便攜式現場低頻振動校準裝置

朱 剛 楊曉偉 戴宜霖 田俊宏 崔忠亮

(北京航天計量測試技術研究所，北京 100076)

1 引 言

結構的模態試驗一般使用多點激勵多點測試(MIMO)的試驗方式，模態中的諧振頻率和振型等主要技術參數是通過測試輸入力(激勵)和輸出加速度(響應)的傳遞函數進行分析和計算。輸出加速度響應一般使用加速度傳感器、配套的適調放大器以及數據采集和分析系統采集。對于大型結構，例如運載火箭全箭模態試驗[1]，其結構的諧振頻率較低(均在20Hz以內)，用于振動測量的振動傳感器有近千通道，若將相關振動測試設備送實驗室校準，將極大的影響試驗的進度。開展現場低頻振動校準，不僅可以節約時間，還可以對結構振動測試系統進行整體校準，提高測試結果的準確度和穩定性。

市場上成熟的便攜式振動校準器頻率范圍一般為20Hz～10kHz之間，專門用于低頻振動的便攜式振動校準器并未有成熟產品。因此，解決大型結構模態試驗系統的現場校準就成為難題。國內外的低頻標準振動臺主要生產廠家包括美國APS公司生產的基于直線電機推進的低頻標準振動臺系列，其頻率一般從(0.4～20)Hz，但是由于其質量一般在50kg以上，并不便于攜帶[2]。國內使用的用于建立低頻振動標準裝置的低頻標準振動臺，為了達到較高的可靠性，其質量一般在200kg以上[3]，顯然無法滿足現場低頻振動校準的需求。

本文介紹了一種便攜式低頻振動校準裝置，其低頻標準振動臺質量輕，配合便攜式的功率放大、控制與數據采集器，可以實現現場的低頻振動校準。

2 低頻振動校準裝置構建

低頻振動校準裝置包括低頻參考加速度計，低頻標準振動臺，功率放大、控制與數據采集器以及配套的全自動校準軟件等組成。低頻振動校準的原理圖如圖1所示，校準裝置如圖2所示。

圖1 低頻振動校準原理圖Fig.1 Schematic diagram of low-frequency vibration calibration

圖2 便攜式現場低頻振動校準裝置Fig.2 Portable low-frequency vibration calibration system for field service

2.1 低頻參考加速度計

受到低頻振動位移的限制，低頻振動標準裝置能夠產生的加速度較低，為了提高測量系統的信噪比，需選取靈敏度高、輸出穩定的加速度計作為低頻參考加速度計。本裝置選用CA-YD-188型加速度計，其靈敏度為50.6 mV/ms-2，加速度計經過低頻振動標準裝置的絕對法校準，可以作為低頻振動的參考加速度計使用。

2.2 低頻標準振動臺

低頻標準振動臺采用洛侖茲力原理，交流電線通電圈產生交變磁場，交變磁場在固定磁場中使線圈產生運動。采用高效能的左右對稱雙磁路結構，使用永久磁鋼提供磁能，用高導磁材料做磁芯，避免采用勵磁線圈時因恒流源輸出波動及線圈發熱的問題，保證長行程內的磁場均勻。

標準振動臺如圖3所示，其質量為14.8kg，外形尺寸為250mm×110mm×200mm，位移峰峰值為100mm，可以保證在低頻段有較高的加速度信噪比。

圖3 低頻標準振動臺Fig.3 Low-frequency standard vibrator

低頻標準振動臺的運動部分采用氣浮結構，使用氣壓為0.3MPa的壓縮空氣作為空氣軸承。這樣的設計可以極大地減小運動的摩擦力以及來自摩擦阻力方面非線性影響，達到降低加速度波形失真度、減小橫向運動比的作用。低頻標準振動臺臺面使用L型工裝結構，參考加速度計水平安裝在振動臺的工裝上，被校振動傳感器與其背靠背安裝在一條直線上。低頻標準振動臺裝有萬向夾，用于在大位移情況下夾持氣管和傳感器線纜，避免對振動產生干擾[4]。

