基樁高應變儀加速度傳感器校準系統的建立與試驗

周振杰，張 璇，竇春暉，趙 暉

(交通運輸部天津水運工程科學研究所 國家水運工程檢測設備計量站，天津 300456)

*通訊作者：張璇(1985-) ，女，天津人，工程師，主要從事儀器設備開發研究。E-mail: 747506026@qq.com。

基樁高應變儀是一種在重錘錘擊作用下，基于應力波法檢測單樁軸向抗壓承載力和樁身完整性的測試分析儀器，基樁高應變儀的檢測結果是判斷基樁工程質量是否合格的有效依據，檢測具有時間短、費用低、效率高等優點，在工程樁基質量檢測中有著廣泛的應用[1-3]。然而在實際使用中，基樁高應變儀檢測系統在較長時間的反復沖擊環境下工作后，其傳感器靈敏度系數會發生一定程度的漂移。為了保障測量數據的準確性，加強基樁高應變儀的計量管理，基樁高應變儀需要按計量要求進行定期校準。

基樁高應變儀加速度傳感器的靈敏度是加速度傳感器輸出峰值和輸出加速度峰值的對應關系，它不是一個定值，會隨著沖擊脈沖持續時間、沖擊波形、被檢傳感器波形、配套信號分析儀的頻響變化而變化[4]，加速度傳感器的校準就是在其整個幅值范圍內獲取不同時期的靈敏度及修正因子。目前，中國計量科學研究院已建有(20～1×106)m/s2沖擊加速度基準裝置[5]，可滿足基樁高應變儀沖擊加速度校準的需求，但是該設備昂貴、維護成本高，不宜在全國推廣使用。本文基于水運行業基樁高應變儀校準的需求，參考GB/T 20485.22-2007[6]等技術規范建立了基樁高應變儀加速度傳感器校準系統。本文主要介紹了校準系統的組成、原理以及其落錘式沖擊比較法校準。最后與加速度基準裝置的校準結果進行對比，驗證了基樁高應變儀加速度傳感器校準系統的可靠性。

圖1 校準系統結構示意圖Fig.1 Structural diagram of calibration system

1 校準系統的組成及工作原理

基樁高應變儀加速度傳感器校準方法主要有絕對法和比較法兩種，其中比較法校準使用的測量設備成本低、維護簡單、使用方便，雖然不確定度偏大，但已經能夠滿足基樁高應變儀加速度傳感器校準的需求，因此，根據GB/T 20485.22-2007推薦，首先建立了基于比較法的落錘式基樁高應變儀加速度傳感器校準系統。該系統主要由落錘沖擊臺、標準加速度計、放大器和數據采集處理系統組成(圖1)。

該校準系統的工作過程是人工控制將落錘提起，然后釋放使其自由降落，落錘與安裝有毛氈的砧頭碰撞后產生一定幅度的沖擊信號，該沖擊信號即為加速度采集信號的激勵源[7-8]。標準加速度傳感器與被校加速度傳感器背靠背固定安裝在一起，然后通過螺栓與落錘剛性連接。標準加速度計與被校加速度計的輸出信號經電荷放大器轉化成電信號，然后經數據采集處理系統采集和處理，最后通過可視化軟件得到標準加速度計和被校準加速度計的測量值。對加速度傳感器進行沖擊校準時，加速度峰值和脈寬是沖擊加速度的兩個重要參數，波形一般是近似半正弦規律變化的沖擊波。通過改變落錘重量、墊層厚度和落錘下落高度可以得到不同的加速度峰值和脈寬。

2 數據采集處理系統

基于虛擬儀器技術，構建了數據采集處理系統。硬件為美國NI公司生產的PCI5105的高速數據采集卡。該數據采集卡有模擬輸入通道8個，單最高采樣率可達60 M/s，并且具有12位的幅值分辨率，輸入電壓范圍可達30 V，該數據采集卡性能指標完全滿足采集沖擊信號的需要。以GPIB接口卡作測量系統實現數據采集處理及控制的硬件接口，它們與其他儀器設備連接構成虛擬儀器的硬件系統。在計算機環境中，依托功能強大的處理單元和高速的數據總線，利用NI公司的LabView圖形化軟件平臺，構建了可視化軟件(圖2)，使計算機成為具有數據采集、信號控制及分析顯示功能的處理中心。該校準系統主要可實現校準信息輸入、采集卡硬件設置、標準傳感器套組及的被校傳感器套組設置、波形輸出顯示、校準結果顯示部分和程序流程顯示六大功能。

