激光測振儀校準裝置的設計和應用

賀芳琪，周倫彬，蔡晉輝，呂林華

（1.中國計量大學計量測試工程學院，浙江 杭州 310018；2.蘇州賽寶校準技術服務有限公司，江蘇 蘇州 215100）

激光測振儀校準裝置的設計和應用

賀芳琪1，周倫彬2，蔡晉輝1，呂林華2

（1.中國計量大學計量測試工程學院，浙江 杭州 310018；2.蘇州賽寶校準技術服務有限公司，江蘇 蘇州 215100）

針對激光測振儀校準中存在自動化程度低的問題，設計激光測振儀的校準裝置。介紹裝置的硬件、軟件設計，進行校準實驗驗證，測得實驗數據并計算校準裝置的不確定度。該裝置通過所測量的實際值與理論值比較來校準激光測振儀。裝置包含激勵源部分、測量儀器部分、通信儀器部分和PC機，其中激勵源提供標準振動信號和標準頻率信號，測量儀器測得輸出電壓和波形，以GPIB接口作為通信儀器將PC機與激勵源和測量儀器相連，PC機以虛擬儀器軟件為開發平臺，控制輸入標準頻率信號，采集和顯示輸出電壓數據和波形結果，實現激光測振儀的自動化校準。實驗證明裝置性能良好，數據真實可靠，誤差低于1%，符合規程要求。

激光測振儀；自動化校準；靈敏度；頻率特性；LabVIEW

0 引 言

激光測振儀是一類非接觸式、高準確度的振動測量儀器，以多普勒效應和干涉現象為測量原理，可應用于輕質結構、精巧結構等接觸式測振儀無法測量的機械結構[1]，在振動幅值的準確測量和位移、速度和加速度計量的溯源問題中發揮著重要作用。

隨著激光測振儀在航空航天、建筑交通、機械制造等領域的廣泛應用，對激光測振儀的周期性校準，保證其測量準確性和穩定性，受到國內外眾多計量機構的重視。在國外關于振動傳感器校準裝置的研制起步較早，美國ENDEVCO公司推出的正弦掃描全自動振動傳感器校準系統[2]和丹麥B&K公司設計的9610型振動傳感器校準系統[3]，僅適用于接觸式測振儀的校準。德國物理技術研究院（PTB）2011年編寫實施的國際標準ISO 16043-41《激光測振儀校準》提出了激光測振儀的校準方法[4]，卻沒有提出裝置設計思路。在我國2009年生效的JJF 1219——2009《激光測振儀校準規范》同樣未給出校準裝置的設計思想，僅提出激光測振儀的校準參數要求和校準項目[5]。張合富等[6]在理論層面總結了振動校準法、沖擊校準法和調頻信號校準法3種激光測振儀的校準方法，但未能從實踐角度設計校準系統。由此可見，激光測振儀的校準仍處于手工校準的階段，不僅工作強度大、效率低下，檢定準確度也受到人為因素的影響。

基于此，本文設計一套激光測振儀自動校準裝置，以提高激光測振儀校準裝置的自動化程度。

1 激光測振儀校準裝置的設計

激光測振儀一般基于光干涉原理和多普勒效應實現振動的測量，包括激光干涉測量和信號采集、處理兩個部分。在激光干涉測量部分中，氦氖（HeNe）激光器發出一束激光通過分光鏡分為測量光與參考光，測量光投射到振動表面并反射回來與參考光進行干涉，由光電探測器接收并獲得多普勒頻移，通過多普勒頻移與振動速度之間的線性關系測量振動物體表面的速度幅值[7]。干涉后的光信號由光電探測器轉換成調頻信號，經過信號采集、處理部分解調輸出測量值。

根據JJF 1219——2009《激光測振儀校準規范》需要對激光測振儀進行量程測試、靈敏度測試和頻率特性測試等，本文設計裝置滿足校準要求的參數指標，以下從硬件和軟件兩個部分介紹裝置的設計思路和實現方式。

1.1 激光測振儀校準裝置的硬件設計

本文設計的激光測振儀校準裝置包含激勵源、測量儀器、通信儀器和PC機。激勵源部分產生標準信號輸入被校激光測振儀，測量儀器部分測量輸出結果，通信儀器部分分別將激勵源、測量儀器與PC機相連，PC機利用LabVIEW軟件開發平臺對各儀器進行設置并控制儀器的輸入、傳輸和顯示，結構框圖如圖1所示，所用主要儀器設備見表1。

激勵源包括標準振動信號發生器和調頻信號發生器，分別通過量程測試和靈敏度、頻率特性測試的標準激勵。標準振動發生裝置用于產生按正弦規律變化的振動位移、速度、加速度標準信號，根據規范其產生的信號幅度范圍應覆蓋被校準儀器相應量值的校準范圍，且滿足加速度的總諧波失真度不超過2%，加速度幅值穩定性在測量期間不超過讀數的±0.05%。選用JX-3B型振動傳感器校準儀，內部可產生10，20，40，80，160，320，640，1280 Hz共8種頻率的標準正弦信號，輸出位移、速度及加速度3種振動幅值，諧波失真和穩定性均符合激光測振儀校準的標準信號輸入要求。調頻信號發生儀器用于模擬激光干涉儀部分的信號輸入，實現對激光測振儀信號采集、處理電路部分的電校準。選用RIGOL生產的DG5252型雙通道信號發生器，可調測量范圍1 Hz～100 MHz，測量不確定度僅為0.002%，能提供功能完全相同的兩通道標準正弦波形激勵，保證輸入示波器和信號采集、分析電路的相位準確。