2.3 功率放大、控制與數據采集器

為了達到便攜的要求，本裝置將功率放大器、控制與數據采集器集成化為一體式的機箱，機箱的外形尺寸為370mm×235mm×110mm，質量為3.3kg。

根據計算，低頻標準振動臺在最大推力下的功率達到100W。在滿足驅動功率要求的前提下，使用開關電源作為其供電方式，可以大大減輕功率放大器部分的質量。低頻標準振動臺的運動控制采用了光柵尺作為反饋元件，使用基于DSP控制技術進行反饋控制，通過對運動位移、速度和加速度三個指標復合反饋保證了振動臺的低頻段具有較小的諧波失真度。裝置采用了1通道信號發生器、4通道電信號輸入的信號處理系統，可以同時校準3路振動信號，有利于提高工作效率。功率放大、控制與數據采集器還包括振動臺的自動對中功能，以及振動臺內部溫度、電流和速度等參數的監測和報警功能，如圖4所示。

圖4 功率放大、控制與數據采集器Fig.4 Amplifier，control and data aquistion device

2.4 校準軟件

本裝置采用全自動校準軟件，包括對參考加速度計頻率響應的自動修正，被校準傳感器的供電方式、類型的選擇，校準結果的自動保存和計算等功能，軟件界面如圖5所示。

圖5 校準軟件Fig.5 Calibration software

2.5 主要技術指標測試

根據《JJG298-2015 標準振動臺》[5]檢定規程對本裝置的橫向振動比等主要技術指標進行測試，測試結果如表1和表2所示。測試結果表明，研制的便攜式現場低頻振動校準裝置的主要技術指標完全滿足規程的要求，可用于振動傳感器的校準。

表1 低頻標準振動臺主要技術指標測試結果Tab.1Testresultofstandardvibrator頻率(Hz)加速度幅值(m/s2)頻率示值誤差(%)加速度諧波失真度(%)橫向運動比(%)0.10.0150.021.21.80.20.070.010.92.10.50.40.010.51.5110.010.21.2220.010.22.8550.010.12.010100.010.11.820100.010.13.6

表2 振動控制系統主要技術指標測試結果Tab.2 Testresultofvibrationcontrolsystem頻率(Hz)加速度幅值(m/s2)電壓測量誤差(%)電壓比測量誤差(%)加速度幅值控制誤差(%)0.10.0150.120.050.80.20.070.090.040.70.50.40.100.040.5110.080.050.5220.050.050.3550.060.040.210100.050.030.320100.020.020.3

3 校準結果

依據《JJG233-2008 壓電加速度計》檢定規程，使用便攜式現場低頻振動校準裝置對美國ENDEVCO公司生產的7754型低頻振動傳感器(編號：AA20)進行校準，該加速度計頻率響應校準結果如表3所示。

表3 頻率響應校準結果Tab.3 Calibrationresultoffrequencyresponse頻率(Hz)0.10.20.51251020加速度(m/s2)0.0150.070.41251010靈敏度(mV/ms-2)101.6101.5101.4101.2100.9100.299.999.5

在10Hz下，該加速度計幅值線性校準結果如表4所示。

表4 幅值線性校準結果Tab.4 Calibrationresultoflinearity加速度(m/s2)0.20.512510靈敏度(mV/ms-2)99.899.899.899.999.999.9

4 測量結果的不確定度評定

4.1 測量模型

便攜式現場低頻振動校準裝置開展校準其數學模型為

(1)

