三軸向現場校準振動系統的研究*

于來寶，宋 晶，袁 博

(武漢城市職業學院，湖北 武漢 430071)

0 引言

近年來，隨著振動監測技術的發展，低頻振動傳感器獲得了廣泛應用。為了保證測量準確，需要對振動傳感器進行校準檢定，其目的是在整個幅值和頻率范圍內確定傳感器的校準系數。校準的參數包括靈敏度、幅頻響應、橫向靈敏度等，以保證使用這些傳感器獲得準確的測量結果。但同時我們注意到，目前大量的振動傳感器被用于長期監測，長期監測的要求使得這些傳感器很難被拆除后送至實驗室校準，且傳統檢定設備和方法測試過程繁瑣，檢定周期長，獲取數據量少，回溯過程困難。以核電站為例，按照核電儀表的技術規范要求，每個換料周期(大修)，加速度傳感器校準一次，校準的內容包括傳感器的靈敏度、幅頻特性、橫向靈敏度等參數。核電站大修時間窗口較小，而可用于加速度傳感器的檢定時間更加短暫，加速度傳感器的校準檢定，必須要在短時間內快速完成，稍有延遲即有可能造成巨大的經濟損失。為解決這一問題，目前不同的核電站主要采用了以下方式進行校核：①針對0 Hz～50 Hz傳感器，按照《地震觀測儀器質量檢驗規則》中的靜態重力法進行靈敏度的檢測，檢測過程需要用到分度頭進行角度回轉，采用萬用表、示波器等進行數據檢測和波形觀察，并獲取數據；②針對0.1 Hz～33 Hz傳感器，采用中國地震局工程力學研究所生產的單軸向振動臺系統、示波器等獲取數據。上述兩種方法在一定程度上可以滿足低頻振動加速度傳感器現場校準的要求，但在實際操作過程中我們發現，這些校準方法均存在一定的局限性。此外，水電站大壩、高層建筑等用到的加速度傳感器的校準也存在類似的問題。

為解決這些問題，本文設計了一種新型三軸低頻振動臺系統，有別于實驗室校準設備，除滿足校準需求外，需要振動臺具有可移動、尺寸小、重量輕、便攜性好等特點。

1 三軸低頻振動臺系統整體設計

所設計的振動臺系統結構如圖1所示，它采用比較法標定低頻加速度傳感器，由激振器、DDS與功率放大模塊、測試電路等部分組成。信號發生器產生的電信號經振動臺伺服控制系統中的功率放大器放大后通過導線輸入到振動臺的激振器動圈中，從而使與激振器動圈連接的臺面產生往復振動。與臺面固定連接的相對速度計檢測臺面的相對運動速度或位移，它產生的電信號輸給伺服控制系統來檢測臺面運動的速度參量，同時，相對速度的輸出經伺服放大器放大后，與信號發生器產生的信號疊加，最后經功率放大后輸入激振器的動圈中形成閉環伺服系統，使包括臺面在內的運動部件產生大阻尼，從而改善振動臺的低頻特性、提高穩定度和改善失真度。

圖1 三軸低頻振動臺系統整體結構示意圖

校準過程采用比較法，將被校準傳感器和經過國家計量部門嚴格校準過的標準傳感器并排地安裝在振動臺的臺面中心,在參考頻率和參考加速度下進行標定,通過對比標準傳感器與被測傳感器的電輸出及加速度值即可獲得相應參數。

2 機械結構設計

為實現三個軸向的現場測量校準，振動臺采用如圖2所示的機械結構。

圖2中，水平座板23的下表面四角各開設有一個第I調平盲螺孔；縱向直立座板24的左表面四角各開設有一個第II調平盲螺孔；縱向直立座板24的右表面下邊緣與水平座板23的左端面固定；第I調平螺栓17的數目為4個；4個第I調平螺栓17的尾端分別旋擰于4個第I調平盲螺孔內；第II調平螺栓1的數目為4個；4個第II調平螺栓1的尾端分別旋擰于4個第II調平盲螺孔內；第I水準泡4固定于水平座板23的上表面；第II水準泡2固定于縱向直立座板24的右表面。

在進行傳感器水平向X、Y校準時，振動臺如圖2所示擺放，被測傳感器敏感軸與激振器振動方向平行，通過水平底板的4個第I調平螺栓和氣泡配合調平臺面，即可啟動校準過程；同理，在進行Z向校準時，需將振動臺逆時針旋轉90°，縱向直立座板與地面平行，通過4個第II調平螺栓與垂直向氣泡配合調平臺面，即可啟動Z軸校準過程。