圖2 軟件整體界面Fig.2 Software integral interface

3 校準系統性能試驗

校準系統性能試驗分為三個部分：第一部分是激勵系統產生沖擊波形的試驗，主要目的是在保證系統不諧振的條件下，確定所產生的沖擊加速度范圍及其波形；第二部分是在整個沖擊加速度范圍內，按照相應的標準要求對傳感器進行試驗，目的是獲得被校加速度傳感器的靈敏度。第三部分是比較法與絕對法對比的試驗，目的在于驗證該系統進行加速度傳感器校準的可靠性。

3.1 加速度范圍及波形試驗

在落錘上安裝加速度標準傳感器套組件，標準傳感器為美國ENDEVCO 2270，配套電荷放大器型號為B&K 2692。選取合適的放大器檔位、毛氈厚度在落錘高度的兩極值點和中間點分別進行試驗。

在落錘最低試驗點，放大器為316 mV/Unit倍檔位，墊層2個8 mm厚的毛氈與1個4 mm厚的毛氈疊在一起，濾波未打開，結果顯示加速度為9.745 g，脈寬為10.786 ms，波形圖見圖3。

落錘在中間位置下落，放大器為1 mV/Unit檔位，墊層1個4 mm厚的毛氈，濾波未打開，試結果顯示加速度為4 507.9 g，脈寬為0.325 ms，波形圖見圖4。

圖3 加速度試驗一波形圖Fig.3 Waveform diagram of acceleration test 1圖4 加速度試驗二波形圖Fig.4 Waveform diagram of acceleration test 2

圖5 加速度試驗三波形圖Fig.5 Waveform diagram of acceleration test 3

在落錘最高試驗點，放大器為1 mV/Unit倍檔位，墊層3個1 mm厚的毛氈，濾波打開，低通濾波截止頻率為20 kHz，結果顯示加速度為8 259.7 g，脈寬為0.147 ms，波形圖見圖5。

根據試驗分析，基樁高應變儀加速度傳感器校準裝置可達到的加速度測量范圍在10～8 000 g，遠遠滿足JJG 973-2002[9]中基樁高應變儀加速度傳感器的校準需求。

表1 被校加速度傳感器靈敏度校準數據Tab.1 Sensitivity calibration of acceleration sensor

3.2 比較法校準試驗

選取安裝加速度被校傳感器套組，在該落錘式沖擊加速度校準系統上，按照GB/T 20485.22-2008與JJG 973-2002要求，對傳感器的靈敏度進行了校準試驗，試驗結果如表1所示。

采用最小二乘法軟件擬合的直線為y=2.063x-70.02，擬合曲線圖見圖6，由此得到該加速度傳感器的靈敏度為2.063 pC/g。

3.3 比較法校準試驗與絕對法校準試驗數據比較

在10～8 000 g沖擊加速度范圍內對同一個傳感器分別使用比較法和絕對法進行校準，絕對測量試驗在中國計量科學研究院建立的(20～1×106)m/s2國家沖擊加速度基準上完成，具體測量數據如圖7所示。

從圖7的數據可以看出，比較法與絕對法校準同一個加速度傳感器得到的靈敏度偏差均在±2%以內，符合相關標準要求，因此經對比可以確認比較法校準系統可靠。

圖6 擬合曲線Fig.6 Fitting curve圖7 比較法校準試驗與絕對法校準試驗數據比較Fig.7 Comparison of calibration test data between comparing method and absolute method

4 小結

綜上所述，基于落錘式沖擊比較法的基樁高應變儀加速度傳感器校準系統的結構、原理及其實際校準過程，與基樁高應變儀的實際工作狀態非常相近，因此從技術角度保證了該校準系統的可靠性。通過試驗分析，該系統在10～8 000 g的加速度峰值范圍內的測量結果與絕對法測量結果的偏差均在±2%以內，進一步證明了該系統滿足基樁高應變儀加速度傳感器校準的需求，校準結果準確。該校準系統的建立可有效解決基樁高應變儀加速度的量值溯源和加速度傳感系統的校準問題，且該系統成本較低、使用方便，方法可靠，易于推廣應用。