیه ساز

دمای محفظه را روی مقدار موردنظر T₀​ تنظیم کنید.

به‌محض اینکه دمای اندازه‌گیری‌شده توسط حسگر دما به محدوده تلرانس دمایی رسید، این زمان را به‌عنوان T₁​ ثبت کنید.

دمای محفظه را در همین مقدار حفظ کرده و خروجی حسگر دما را پایش کنید تا زمانی که DUT به محدوده مجاز پایداری حرارتی برسد.

این زمان را به‌عنوان T₂​ ثبت کنید.

فاصله زمانی بین T₂ و  T₁​ به‌عنوان زمان دستیابی به دمای تنظیم‌شده برای DUT در نظر گرفته می‌شود (به شکل A.2 مراجعه کنید).

این فرآیند را می‌توان با روش فوق برای هر دمای موردنظر تکرار کرد.

ترجمه‌ی بخش‌های پایانی ضمیمه A (شکل A.2 — منحنی‌های افزایش دما و کلید عناصر)

کلید:

T- دما

– دمایی که باید کنترل شود (temperature to be controlled)

t – زمان

– زمان رسیدن به محدوده تلرانس دمای سنسور کنترل (reached tolerance time of control temperature sensor)

– زمان رسیدن به محدوده تلرانس دمای سنسور اندازه‌گیری (reached tolerance time of measure temperature sensor)

a – منحنی اندازه‌گیری‌شده توسط سنسور کنترل دما (Curve measured by the control temperature sensor)

b – منحنی اندازه‌گیری‌شده توسط سنسور اندازه‌گیری دما (Curve measured by the measure temperature sensor)

ضمیمه B (اطلاعی)

ارزیابی عدم قطعیت ناشی از تلرانس مجاز دما

بیان حساسیت S_t در یک دمای ثابت نشان‌دهندهی این قصد است که آزمون باید در مقدار دمایی اعلام‌شده انجام شود. هدف از بیان تلرانس مجاز دما، در نظر گرفتن اثرات زیر است:

• دشواری در تنظیم بعضی وسایل تنظیم‌کننده و رانش (تغییر تدریجی ناخواسته) آن‌ها در طول آزمون؛
• خطاهای دستگاهی؛
• رانش دما در فضای کاری که ناشی از همرفت است.

این تلرانس‌ها به‌منظور ایجاد آزادی عمل در تنظیم دما داخل فضای کاری منظور نشده‌اند. بنابراین تلرانس‌های دما می‌توانند منجر به عدم قطعیت در حساسیت اندازه‌گیری‌شده شوند.

زمانی که یک دمای ثابت به‌صورت مقدار مشخص با تلرانس  بیان می‌شود، باید دستگاه آزمون طوری تنظیم گردد که مقدار هدف  را حفظ کند. سنسور تحت آزمون در دمای  کالیبره می‌شود و حساسیت مرجع  به‌دست می‌آید. پس از آن، تنظیم باید به‌منظور حفظ مقادیر هدف (  − ΔT) و ( ) انجام شود و کالیبراسیون در آن دو دما انجام شود. حساسیت‌های سنسور S_– و S₊ به‌دست می‌آیند؛ شکل B.1 را ببینید.

کلید (Key):

T — دما

T₀​ — دمای کنترل‌شده

T0 + — دمای بالایی

T0 – — دمای پایینی

S — حساسیت

S₀​ — حساسیت در T₀

S₊— حساسیت در T_{0 +}

S_–— حساسیت در T_{0 –}

شکل B.1 — منحنی پاسخ دمایی

در این حالت باید تنها کران‌ها (S₊ و S_–) برای St تعیین شوند، به‌ویژه تا این‌که بتوان احتمال این‌که مقدار S_t داخل بازهی S- تا S₊ قرار دارد را برابر با یک دانست. S_t را می‌توان فرض کرد که توزیع مستطیلی تقریباً متقارن دارد. سپس عدم قطعیت استاندارد مربوطه برابر است با    درحالی‌که  است.

عدم قطعیت استاندارد نسبی برابر است با u_rel(s_t)=u(s_t)/s₀

بهترین برآورد s_i از S_t باید به‌صورت S₀ گرفته شود که از اندازه‌گیری‌های تکراری به‌دست آمده است.

یادداشت

به‌طور کلی، حساسیت شامل اطلاعات دامنه و فاز نیز می‌باشد.