ISO 16063-1:1998
(Main)Methods for the calibration of vibration and shock transducers — Part 1: Basic concepts
Methods for the calibration of vibration and shock transducers — Part 1: Basic concepts
Méthodes pour l'étalonnage des transducteurs de vibrations et de chocs — Partie 1: Concepts de base
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 16063-1
First edition
1998-10-15
Methods for the calibration of vibration
and shock transducers —
Part 1:
Basic concepts
Méthodes pour l’étalonnage des transducteurs de vibrations et de chocs —
Partie 1: Concepts de base
A
Reference number
Contents Page
1 Scope .1
2 Normative references .1
3 Terms and definitions .1
4 Characteristics to be measured .4
4.1 General.4
4.2 Direct response.4
4.3 Spurious response .5
5 Calibration methods .7
5.1 General.7
5.2 Primary calibration methods .8
5.3 Comparison calibration methods.17
6 Expression of uncertainty of measurement.18
Annex A (informative) Expression of uncertainty of measurement in calibration.19
Bibliography.22
© ISO 1998
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or mechanical, including photocopying and microfilm, without permission in writing from the publisher.
International Organization for Standardization
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Printed in Switzerland
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©
ISO ISO 16063-1:1998(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.
International Standard ISO 16063-1 was prepared by Technical Committee ISO/TC 108, Mechanical vibration and
shock, Subcommittee SC 3, Use and calibration of vibration and shock measuring instruments.
This first edition of ISO 16063-1 cancels and replaces ISO 5347-0:1987, of which it constitutes a minor revision. A
new clause 6, new annex A, and an enlarged bibliography have been included.
ISO 16063 will consist of the following parts, under the general title Methods for the calibration of vibration and
shock transducers:
— Part 1: Basic concepts
— Part 2: Primary calibrations
— Part 3: Secondary calibrations
— Part 4: Environmental calibrations
Parts 2 to 4 are under preparation and will consist of a revision of parts 1 to 23 of ISO 5347.
Annex A of this part of ISO 16063 is for information only.
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©
Introduction
The calibration of vibration and shock transducers has become increasingly important as the need has grown for
accurate measurements of the shocks and vibrations to which man and a wide variety of equipment are subjected
in service. Several methods have been used or proposed for these calibrations and some of them are described in
this part of ISO 16063. Clause 5 describes methods which have proved to be reliable means for the primary
calibration of vibration and shock transducers.
Methods of calibration for both vibration and shock transducers are included in this International Standard because
it has proved to be impracticable to make a distinction between transducers used in measurements of vibrations
and those used in measurements of shocks.
This International Standard is limited to the calibration of acceleration, velocity and displacement transducers. It
does not deal with transducers used for measurements of force, pressure or strain, even though some of these may
be calibrated using similar methods. Furthermore, transducers used to measure rotational vibratory motion are also
excluded because, at present, they are few in number and the calibration hardware and methods are somewhat
different from those for the rectilinear transducers covered by this International Standard.
This part of ISO 16063 contains definitions and describes basic primary calibration. In addition, it describes, in
general terms, various methods for the calibration of vibration and shock transducers as well as methods for
measuring characteristics other than sensitivity. In order to be able to carry out a calibration with known accuracy,
detailed specifications for instruments and procedures have to be laid down. Information of this kind for each
method of calibration will be specified in subsequent parts of ISO 16063 (i.e. revisions of parts 1 to 23 of the
ISO 5347 series).
The transducer may be calibrated as a unit by itself; it may include a cable connection and/or a conditioning device.
The calibration system shall always be properly described.
A bibliography is included and the references are referred to in the text by numbers in square brackets.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO ISO 16063-1:1998(E)
Methods for the calibration of vibration and shock transducers —
Part 1
Basic concepts
1 Scope
This part of ISO 16063 describes methods for the calibration of vibration and shock transducers. It also includes
methods for the measurement of characteristics in addition to the sensitivity.
One primary calibration method has been selected as the preferred method (see 5.2.1). Comparison calibration
methods for vibration and shock are also described (see 5.3). More detailed descriptions are given in parts 1 to 23
of ISO 5347 (see references [1] to [22]).
This part of ISO 16063 is applicable to continuous-reading rectilinear acceleration, velocity and displacement
transducers and recommends a preferred method which has proved to give reliable and reproducible results.
