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1、MH8m中华人民共和国国家计量技术规范弹性波超前地质预报仪校准规范CalibrationSpecificationforElasticWaveAdvancedGeologicalPredictionEquipment（征求意见稿）2o*一*发布国家市场监督管理总局发布弹性波超前地质预报仪校准规范CalibrationSpecificationforElasticWaveAdvancedGeologicalPredictionEquipment归口单位：全国振动冲击转速计量技术委员会主要起草单位：XXXXXXXXXXXX参加起草单位：本规范委托全国振动冲击转速计量技术委员会负责解释本规范主要起草
2、人：(XXXXXX)XXX(XXXXXX)(XXXXXX)参加起草人：(XXXXXX)XXX(XXXXXX)(XXXXXX)XXX(XXXXXX)目录引言II1范围12引用文件13术语和计量单位13. 1术语13.2计量单位错误!未定义书签。4概述15计量特性25.1 预报仪时间相对误差25.2 分析仪时间相对误差25.3 通道隔离度25.4 测长误差；25.5 幅值一致性25.6 6横向振动比26校准条件26.1 校准条件26.2 校准用测量设备27校准项目和校准方法37.1功能性检查37.2 分析仪时间相对误差37.3 预报仪时间相对误差47.4 通道隔离度57.5 测长误差67.6 幅值
3、一致性67.7 横向振动比78校准结果表达79复校时间间隔8附录A9分析仪时间相对误差测量结果的不确定度评定（示例）9附录B15弹性波超前地质预报仪校准原始记录（推荐）15附录C16校准证书内页参考格式16引言本规范按照JJFlO71-2010国家计量校准规范编写规则、JJF1059.1-2012测量不确定度评定与表示和JJFIOol-2011通用计量术语及定义进行制定。本规范为首次制定。弹性波超前地质预报仪校准规范1范围本规范适用于（101500）HZ范围的弹性波超前地质预报仪（以下简称“预报仪”）的校准。2引用文件本规范引用下列文件：JJG134磁电式速度传感器JJG298标准振动台JJG
4、676测振仪JJG834动态信号分析仪JJG990声波检测仪凡是不注日期的引用文件,其最新版本（包括所有的修改单）适用于本规范。3术语和计量单位3.1 术语3.1.1 弹性波elasticwave当某处物质粒子离开平衡位置，即发生应变时，该粒子在弹性力的作用下发生振动，同时又引起周围粒子的应变和振动，这样形成的振动在弹性介质中的传播过程称为“弹性波3.1.2 超前地质预报advancedgeologicalpredication采用物探、钻探等手段，对隧道开挖面前方的地质条件进行探测、分析与评价的活动。3.1.3 横向振动比IateraIVibratiOnraliO横向振动比是一个用于衡量三分
5、量检波器在受到横向振动影响时，其非振动方向轴（y轴和Z轴）上信号的相互干扰和稳定性的指标。4概述弹性波超前地质预报仪用于交通行业中探测隧道开挖面前方围岩结构的变化及地质灾害情况。预报仪建立在弹性波和波阻抗理论基础上，不同地质情况会出现波阻抗差异，通过振源发出机械波，接收遇到波阻抗差异反射的有效波，分析其形成的时域/频域曲线，以此来探测、分析与评价前方地质情况。预报仪主要由振源、检波器和分析仪组成，分析仪中自带有数据采集软件。结构示意图如图1所示。图1预报仪结构示意图5计量特性5.1 预报仪时间相对误差；5.2 分析仪时间相对误差；5.3 通道隔离度（参考JJG9902004声波检测仪的5.7条
6、款）；5.4 测长误差；5.5 幅值一致性；5.6 横向振动比。6校准条件6.1 校准条件环境温度：（235）；相对湿度：不大于85%；振动台安放牢固，必要时需采取相应的隔振措施；无影响校准结果的信号干扰等。6.2 校准用测量设备6.2.1 正弦信号发生器：失真度小于1%,频率稳定性优于0.05%,幅值稳定性优于1%（8h）。6.2.2 标准振动台：加速度波形失真度45%,横向振动比W10%；加速度幅值稳定度W0.5%,频率稳定性/0.1%,信噪比250dB06.2.3 钢卷尺：测量范围（02）m,11级；6.2.4 测长参考样块：弹性波传播速度为（20004000）ms左右材质的长方体，表面