式中：Sd——被校傳感器的靈敏度；Vd——被校傳感器的電壓輸出；Vr——參考加速度計的電壓輸出；Sr——參考加速度計的靈敏度。

4.2 A類標準不確定度來源和評定

便攜式現場低頻振動校準裝置進行不確定度評定時，A類方法評定的不確定度主要來源于測量的重復性。設定校準頻率為1Hz，校準加速度為1m/s2，對美國ENDEVCO公司生產的7754型低頻振動傳感器(編號：AA20)的靈敏度測量8次，測量值如表5所示。

表5 靈敏度重復測量結果Tab.5 Calibrationresultofsensitivity測量次數12345678靈敏度?i/(mV/ms-2)101.2101.3101.2101.1101.2101.3101.3101.3

靈敏度測量值的平均值

(2)

靈敏度測量平均值的實驗標準偏差

(3)

靈敏度測量值的A類標準不確定度uA以相對值表示為

(4)

4.3 B類標準不確定度來源和評定

使用便攜式低頻振動校準裝置對加速度靈敏度進行測量時，B類方法評定的不確定度主要來源如表6所示。

表6 B類不確定度分量Tab.6 Uncertainty components of method B 序號不確定度來源服從分布包含因子不確定度大小1參考加速度計套組靈敏度正態20.50%2電壓比測量的影響均勻30.05%3諧波失真度均勻30.12%4交流噪聲均勻30.06%5橫向運動比特殊30.40%6加速度計安裝均勻30.06%7加速度計溫度響應均勻30.29%8加速度計的非線性均勻30.06%9適調放大器的非線性均勻30.017%10其他環境條件(噪聲、磁場等)均勻30.06%11其他影響因素(隨機效應等)均勻30.06%

根據以上不確定度來源，得到加速度靈敏度測量的B類不確定度uB為

(5)

4.4 合成標準不確定度

加速度靈敏度測量結果的不確定度分量獨立無關，故加速度靈敏度測量結果的合成標準不確定度uc為

(6)

4.5 擴展不確定度

取包含因子k=2，則加速度靈敏度測量結果的擴展不確定度為

U=k·uc=1.5% (k=2)

(7)

根據以上測量不確定度評定方法，可以得出，在便攜式現場低頻振動校準裝置的全量程范圍內，加速度靈敏度的不確定度在2.0%以內。

根據《JJG233-2008壓電加速度計》檢定規程的要求，使用比較法進行加速度計的靈敏度測試，其加速度校準不確定度在2.0%以內[6]。與試驗結果比較可見，使用便攜式現場低頻振動校準裝置開展振動傳感器的校準，其校準結果的不確定度完全能夠滿足檢定規程的要求。

4.6 校準不確定度驗證

根據《GJB 2749A-2009 軍事測量計量標準建立與保持通用要求》的規定，采用兩臺比對法，對以上測量不確定度進行驗證。

將本文中使用的美國ENDEVCO公司生產的7754型加速度計，在校準頻率為1Hz，校準加速度為1m/s2，使用本校準裝置的靈敏度測量結果y1為101.2 mV/ms-2，校準不確定度為U1為1.5%(k=2)。在北京航天計量測試技術研究所低頻振動標準裝置上進行校準，靈敏度測量結果y2為101.3 mV/ms-2,校準不確定度為U2為1.0%(k=2)。為了驗證該評定方法是否合理，驗證結果應符合公式(8)的要求。

(8)

式中：y1——本裝置的校準結果；y2——低頻振動標準裝置校準結果；U1——本校準裝置校準不確定度；U2——低頻振動標準裝置校準不確定度。

將數據代入公式(8)計算，可得

從驗證結果可以看出，本裝置滿足測量標準性能的驗證要求，驗證了便攜式現場低頻振動校準裝置測量不確定的合理有效。

5 結束語

本文介紹了一種便攜式的可用于現場低頻振動校準的校準裝置，對其進行了性能測試，并進行了校準不確定度的評定和驗證。實踐表明，校準裝置質量輕、易于攜帶，同時其失真度、橫向運動比等主要技術指標高于相關技術要求，可用于現場低頻振動校準。