It is not applicable to methods for the calibration of rotational transducers.
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 1101:1983, Technical drawings — Geometrical tolerancing — Tolerances of form, orientation, location and run-
out — Generalities, definitions, symbols, indications on drawings.
ISO 2041:1990,
Vibration and shock — Vocabulary.
ISO 2954:1975, Mechanical vibration of rotating and reciprocating machinery — Requirements for instruments for
measuring vibration severity.
GUM: Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement. BIPM/IEC/IFCC/ISO/OIML/IUPAC,1995.
3 Terms and definitions
For the purposes of this part of ISO 16063, the terms and definitions given in ISO 2041, together with the following,
apply.
3.1
transducer
device for converting the mechanical motion to be measured, for example acceleration in a given direction, into a
quantity which may be conveniently measured or recorded
NOTE A transducer may include auxiliary equipment for amplifying, supplying necessary operating power, providing
necessary circuit elements, indicating or recording its output, etc.
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ISO
3.1.1
operating range
range of frequency and of amplitude for which the transducer behaves as a linear transducer within specified limits
of tolerance
3.1.2
reciprocal transducer
bilateral electromechanical transducer for which the ratio of the applied current to force produced (when the
transducer is restrained so the velocity is zero) equals the ratio of the applied velocity to the voltage produced
(when the transducer is open-circuited so the current is zero)
EXAMPLES: Electromagnetic and piezo-electric transducers.
3.1.3
unilateral transducer
transducer employing strain gauges as sensing elements for which an electrical excitation does not cause a
perceptible mechanical effect in the transducer
3.2
input signal
signal applied to the input of the transducer
EXAMPLE: The acceleration applied to the mounting surface.
3.3
output signal
signal generated by the transducer in response to a given input signal
NOTE 1 For single-ended transducers, the acceleration vector is considered positive when directed into the mounting
surface of the transducer. For back-to-back reference accelerometers, the acceleration vector is considered positive when
directed from the top surface into the accelerometer to be calibrated by comparison.
NOTE 2 The phase of the output quantity (e.g. voltage, charge, current, resistance, etc.) should be specified with reference
to the defined positive acceleration vector or the derived quantities (velocity or displacement).
3.4
sensitivity
for a linear transducer, the ratio of the output to input during sinusoidal excitation parallel to a specified axis of
sensitivity at the mounting surface
NOTE 1 In general, the sensitivity includes both amplitude and phase information and is, consequently, a complex quantity
which varies with frequency.
The sinusoidal input motion may be represented by the following equations:
ss$=+exp jwjt =+$stcoswj+ jsinwjt+ (1)
() () ()
[]1[]11
vs==jjwwv$exp t+j+ π / 2=+$vtcoswj+ππ/22+ jsinwjt++ / (2)
() ()()
[]1[]11
av==jjwwa$exp t+j+ π=+$atcoswj+ππ+ jsinwjt++ (3)
() () ()
[]1[]11
uu$=+exp jwjt =+$utcoswj+ jsinwt+j (4)
() () ()
[]2[]22
where
s is the complex quantity of the displacement;
v is the complex quantity of the velocity;
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ISO
a is the complex quantity of the acceleration;
u is the complex quantity of the output;
is the peak amplitude of sinusoidal displacement;$s
$v is the peak amplitude of sinusoidal velocity;
â is the peak amplitude of sinusoidal acceleration;
w is the angular frequency;
j and j are the phase angles;
1 2
t is the time;
j is the imaginary unit.
The displacement sensitivity, S , expressed in the units of the output signal per metre, is
s
u
S==S$exp−jϕϕ− (5)
()
[]
ss 12
s
where
$u
$S = is the magnitude of the displacement sensitivity;
s
$s
(j – j ) is the phase lag.
1 2
The velocity sensitivity, S , expressed in the units of the output signal per metre per second, is
v
u
S==S$exp−jϕϕ+π /2− (6)
()
[]
vv 12
v
where
$u
$= is the magnitude of the velocity sensitivity;
S
v
$v
π
(j + /2 – j ) is the phase lag.
The acceleration sensitivity, S , expressed in the units of the output signal per metre per second squared, is
a
u
S==S$exp−jϕϕ+π− (7)
()
[]
aa 12
a
where
$u
$S = is the magnitude of the acceleration sensitivity;
a
$a
(j + π – j ) is the phase lag.