1-第II調平螺栓；2-第II水準泡；3-激振器；4-第I水準泡；5-第I橫向連桿；6-第I支撐立柱；7-第I支撐橫梁；8-第III緊固螺栓；9-第IV緊固螺栓；10-第II支撐橫梁；11-第II支撐立柱；12-第II橫向連桿；13-平衡彈簧；14-第III橫向連桿；15-縱向直立支撐板；16-調節螺栓；17-第I調平螺栓；18-第II條形彈片；19-第II緊固螺栓；20-T形安裝板；21-第I緊固螺栓；22-第I條形彈片；23-水平座板；24-縱向直立座板圖2 振動臺機械結構示意圖

3 電路系統設計

裝置的數采模塊選擇單片機C8051F020為控制器，選擇LTC1865為采集芯片，采集單元電路如圖3所示。檢測到的數據以串口傳送到PC端，在PC端進行數據處理。

圖3 采集單元電路

考慮到加速度傳感器工作的頻率范圍，設置截止頻率為50 Hz，計算可得低通濾波電容為0.1 μF。同時使用外置高精度電壓基準源MAX873進一步提高系統精度。

4 系統測試

為檢驗所設計系統的性能，采用所設計系統進行加速度傳感器的校準，并進行數據分析，分析過程采用比較法。

比較校準法是將被校準傳感器和經過國家計量部門嚴格校準過的標準傳感器并排地安裝在振動臺的臺面中心,在參考頻率和參考加速度下進行標定,通過對比標準傳感器與被測傳感器的電輸出及加速度值即可獲得相應參數。校準的參數是加速度傳感器的主要參數，包括靈敏度、幅頻特性和橫向靈敏度。

4.1 靈敏度數據

將被測傳感器和經過國家計量部門嚴格校準過的標準傳感器并排地安裝在振動臺的臺面中心,振動臺面產生正弦波，由于被校準傳感器與標準傳感器受到相同的正弦激勵幅度,其電壓輸出之比即為其靈敏度之比。通過換算可知，被標定傳感器的靈敏度Sa為：

(1)

其中：Sr為標準傳感器的靈敏度，Sr=10 V/g；ur和ua分別為標準傳感器和被標定傳感器的輸出電壓。

不難看出，要得出被測傳感器的靈敏度，需要分別測出兩個傳感器對同一振動的相應電壓。通過測試，獲得的數據如表1所示。

表1 靈敏度測試數據

通過分析，使用校準臺測得的靈敏度數據穩定。

4.2 幅頻特性數據

將被測傳感器和經過國家計量部門嚴格校準過的標準傳感器并排地安裝在振動臺的臺面中心,振動臺面產生正弦波，通過對數采通道增益系數進行設置，可使被測傳感器和標準傳感器輸出相同的加速度。同時，得到測試頻率相應范圍內的各個頻率，如表2所示。

表2 幅頻特性測試數據

以檢測頻率為橫坐標，以被測傳感器與標準傳感器輸出加速度為縱坐標，可畫出幅頻特性曲線，如圖4所示。

圖4 幅頻特性曲線

通過分析，使用校準臺測得的幅頻特性一致性好，數據穩定。

4.3 橫向靈敏度數據

橫向靈敏度為振動軸向與非振動軸向的加速度比值，計為Rs，按下式計算：

Rs=ST/S.

(2)

其中：ST為被測傳感器橫向輸出的加速度值；S為標準傳感器輸出的加速度值。

當振動軸為X時，Y、Z為非敏感軸，只需檢測三軸向的電壓輸出，即可根據公式(2)獲得Y、Z軸的橫向靈敏度數據。測試過程獲得的多組數據如表3所示。表3中，X為靈敏軸標準傳感器輸出，Y、Z分別為被測傳感器Y、Z軸輸出。

表3 橫向靈敏度測試數據

實踐表明，系統穩定可靠，可用于現場校準。

5 結語

本文設計了一種新型三軸低頻振動臺系統，給出了系統機械結構、電路系統的設計方案，對采用該系統進行現場校準的傳感器的靈敏度、橫向靈敏度、幅頻特性的校準流程進行了研究和評估，并詳細討論了檢測后數據的處理過程，給出了部分數據處理結果。本文提出的測試方法已在工程實踐中得到應用，且得到的數據真實可靠，該方法具有一定的推廣價值。