圖1 激光測振儀校準裝置結構框圖

表1 校準用主要儀器設備

測量儀器由電壓測量儀器和數字存儲示波器組成，測量被校儀器的電壓數據和波形數據。規范要求儀器測量幅度最大允許誤差應不大于被校激光測振儀幅度最大允許誤差的1/3。電壓測量儀器選用量程為-20～20 V，采用八位半分辨率的KEITHLEY2002型數字多用表，其基本準確度是0.0006%。數字存儲示波器選用美國Tektronix公司的TDS3052數字示波器，能夠同時顯示兩個通道信號，每條通道取樣速率5GS/s，帶寬為500MHz，垂直分辨率是9位，垂直靈敏度是1mV～10V。

激光測振儀校準裝置要實現自動化，需要通過一定的總線協議將多臺儀器有機集成。本裝置利用GPIB總線協議作為測試系統中儀器之間的通信接口協議，其數據傳輸的速率達到1Mb/s，起主要作用的信號線有 8條數據線 DIO1-DIO8，3條掛鉤線（DAV，NRFD，NDAC）、5條接口管理線（ATN，IFC，REN，SRQ，EOI），其中的3條掛鉤線采用三線互鎖聯絡技術來保證數據完全接收并且穩定、有效。GPIB接口可以實現和多臺儀器的聽、講、控功能，并組成儀器測控系統。在本校準裝置中PC機、信號發生器、數字多用表和數字示波器分別擔任多個角色，如PC機是控制器，但同時也可以作為聽者或講者。GPIB接口控制卡采用AXIOM公司的AX5488型GPIB接口控制卡。該控制卡采用NEC-μPD7210GPIB控制芯片，具有TLC（talker/listener/controller）功能，可提供IEEE488接口，具有6個中斷優先級和3各DMA通道，可接入計算機。

1.2 激光測振儀校準裝置的軟件設計

本裝置在LabVIEW的軟件環境下進行開發[8]。基于LabVIEW的GPIB獨立儀器集成測試平臺軟件包括GPIB的接口驅動程序、儀器驅動程序和集成測試平臺主控程序3部分。GPIB接口程序和各儀器驅動程序是接口和檢測儀器進行控制和通信的模塊集，每個模塊集都有自己的儀器驅動程序，由制造商提供[9]。主控程序調用 LabVIEW 函數模板中Instrument I/O子模板下的VISA函數進行開發。

本裝置軟件的整體結構在while循環中，設置了4個case結構，分別對電源、信號發生器、數字多用表和數字示波器實現控制。首先啟動配置工具MAX對儀器進行正確配置，使之與PC機的通信保持在正常狀態。通信正常后，VISA初始化首先運行，在用戶前面板上分別對各個儀器進行設置，電源設置儀器輸出電壓、電流，信號發生器采集信號類型、單位、偏移量、頻率和幅值，數字多用表設置信號類型，數字示波器設置儀器檢測通道和掃頻精度。調用VISA打開函數，打開相應儀器VISA資源的會話。使用VISA寫入函數，對電源和信號發生寫入標準頻率信號數據。調用等待函數，等待制定的間隔，以便各儀器狀態穩定。使用VISA讀取函數讀取數據，數字多用表和數字示波器分別進行數據采集和波形顯示。調用VISA關閉函數關閉會話，釋放資源。存儲數據，回到打開會話進行下一個測試點的測試，直至達到上限值。測試流程如圖2所示。

在動態情況下，振幅、頻率、電壓3個輸出量始終在波動，也必然引起采樣不同步的現象。為保證采樣數據的準確性，一方面調用VISA等待函數；另一方面可加入延時算法，保證在一次傳輸和采樣結束后再進入下一次循環。

2 激光測振儀校準裝置的應用和不確定度分析

2.1 激光測振儀校準裝置的實驗測試

利用所設計的裝置，進行激光測振儀校準實驗測試。量程測試中，振動傳感器校準儀輸入標準振動信號，測量被校激光測振儀測量范圍的上限值νH和下限值νL得到實際量程為

靈敏度是指在規定的頻率范圍和周圍環境條件下輸出信號（電壓）與輸入信號的比值。本裝置的靈敏度測試中，在測量范圍[νL，νH]內選取待測幅值為

計算νi對應的理論多普勒頻移作為信號發生器信號激勵，數字多用表測量輸出電壓yij（j=1，2，…，n），計算靈敏度G：

圖2 激光測振儀校準裝置測試流程圖

頻率特性一般用儀器的幅頻特性或相頻特性表示。幅頻特性就是傳感器靈敏度隨頻率變化的關系；而相頻響應則是輸入量與輸出量的相位差隨頻率變化的關系。本裝置頻率特性測試中，用幅頻特性表示被校儀器的頻率特性。信號發生器提供輸入頻率fi∈[fL，fH]（i=1，2，…，m），選定被校激光測振儀的中間速度值νm，讀取電壓測量值轉化為速度輸出值yij（j=1，2，…，n），被校激光測振儀的幅頻特性由增益Gi（fi）隨頻率fi變化的特性表示：