7、平整，可以贴合检波器，建议长度不小于Inb宽度约为lm（用于波速标定）。7校准项目和校准方法7.1 功能性检查预报仪具有多个接收通道，且无影响仪器正常工作及读数的机械损伤、按键失灵和接触不良等现象。7.2 分析仪时间相对误差a）分析仪接通电源，连接函数信号发生器和分析仪，如图2所示。验证对象S分析仪函数信号发生器图2分析仪时间相对误差校准方法示意图b）选择接收通道并调至可采数据状态，保证每一个完整的振动波形至少有50个采样点。函数信号发生器输出电压应在分析仪额定电压范围内，依次调节函数信号发生器输出的正弦信号频率标准值/0。10与周期标准值Zo的对应关系见表1。表1Zo-Zo对应表序号1234
8、5678910111213Zo/Hz103050100200300400500700900110013001500ms100.0033.33320.00010.0005.0003.3332.5002.0001.4291.1110.9090.7690.667c）取3次分析仪采集软件中完整正弦波周期的均值彳为该频率下分析仪时间测量值。分析仪时间相对误差Ari按公式（1）计算：7zxl00%（1）式中：rf.第，个标准频率时的分析仪时间相对误差；Ti第，个标准周期测量平均值，ms；TiQ第，个周期标准值，ms；/分析仪时间相对误差中第/次测量（7=1,2,3-13）o分析仪的其他接收通道以相同方法校
9、准。7.3 预报仪时间相对误差a）分析仪接通电源，连接分析仪和检波器，见图3。验证对象标准振动台图3预报仪时间相对误差校准方法示意图b）选择接收通道并调至可采数据状态，保证一个完整的振动波形至少有50个采样点。将检波器刚性地安装在中频标准振动台试验平台中心，调整检波器和振动台振动方向一致。启动中频标准振动台系统，依次调节频率标准值Eo。力0与周期标准值ZO的对应关系见表Kc）取3次采集软件中完整正弦波的均值%为该频率下系统时间的测量值。预报仪时间相对误差按公式（2）计算：1.1 =ZLZZkXlo0%（2）K式中：一第1个标准频率时的预报仪时间相对误差；Ti第，个标准周期试验均值，ms；Tio
10、第I.个周期标准值，ms；i预报仪时间相对误差中第，次试验（A1,2,313）。三分量检波器在校准时应依次将三个工作方向固定于振动台面上，校准各分量。7.4 通道隔离度a）调整函数信号发生器输出500Hz的正弦信号，输出电压幅值不低于分析仪量程的80机随机选取分析仪中一个通道为参考通道，其他通道作为测试通道（试验应覆盖所有测试通道）。b）保证一个完整的振动波形至少有20个采集数，读取3次参考通道完整正弦波电压幅值峰峰值的均值弓为参考通道的测量值。c）读取3次测试通道呈现的最大幅值的均值E为测试通道的测量值。通道隔离度4按公式（3）计算：A=201g（3）式中：1.i第？个测试通道通道隔离度，d
11、B；Vx参考通道电压幅值峰峰值的均值，V;第/个测试通道最大幅值均值，V；第，次试验(7=1,2,3)o7.5 测长误差a）准备测长参考样块和钢卷尺，以及待校准的弹性波超前地质预报仪。首先，利用钢卷尺测量测长参考样块的宽度。接着，将检波器固定在参考样块宽度方向的一端，并将激振装置置于样块宽度方向另一端的对应位置。当激振装置激发弹性波后，弹性波会在样本中传播，通过弹性波超前地质预报仪得出的弹性波反射时间，计算并记录弹性波在该测长参考样块中的传播速度记为K0b）利用钢卷尺测量测长参考样块的实际长度，结果记为（实）。c）使用弹性波超前地质预报仪根据波速P来测量该参考样块的长度，以三次测量的平均值作为
12、该参考样块的测量值，记为Z（测）0d）计算测长参考样块的测长误差，即E=Z（测）-L（实），实） 100%(4)式中:E测长误差，%；1.（实）一一钢卷尺测量测长参考样块实际长度，m；1（）测长参考样块长度测量值的平均值，IHo7.6 幅值一致性a）准备工作：确保弹性波超前地质预报仪处于正常的工作状态，并将标准振动台设置至固定频率（推荐500Hz）。选择并连接一个检波器至振动台并接通预报仪的第一个通道。b）记录参考幅值：开启振动台，使其按照设定的固定频率进行振动。在弹性波超前地质预报仪主机上记录此时的幅值，该幅值将作为后续校准过程中的参考值，记作A（参考）。c）将检波器从第一个通道断开，并依次
