關于改良比較法中頻振動標準裝置的研究

周龍 吳偉

【摘 要】論文主要從工作原理、硬件結構設計、軟件邏輯3方面進行了闡述?？蓪崿F位移傳感器靜態指標的自動校準，以及位移傳感器、速度傳感器和加速度傳感器3類不同類型振動傳感器動態指標的同平臺校準，還解決了計算軟件在使用標準傳感器參考靈敏度方面的不足。

【Abstract】This paper mainly expounds from three aspects： working principle， hardware structure design and software logic. It can realize the automatic calibration of static indicators of displacement sensor， and the same platform calibration of dynamic indicators of three different types of vibration sensors， namely displacement sensor， velocity sensor and acceleration sensor. It also solves the deficiency of reference sensitivity of standard sensor in calculation software.

【關鍵詞】全自動;光柵;不確定度

【Keywords】automatic; grating; uncertainty

【中圖分類號】TH825? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2019）08-0160-03

1 引言

本文介紹的一種自主研發的振動校準分析系統，可完成對加速度傳感器、振動速度傳感器以及振動位移傳感器的校準工作。隨著該測試系統的持續研究調試，不斷總結經驗，針對測量疑難點進行了縝密的分析及改進，最終形成了一套可行的研究方案。該方案能夠有效提高測量準確度，同時也能夠大幅降低勞動強度，提高振動傳感器的校準工作效率。

2 振動傳感器校準裝置原理

2.1 硬件基本結構

本系統基本設計方案由標準加速度計、電荷放大器、激振器、功率放大器、激勵控制器（數據采集器）和計算機等組成。

裝置的基本原理包括：以比較法進行檢定，將被檢傳感器與標準加速度計背靠背螺栓剛性連接，通過在計算機控制軟件輸入所需幅值和頻率的參數，控制器產生相應的信號，功率放大器接收信號指令，推動標準振動臺產生相應幅值和頻率的振動[1]。臺面上安裝的標準加速度計監測振動信號，經過電荷放大器將電荷轉換成振動值，輸出至控制器，以深度負反饋放大電路實現振動量級和頻率的閉環控制[2]。振動幅值穩定后，被檢振動傳感器輸出值與標準加速度計輸出值經計算機計算得出示值誤差。原理如圖1所示。

2.2 軟件整體邏輯

為提高整體工作效率，降低人為誤差，本系統采用全自動校準，預先輸入標準加速度計、被校準傳感器參考靈敏度，校準點頻率、幅值等相關標準參數，采集標準加速度計測得的振動信號，通過計算機PID閉環控制激振器振幅、頻率，達到目標值范圍內，保持動態平衡[3]。此時，系統數據采集器測得的被校準傳感器將輸出至中計算，得到幅值靈敏度、頻率響應、幅值線性度等參數，最后自動輸出報告。系統能自動存儲相關校準參數選項卡，根據儀表的出廠編號，下次校準時能直接調用，并能存儲單個傳感器的測量誤差趨勢，以方便鑒別潛在不合格的測量傳感器[4]。

3 關鍵技術應用

上述基本方案能夠實現加速度傳感器、磁電式速度傳感器全自動校準，很大程度上提高了工作效率，針對引言中提出的需求，本文將從研究方案中以下四個關鍵技術點進行闡述：

①振動位移傳感器靜態指標全自動快速校準;

②多支傳感器同時校準、多種安裝角度工況模擬、溫度工況模擬，全自動校準的實現[5];

③不同類型傳感器混合校準;

④降低標準加速度計套組靈敏度誤差引入的不確定度分量，提高系統測量精度。

3.1 振動位移傳感器靜態指標全自動快速校準

全自動振動位移傳感器靜態校準裝置結構如圖2所示。計算機作為中央控制單元，將輸入的測量點信號輸出至驅動電機以控制其旋轉，驅動電機帶動精密絲杠螺旋傳動副轉動，使得動光柵移動，從而得到光柵位移信號。存儲數據采集器采集的被校準傳感器電壓信號、光柵位移信號和壓電傳感器接觸信號，將位移信號和壓電傳感器接觸信號反饋給驅動電機，以控制其減速和停止[6]。電壓信號在計算機中參與最小二乘法計算得到零值誤差、傳感器靈敏度、重復性、線性度和回程誤差。

被檢傳感器安裝在夾持架上，點擊開始校準后，計算機控制驅動電機工作，使得測量盤靠近傳感器，接觸時，測桿輕微的機械變形會觸發壓電元件產生電信號，計算機監測到此電信號，即停止測桿移動，測出傳感器的輸出信號，再與滿量程時傳感器的輸出信號（測量盤距離傳感器足夠遠時測得的電壓信號）之比，即為傳感器的零值誤差[7]。

零值誤差、靜態靈敏度、靜態幅值線性度、回程誤差、幅值重復性校準過程均為全自動模式。按照JJG 644—2003《振動位移傳感器檢定規程》相關要求[8]，將公式寫入軟件計算，僅需安裝好傳感器，在計算機中輸入所需校準的項目和對應的測量點，點擊開始按鈕后，計算機即可發出移動信號指令，控制驅動電機工作，帶動精密絲杠傳動副旋轉，通過光柵尺測得的位移量反饋至計算機軟件，進而控制驅動電機轉速降低，目標值后停止轉動，采集位移傳感器輸出電壓值。最后所得的所有數據在計算機軟件中自動計算并輸出報告。