選取頻率測量范圍中間值為參考頻率點f0，則參考頻率點的增益是G0（f0），被校激光測振儀的頻率特性由增益平坦度即幅值偏差δν表示：

2.2 激光測振儀校準裝置的實驗數據

以舜宇儀器公司 LV-S01型激光多普勒測振儀為被校儀器進行測試實驗。被校儀器使用了632.8nm波長的氦氖激光器，共有6個檔位，輸出電壓范圍為±10V，實驗數據如表2所示。

以靈敏度檔位500mm/（s·V）為例，頻率信號對應速度輸入為νi（i=1，2，…，m），輸出電壓測量值的算術平均值為靈敏度為G。令參考頻率點f0=1kHz，選取速度中間值νm=250 mm/s，輸入激勵信號1，2，…，m），讀取電壓測量均值轉換為速度值幅值偏差為δν。

表2 500mm/（s·V）檔位測量數據及處理結果

2.3 不確定度評定

根據激光測振儀的測振原理，激光器采集的信號質量和信號采集、處理系統是影響振動測量不確定度的主要因素[10]，包括環境溫度的變化、輸入信號和測量重復性等，分析如下：

1）溫度變化引起的不確定度u1：速度幅值隨溫度變化量為0.015%/℃，按照最大室溫變化為±3℃計算，影響量為：σ=±0.015%×3=±0.045%，可視為均勻分布，即

2）標準振動信號發生裝置引入的標準不確定度分量u2：已知所選振動傳感器標準儀不確定度U= 0.108%（k=2），故引入標準不確定分量u2=0.054%。

3）測量重復性引入的不確定度分量 u0：采用A類方法進行評定，根據3次重復測量的數據計算均值實驗方差和均值實驗標準差如表3所示。以實驗標準差作為裝置的測量重復性[11]即u0=0.05%。

表3 測量重復性數據處理表格

合成不確定度uc為擴展不確定度U[12]為：U=kuc=0.16%。

根據JJF 1219——2009《激光測振儀校準規范》，校準誤差要求不高于1%，本裝置符合誤差規范要求。

3 結束語

本文開發了一套完整的激光測振儀校準的校準裝置，論述了校準裝置的設計思路，使用該裝置實現了激光測振儀自動化校準，以被校儀器500mm/（s·V）靈敏度檔位為例計算了激光測振儀的不確定度。本次設計裝置在LabVIEW的環境下利用GPIB接口作為通信儀器實現激光測振儀的輸入控制、自動化采集、數據和波形顯示，提高了激光測振儀校準的效率，為激光測振儀的校準工作提供支持和保障。

[1]KANG M S，STANBRIDGE A B，CHANG T G，et al. Measuring mode shapes with a continuously scanning laser vibrometer Hilbert transform approach[J].Mechanical Systems and Signal Processing，2002，16（2）：201-210.

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[3]洪寶林.9610型振動傳感器校準系統[J].計測技術，1990（1）：6-10.

[4]Methods for the calibration of vibration and shock transducersPart41：Calibration oflaservibrometers：ISO16043-41[S].2011.

[5]激光測振儀校準規范：JJF 1912—2009[S].北京：中國質檢出版社，2009.

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（編輯：劉楊）

Design and application of laser vibrometer calibration device

HE Fangqi1，ZHOU Lunbin2，CAI Jinhui1，Lü Linhua2
（1.College of Metrology and Measurement Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China；2.Suzhou Saibao Centre Testing，Suzhou 215100，China）

For the problem on low degree of automation in laser vibrometer calibration，the laser vibrometercalibration device isdesigned.Design ofthe device'shardware and software is introduced.Calibration experiment and verification are conducted.Experimental data is obtained and the uncertainty of the calibration device is calculated.The device is used for calibrating the laser vibrometer by comparing the actual measured value with the theoretical value.The device includes excitation source section，measuring instrument section，communicated instrument section and PC，wherein the excitation source provides standard vibration signal and standard frequency signal and the measuring instruments measures output voltage and waveform.GPIB interface is taken as communication instrument to connect PC with the excitation source and measuring instruments.For the PC，LabVIEW is taken as development platform to control the standard frequency signal input，collect and display voltage data and waveform result，so as to achieve automated calibration of the laser vibrometer.Experiment results show that the device features good performance;data is reliable and error rate is less than 1%.Thus the device meets the regulation requirements.

laser vibrometer；automated calibration；sensitivity；frequency characteristic；LabVIEW

A

：1674-5124（2017）01-0074-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.01.016

2016-03-09；

：2016-05-21

賀芳琪（1992-），女，山東棗莊市人，碩士研究生，專業方向為熱工參數檢測與控制。