13、连接到预报仪的其他通道上。对每个通道进行相同振动条件下的幅值记录，每个通道记录的幅值记作N,其中i代表通道的编号。d）计算幅值一致性值：根据A（参考）和各通道的A,，按照公式（5）计算幅值一致性。式中：Di幅值一致性，dB；Ai第i个通道的幅值，mv；A（参考）一一弹性波超前地质预报仪主机上记录振动台的幅值，mvoe）从所有通道的幅值一致性测量结果Di中选出绝对值最大值。该最大值即为弹性波超前地质预报仪的幅值一致性指标结果。7.7 横向振动比a）首先，将三分量检波器固定在标准振动台上，并调整使得检波器的X轴与振动台的振动方向一致。然后，将检波器与弹性波超前地质预报仪主机连接好,确保所有连接都正
14、确无误。b）启动标准振动台，并按照推荐的固定频率（例如500Hz）进行振动。在弹性波超前地质预报仪主机中记录X轴、y轴和Z轴所响应的振动幅值，记作限Ay和AZoc）按照公式（6）计算横向振动比。MAX（A.,A.）,、T=一一1l00%6）AX式中：T横向振动比；Ax弹性波超前地质预报仪X轴所响应的振动幅值，mv；Ay弹性波超前地质预报仪y轴所响应的振动幅值,mv；Az弹性波超前地质预报仪z轴所响应的振动幅值,mvo8校准结果表达校准后，出具校准证书。校准证书至少包含以下信息:a）标题：“校准证书”；b）实验室名称和地址；C）进行校准的地点（如果与实验室的地址不同）；d）证书的唯一性标识（如编
15、号），每页及总页数的标识；e）客户的名称和地址；f）被校对象的描述和明确标识；g）进行校准的日期，如果与校准结果的有效性和应用有关时，应说明被校对象的接收日期；h）校准所依据技术规范的标识，包括名称及代号；i）本次校准所用测量标准的溯源性及有效性说明；j）校准环境的描述；k）校准结果及其测量不确定度的说明；1）校准证书或校准报告签发人的签名、职务或等效标识；m）校准结果仅对被校对象有效的声明；n）未经实验室书面批准，不得部分复制证书的声明。9复校时间间隔由于复校时间间隔的长短是由仪器的使用情况、使用者、仪器本身质量等诸因素所决定的，因此送校单位可根据实际使用情况自主决定复校时间间隔。一般建议复
16、校时间间隔不超过1年。附录A弹性波超前地质预报仪测量不确定度评定示例A.1被校对象弹性波超前地质预报仪，环境温度：(235)；相对湿度：不大于85%；校准点：IOms(100Hz)。A.2测量标准正弦信号发生器：失真度小于1%,频率稳定性优于0.05%,幅值稳定性优于(8h)；标准振动台：加速度波形失真度W5%,横向振动比W10%；加速度幅值稳定度W0.5%,频率稳定性W0.1%,信噪比250dB.。A.3校准方法按照本规范对分析仪时间相对误差、预报仪时间相对误差和幅值一致性的校准要求，将标准器按照7.2、7.3、7.6要求布置，将标准器输出频率为100Hz,开启运行，实验设备达到设定值并且稳
17、定后开始记录设备示值。计算弹性波超前地质预报仪示值与正弦信号发生器示值的相对误差即为分析仪时间相对误差；计算弹性波超前地质预报仪示值与标准振动台示值的相对误差即为预报仪时间相对误差；计算弹性波超前地质预报仪参考通道与测试通道的幅值一致性。A.4测量模型A.4.1分析仪时间相对误差公式=ZIlIoxloo%(A.D式中：rf.分析仪时间相对误差。Ti第i个标准周期试验均值，ms；ZO第，个周期标准值，ms；i分析仪时间相对误差中第，次试验。rf._ji_1求偏导得灵敏系数为：乔,刘。/JA.4.2预报仪时间相对误差公式7；=ZLlZiXIO0%（A.2）工。式中：第/个标准频率时的预报仪时间相对
18、误差；Ti第，个标准周期试验均值，ms；Tio第/个周期标准值，ms；1预报仪时间相对误差中第，次试验（户1,2,313）。B=_二求偏导得灵敏系数为：dTi了工；A.4.3幅值一致性公式QWg岛（A3）式中：Di第i个通道的幅值与参考幅值之比；Ai第i个通道的幅值，mv；A（参考）一一弹性波超前地质预报仪主机上记录振动台的幅值，mvoDl_20羽_20求偏导得灵敏系数为：MAlnlO/4（参考）A（参考）lnl不确定度来源：被测对象测量重复性引入的标准不确定度分量，被测对象分辨力引入的标准不确定度分量，标准器引入的标准不确定度分量。由于测长误差的不确定度来源与分析仪时间相对误差和预报仪时间相