1 2
Usually, the displacement sensitivity is determined for a displacement transducer, the velocity sensitivity for a
velocity transducer, and the acceleration sensitivity for an acceleration transducer. In general, the sensitivity
magnitudes and the phase angles are functions of the frequency, f = w/2π.
NOTE 2 A displacement, velocity or acceleration transducer in which the corresponding sensitivity does not become zero as
the frequency approaches zero is said to have a zero-frequency response (direct-current response). Sensitivity under constant
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ISO
acceleration corresponds to w = 0 and the phase lag is zero. Examples of transducers with zero-frequency response are
acceleration transducers employing strain gauges, potentiometers, differential transformers, force-balance (servo) or variable
reluctance circuits as sensing elements. Seismic self-generating transducers, such as piezo-electric and electrodynamic
transducers, are examples of transducers without zero-frequency response.
3.5
transverse sensitivity ratio (TSR)
ratio of the output of a transducer, when oriented with its axis of sensitivity transverse to the direction of the input, to
the output when the axis of sensitivity is aligned in the direction of the same input
3.6
vibration generator
any device for applying a controlled motion to the mounting surface of a transducer
NOTE Vibration generators are sometimes referred to as exciters or shakers.
4 Characteristics to be measured
4.1 General
The primary object of the calibration of a transducer is to determine its calibration factor (sensitivity) over the
amplitude and frequency range for the degree of freedom for which the tran
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 16063-1
Première édition
1998-10-15
Méthodes pour l’étalonnage des
transducteurs de vibrations et de chocs —
Partie 1:
Concepts de base
Methods for the calibration of vibration and shock transducers —
Part : Basic concepts
A
Numéro de référence
Sommaire Page
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 2
4 Caractéristiques à mesurer . 4
4.1 Généralités. 4
4.2 Réponse directe (au mesurande) . 5
Réponses aux grandeurs d’influence.
4.3 5
Méthodes d’étalonnage .
5 8
Généralités.
5.1 8
Méthodes d’étalonnage primaire.
5.2 9
5.3 Méthodes d’étalonnage par comparaison. 19
6 Expression de l’incertitude de mesure . 20
Annexe A (informative) Expression de l’incertitude de mesure affectant l’étalonnage . 21
Bibliographie . 25
© ISO 1998
Droits de reproduction réservés. Sauf prescription différente, aucune partie de cette publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque
forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique, y compris la photocopie et les microfilms, sans l'accord écrit de l'éditeur.
Organisation internationale de normalisation
Case postale 56 • CH-1211 Genève 20 • Suisse
Internet iso@iso.ch
Imprimé en Suisse
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©
ISO ISO 16063-1:1998(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.
La Norme internationale ISO 16063-1 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.
Cette première édition de l’ISO 16063-1 annule et remplace l’ISO 5347-0:1987, dont elle constitue une révision
mineure. En particulier, un nouvel article 6, une nouvelle annexe A ainsi qu'une bibliographie élargie ont été
incorporés.
L’ISO 16063 comprendra 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 2: Étalonnages primaires
— Partie 3: Étalonnages secondaires
— Partie 4: Étalonnages environnementaux
Les parties 2 à 4 sont actuellement en préparation sous forme d’une révision des parties 1 à 23 de l’ISO 5347.
L'annexe A de la présente partie de l’ISO 16063 est donnée uniquement à titre d’information.
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©
Introduction
L'étalonnage des transducteurs de vibrations et de chocs est devenu de plus en plus important par suite de la
nécessité croissante de mesures précises de chocs et de vibrations auxquels l'homme et des équipements de toute
sorte sont soumis en service. Plusieurs méthodes ont été appliquées ou proposées pour ces étalonnages dont
quelques-unes sont décrites dans la présente partie de l'ISO 16063. L’article 5 donne une description de méthodes
qui se sont révélées être des moyens fiables pour l'étalonnage primaire de transducteurs de vibrations et de chocs.
Des méthodes d'étalonnage pour transducteurs à la fois de vibrations et de chocs sont incluses dans la présente
Norme internationale, étant donné qu'il s'avère peu pratique de faire une distinction entre les transducteurs utilisés
pour les mesures de vibrations et ceux utilisés pour les mesures de chocs.