整個過程自動化程度非常高，且采用的光柵位移測量裝置精度較傳統的千分尺精度高出幾個數量級，能有效降低標準器及人為因素引入的測量不確定度。

3.2 不同類型、多支傳感器同時校準的實現

新型測試分析系統硬件示意圖如圖4所示，本設計方案所述的校準裝置包括頻率發生器、功率放大器、多通道電荷放大器、多通道數據采集器、計算機、被校準位移傳感器、位移傳感器測量板面、被校加速度或速度傳感器、標準加速度傳感器、位移傳感器固定支架、校準振動臺、機柜，此外還包括外置的恒溫恒濕箱。本裝置還可通過傾角傳感器及控制器自動調節振動臺角度，從水平至垂直任意方向模擬現場任意安裝角度。

當裝置開始工作時，頻率發生器產生一個正弦振動量經過功率放大器將信號放大后傳遞到校準振動臺，使得校準振動臺按照設定的頻率和幅值沿著垂直方向振動。

標準加速度傳感器內置安裝在臺面的中心和周圍間隔90度均布的四個位置，在臺面上對應標準加速度計位置設置5個傳感器安裝孔，在4個90度傳感器安裝孔間隔45度方向設置4個位移測量板面安裝孔。

將被校準的速度或加速度傳感器安裝在臺面的5個安裝孔，安裝好位移傳感器測量板面，并將位移傳感器安裝在專用固定臺架上。標準加速度傳感器輸入端與多通道電荷放大器連接使得信號放大后再連接到多通道數據采集器的第一至五通道。被校速度或加速度傳感器輸出端與多通道數據采集器的第六至十通道連接。將采集到的標準加速度傳感器和被校速度或加速度傳感器電壓信號在計算機中進行對比分析和顯示，以得到被速度或校加速度傳感器的靈敏度、頻響曲線和幅值線性度，完成多個速度或加速度傳感器靈敏度的校準。

被校準位移傳感器的輸出端與數據采集器的第十一至十五通道連接，數據采采集器對被校準位移傳感器檢測的輸出信號進行采集，計算機將輸出電信號轉化成位移信號，通過計算機軟件計算，得到被校準位移傳感器的動態性能指標數據。

其中標準加速度傳感器中，僅中心位置的一支傳感器作為“監測、控制、計算”傳感器，即在系統運行期間，該傳感器功能為：

①監測校準振動臺振動幅值;

②到達設定點有效范圍內時，以該傳感器輸出值為反饋，通過計算機控制振動臺振動幅值;

③與安裝在中心位置的被校準傳感器輸出信號進行計算。周圍均布的4支標準加速度傳感器只作為“監測、計算”傳感器。

在振動傳感器校準測量不確定度分量中，臺面均勻度誤差引入的不確定度分量貢獻顯著，本文介紹的標準加速度傳感器分布、工作方式，由于每支被校準傳感器軸線均在標準傳感器軸線上，標準傳感器與被測傳感器均為背靠背連接方式，能夠得到有效監測，所以能夠有效消除振動臺臺面均勻度誤差引入的測量不確定度分量。

3.3 降低標準加速度計套組靈敏度誤差引入的不確定度分量

標準加速度計套組的靈敏度作為重要參數，直接決定了校準結果的準確度。

國內傳統的校準裝置中，將檢定證書提供的標準加速度計套組參考點靈敏度輸入計算機中，作為計算標準，進行參考靈敏度、頻率響應、幅值線性度項目校準。顯然，標準加速度計也有頻率響應誤差、幅值線性度誤差，在計算不確定度分量時，并沒有將檢定證書給出的各校準點靈敏度帶入計算式中，單純以參考點靈敏度作為計算標準，因此，在測量結果中會引入靈敏度誤差。

本方案中，該誤差通過C++軟件設計修正使之有效降低：預先在計算機中輸入檢定證書中給出的標準加速度計套組參考靈敏度、各頻率響應校準點靈敏度、各幅值線性度校準點靈敏度。在校準過程中，以最接近各校準點的靈敏度作為計算標準，帶入計算式中。該方法能夠獲得標準傳感器在最接近每個測點的真實靈敏度，從而降低由其引入的不確定度分量。

3.4 不同工況下傳感器的校準比對

在線振動傳感器現場工作時，現場溫度與實驗室校準溫度差別較大，通過上述外置恒溫恒濕箱，可分析傳感器在不同溫濕度情況下的幅值線性及頻率響應特性。通過內置的傾角傳感器，實現了振動臺面傾斜角度的自由控制，適用于現場不同安裝形式的各類傳感器，如GME軸振瓦振探頭。

此外，該套系統軟件設計了儲存功能，對同一出廠編號的探頭進行數據跟蹤，可在下次校準時導出，進行振動探頭的誤差表現跟蹤，便于鑒別潛在不合格的振動傳感器。

4 結語

本文所述的比較法全自動振動標準裝置的方案，可以實現不同類型、多支傳感器同時校準，在相同工況下比對若干數量的被測振動傳感器。通過若干專利裝置能夠大幅提高校準效率、提高校準精度。該套系統功能覆蓋了大部分類型振動測量儀表的校準需求，應用前景較為廣闊。

【參考文獻】

【1】鄒伯敏.自動控制理論3版[M].北京：機械工業出版社，2007.

【2】裘祖榮.精密機械設計基礎1版[M].北京：機械工業出版社，2007.

【3】唐文彥.傳感器4版[M].北京：機械工業出版社，2006.

【4】施文康，余曉芬.檢測技術2版[M].北京：機械工業出版社，2005.

【5】洪寶林.力學計量[M].北京：原子能出版社，2002.

【6】JJG 134—2003磁電式速度傳感器檢定規程[S].

【7】JJG 233—2008壓電加速度計檢定規程[S].

【8】JJG 644—2003振動位移傳感器檢定規程[S].