19、对误差数学模型和不确定度来源相似，且通道隔离度和横向振动比都为幅值的比值,与幅值一致性类似，因此本文仅以分析仪时间相对误差、预报仪时间相对误差和幅值一致性为例进行不确定度评定。A.5标准不确定度分量A.5.1测量重复性引入的标准不确定度分量A.5.1.1分析仪时间测量重复性引入的标准不确定度/在IOITIS（100Hz）测量点重复测量10次，标准偏差S用下式计算。=0.11 ms在实际测量时，采集3次取均值，则算术平均值的实验标准偏差为:%=0.064ms则在该点处相对标准不确定度为：wre=0.64%A.5.1.2预报仪时间测量重复性引入的标准不确定度/在IOmS(100Hz)测量点重复测量
20、10次，标准偏差S用下式计算。年”)2Sf=I=0.11ms在实际测量时，采集3次取均值，则算术平均值的实验标准偏差为：u；=0.064ms则在该点处相对标准不确定度为：wlrc=0.64%A.5.1.3幅值一致性测量重复性引入的标准不确定度看在IOms(100Hz)的振动信号测量点，选择一个测试通道重复测量10次，标准偏差S用下式计算。(rsf,=pi=OdBVn-l在实际测量时，采集3次取均值，则算术平均值的实验标准偏差为：%=OdBA.5.2被测对象分辨力引入的标准不确定度分量每个周期50个点，时间和幅值都会引起1个点的偏差，则被测对象分辨力引入的标准不确定度分量应当将1/50作为分辨率
21、考虑，则%=2%A.5.3标准器引入的标准不确定度分量A.5.3.1正弦信号发生器引入的标准不确定度分量函数信号发生器的准确度等级为IXlO-5,取均匀分布:%=-=5.8x10A.5.3.2标准振动台引入的标准不确定度分量标准振动台的频率示值误差为0,幅值稳定性为0.06%,取均匀分布:，6x10-% ;F=3.5 104A.6标准不确定度分量汇总表见表A.1、A.2和A.3A.1分析仪时间相对误差标准不确定度分量汇总表标准不确定度符号不确定度来源标准不确定度wIrel分析仪时间测量重复性0.64%w2rel被测对象分辨力2%“3rd函数信号发生器5.8X10心A.2预报仪时间相对误差标准不
22、确定度分量汇总表标准不确定度符号不确定度来源标准不确定度wIrel预报仪时间测量重复性0.64%W2rel被测对象分辨力2%“3rd标准振动台3.5x10A.3幅值一致性标准不确定度分量汇总表标准不确定度符号不确定度来源标准不确定度测量重复性0W2rel被测对象分辨力2%“3rd标准振动台3.5104A.7合成标准不确定度.7.1分析仪时间相对误差标准合成不确定度，计算由于与汨w2rel%rc相互独立，且大于%，则合成标准不确定度/按照下式计算:2.0%.7.2预报仪时间相对误差标准合成不确定度”计算由于/、2r八相互独立，且2大于11，则合成标准不确定度按照下式计算：wZ=JtAreI+=2
23、.0%A.7.3通道隔离度标准合成不确定度计算由于/、2r八修相互独立，且2大于修工，则合成标准不确定度按照下式计算：1（20Y2f20Y2cKaInIoJ-IdIA（参考）lnlj3rc,.8扩展不确定度取包含因子公2,分析仪时间相对误差不确定度为U=Ax/.=4%取包含因子仁2,预报仪时间相对误差不确定度为U=A：x4.=4%取包含因子依2,幅值重复性不确定度为U=AX%=11.6%.附录B弹性波超前地质预报仪校准原始记录(推荐)送校单位样品编号器具名称校准依据型号规格校准环境出厂编号校准地点制造单位校准日期校准用测量设备信息名称型号规格出厂编号测量范围不确定度/准确度等级/最大允许误差证
24、书编号有效期至序号项目单位符号技术要求频率标准值(Hz)时间标准值实测数据123示值误差相对误差1时间测量:相对误差ms+4.0%2测M:准确度ms+4.0%3通道隔离度dB40参考通道测试通道1测试通道2测试通道34测长5幅值一致6横向校准结果的不确定度表述附录C校准证书内页参考格式校准依据：JJF*弹性波超前地质预报仪校准规范校准环境条件及地点：温度地点相对湿度其他本次校准使用的测量设备名称测量范围不确定度/准确度等级/最大允许误差证书编号有效期至校准结果序号校准项目校准结果测量不确定度U32)1预报仪时间相对误差2分析仪时间相对误差3通道隔离度4测长误差5幅值一致性6横向震动比_以下空白一一