La présente Norme internationale se limite aux méthodes d'étalonnage des transducteurs d'accélération, de vitesse
et de déplacement. Elle ne traite pas des transducteurs utilisés pour les mesures de force, de pression ou de
contraintes, bien qu'il y en ait qui puissent être étalonnés par des méthodes similaires. De même, les transducteurs
destinés à mesurer le mouvement vibratoire en rotation sont exclus puisqu'il n'y en a pas beaucoup, et le matériel
ainsi que les méthodes d'étalonnage diffèrent quelque peu du cas des transducteurs rectilignes traités dans la
présente Norme internationale.
La présente partie de l'ISO 16063 contient des définitions et décrit l'étalonnage primaire de base. En outre, elle
décrit en termes généraux diverses méthodes pour l'étalonnage de transducteurs de vibrations et de chocs ainsi
que des méthodes de mesure des caractéristiques autres que la sensibilité. Afin de pouvoir effectuer un étalonnage
avec l'exactitude donnée, il est nécessaire de fixer des spécifications détaillées concernant les instruments et les
procédés. Les informations s'y rapportant pour chaque méthode d'étalonnage seront spécifiées dans les parties
ultérieures de l'ISO 16063 (consistant en une révision des parties 1 à 23 de la série de normes ISO 5347).
Le transducteur peut être étalonné comme une unité particulière; il peut inclure un câble de liaison et/ou un module
de conditionnement. Le dispositif d'étalonnage doit toujours être décrit avec précision.
Une bibliographie est donnée à la fin de la présente partie de l'ISO 16063 et les références y relatives dans le texte
sont signalées par des numéros entre crochets.
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NORME INTERNATIONALE ISO ISO 16063-1:1998(F)
Méthodes pour l’étalonnage des transducteurs de vibrations
et de chocs —
Partie 1:
Concepts de base
1 Domaine d’application
La présente partie de l’ISO 16063 spécifie des méthodes pour l'étalonnage des transducteurs de vibrations et de
chocs. Elle comprend également des méthodes pour la mesure des caractéristiques autres que la sensibilité.
Une seule méthode pour l’étalonnage primaire a été choisie comme méthode privilégiée (voir 5.2.1). Des méthodes
d'étalonnage par comparaison pour des vibrations et des chocs sont aussi spécifiées (voir 5.3). Des descriptions
plus détaillées sont données dans les parties 1 à 23 de l’ISO 5347 (voir références [1] à [22]).
La présente partie de l’ISO 16063 est applicable à des transducteurs à lecture continue d’accélération rectiligne, de
vitesse et de déplacement et recommande une méthode privilégiée qui s’est révélée donner des résultats fiables et
reproductibles.
Elle n’est pas applicable à des méthodes pour l’étalonnage de transducteurs de rotation.
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 1101:1983, Dessins techniques — Tolérancement géométrique — Tolérancement de forme, orientation,
position et battement — Généralités, définitions, symboles, indications sur les dessins.
ISO 2041:1990, Vibrations et chocs — Vocabulaire.
ISO 2954:1975, Vibrations mécaniques des machines tournantes ou alternatives — Spécifications des appareils de
mesurage de l'intensité vibratoire.
Guide pour l’expression de l’incertitude de mesure. BIPM/CEI/FICC/ISO/OIML/UICPA, 1995.
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3 Termes et définitions
Pour les besoins de la présente partie de l'ISO 16063, les termes et définitions donnés dans l'ISO 2041 ainsi que
les suivants s’appliquent.
3.1
transducteur
dispositif permettant de transformer le mouvement mécanique à mesurer, par exemple l'accélération dans une
direction donnée, en une grandeur pouvant être mesurée et enregistrée commodément
NOTE Le transducteur peut comprendre un appareillage auxiliaire destiné à amplifier, à produire la puissance nécessaire à
l'utilisation, à fournir des éléments de circuit nécessaires, à indiquer ou à enregistrer son signal de sortie, etc.
3.1.1
gamme d'utilisation
gamme en fréquence et en amplitude dans laquelle le transducteur se comporte comme un transducteur linéaire,
dans des limites spécifiées de tolérance
3.1.2
transducteur réciproque
transducteur électromécanique réversible dans lequel le rapport entre le courant appliqué et la force produite
(quand le transducteur est contraint de telle sorte que la vitesse est nulle) est égal au rapport entre la vitesse
appliquée et la tension produite (quand le transducteur fonctionne en circuit ouvert, de telle sorte que le courant est
nul)
EXEMPLES: Transducteurs électromagnétiques et transducteurs piézo-électriques.
3.1.3
transducteur non réversible
transducteur qui utilise des jauges de contrainte comme éléments sensibles et pour lequel une excitation électrique
ne cause pas d'effet mécanique perceptible dans le transducteur
3.2
signal d'entrée
signal appliqué à l'entrée du transducteur
EXEMPLE: L'atténuation appliquée à la surface de montage.
3.3
signal de sortie
signal engendré par le transducteur en réponse à un signal d'entrée donné
NOTE 1 S'agissant de transducteurs à une seule entrée mécanique, le vecteur d'accélération est considéré comme positif
lorsqu'il est dirigé vers le centre du transducteur à partir de la surface de montage. Pour les accéléromètres de référence
montés en opposition, le vecteur d'accélération est considéré comme positif lorsqu'il est dirigé, à partir de la surface
supérieure, vers le centre de l'accéléromètre à étalonner par comparaison.
NOTE 2 Il convient que la phase de la grandeur mesurée en sortie (par exemple la tension, la charge, le courant, la
résistance, etc.) soit spécifiée par référence au vecteur d'accélération positif défini ou aux grandeurs dérivées (vitesse ou
déplacement).
3.4
sensibilité
pour un transducteur linéaire, rapport du signal de sortie au signal d'entrée pour une excitation sinusoïdale parallèle
à un axe de sensibilité spécifié à la surface de montage
NOTE 1 En général, la sensibilité inclut une information en amplitude et en phase et est, par conséquent, une grandeur
complexe qui varie avec la fréquence.
©
ISO ISO 16063-1:1998(F)
Le mouvement sinusoïdal d'entrée peut être exprimé par les équations suivantes:
ss$=+exp jwjt =+$stcoswj+ jsinwjt+ (1)
() () ()
[]1[]11
vs==jjwwv$exp t+j+ π / 2=+$vtcoswj+ππ/22+ jsinwjt++ / (2)
() ()()
[]1[]11
av==jjwwa$exp t+j+ π=+$atcoswj+ππ+ jsinwjt++ (3)
() () ()
[]1[]11
uu$=+exp jwjt =+$utcoswj+ jsinwt+j (4)
() () ()
[]2[]22
où
s est le nombre complexe associé au déplacement;
v est le nombre complexe associé à la vitesse;
a est le nombre complexe associé à l'accélération;
u est le nombre complexe associé à la sortie;
$s est l'amplitude crête du déplacement sinusoïdal;
$v est l'amplitude crête de la vitesse sinusoïdale;
$a est l'amplitude crête de l'accélération sinusoïdale;
w est la pulsation ou fréquence angulaire;
j et j sont les angles de phase;
1 2
t est le temps;
j est le nombre imaginaire unitaire.
La sensibilité en déplacement, S , exprimée en unités du signal de sortie par mètre, est:
s
u
S==S$exp−jϕϕ− (5)
()
[]
ss 12
s
où
$u
est le module de la sensibilité en déplacement;$S =
s
$s
(j – j ) est la différence de phase.
1 2
La sensibilité en vitesse, S , exprimée en unités de signal de sortie par mètre par seconde, est:
v
u
S==S$exp−jϕϕ+π /2− (6)
[]()
vv 12
v
où
$u
est le module de la sensibilité en vitesse;$S =
v
$v
(j + π/2 – j ) est la différence de phase.
©
La sensibilité en accélération, S , exprimée en unités de signal de sortie par mètre par seconde carrée, est:
a
u
S ==S$exp−jϕϕ+π− (7)
()
[]
aa 12
a
où
$u
$S = est le module de la sensibilité en accélération;
a
$a
(j + π – j ) est la différence de phase.
1 2
Habituellement, la sensibilité en déplacement est destinée à un transducteur de déplacement, la sensibilité en
vitesse à un transducteur de vitesse et la sensibilité en accélération à un transducteur d'accélération. En général,
les modules de sensibilité et les angles de phase sont des fonctions de la fréquence, f = w/2p.
NOTE 2 On dit d'un transducteur de déplacement, de vitesse ou d'accélération dans lequel la sensibilité correspondante
n'est pas nulle lorsque la fréquence s'approche de zéro, qu'il a une réponse à la fréquence zéro (réponse en continu). La
...
Questions, Comments and Discussion
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