振動傳感器校準系統改造與驗證

摘" 要：為提高設備使用率，修復故障振動傳感器器校準系統，研究整套系統組成和工作原理。該文通過比較不同信號功率放大器和動態信號分析儀的性能參數，提出替換方案，改裝功率放大器接線方式，計算改造后系統是否滿足要求。結果表明，改造后的系統可以實現振動傳感器的手動校準，調試軟件可以開展加速度傳感器的自動校準。使用該套系統校準結果和304所測量結果進行比對實驗，證明改造后的系統校準能力符合量值傳遞的要求，為振動專業校準結果準確性提供保障。

關鍵詞：動態信號分析儀；功率放大器；振動傳感器；校準系統；加速度傳感器

中圖分類號：TP212" " " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）21-0150-04

Abstract： In order to improve the utilization rate of the equipment and repair the fault vibration sensor calibration system， the composition and working principle of the whole system are studied. The performance parameters of different signal power amplifiers and dynamic signal analyzers are compared， a replacement scheme is proposed， the wiring mode of the power amplifier is modified， and whether the modified system meets the requirements is calculated. The results show that the modified system can calibrate the vibration sensor manually and the debugging software can calibrate the accelerometer automatically. The calibration results of the system are compared with the 304 measured results， and it is proved that the calibration ability of the modified system meets the requirements of value transfer， which provides a guarantee for the accuracy of vibration professional calibration results.

Keywords： dynamic signal analyzer; power amplifier; vibration sensor; calibration system; accelerometer

9610系統作為我所振動專業最高測量標準，承擔著所發動機試車數據可靠性的量值傳遞任務。自2000年投入使用以來，為所型號試制任務做出了卓越貢獻。但由于該套丹麥Bamp;K公司的早期產品，經過多年使用，其中有的配套設備已經多次出現故障，多次咨詢廠家答復不支持該套系統的售后服務。

為了保證實驗室檢定校準能力，使傳感器檢定/校準工作正常開展。利用實驗室現有設備，對9610系統流程進行技術改造，提高振動計量的工作效率，滿足原有量值傳遞的要求。

1" 9610振動傳感器校準系統基本組成原理

9610系統是丹麥Bamp;K公司生產的振動傳感器校準系統，可以實現壓電加速度計、內置電路加速度傳感器等振動傳感器的校準，校準結果不確定度優于1%。由于該套系統具有測量準確度高、抗干擾能力強、校準效率高等優點，在所內振動傳感器校準中發揮著重要的作用。

8305型參考加速度計和2525型電荷放大器組合成3506型標準裝置。該裝置作為一個整體由上級計量檢定部門通過絕對法校準。

2035型雙通道信號分析儀產生正弦或隨機信號。信號經2712功率放大器放大后激勵4808型中頻臺或4809型高頻臺產生振動源。2035型雙通道信號分析儀測量傳感器信號的自譜和其之間的互譜，然后計算2個信號間的傳遞函數，得到加速度傳感器幅值靈敏度。

2" 系統改造方案設計

2.1" 系統故障分析

系統故障主要表現在以下幾點。

1）2712功率放大器損壞后無法驅動振動臺。

2）2035型動態信號分析儀缺少安裝驅動磁盤。

3）目前不再提供原9610系統運行需要的window2000環境。

2.2" 功率放大器參數和替換方案

功率放大器主要由輸入級、前置放大器和功率放大器組成。具有較高的額定電流和電壓模式，可以為4808型振動臺提供較大的功率。輸出電流可以根據需要調節，由于9610系統中原有的2712型功率放大器已經無法使用，實驗室現有一臺2720型功率放大器，分析2臺設備的功能和具體性能和參數見表1。

由表1可以看出，2720型功率放大器技術指標基本滿足9610系統要求，但在接線方式上存在一些不一致的地方。

通過查閱資料和咨詢廠家獲得接線端子連接方式，完成接線端子的改裝如圖1所示，信號源輸出信號接入功放，使用改裝后的功率放大器接線驅動標準振動臺，改變功率放大器的增益旋鈕位置和限制電流大小，振動臺振動劇烈程度發生變化。

2.3" 信號分析儀功能和方案設計

信號分析儀主要由抗混淆濾波器、采樣電路、模數轉換器和存儲器等組成數據采集系統，將被測信號轉換成數字量。這些數字量在FFT運算器中按一定的算法轉換成被測信號的頻譜，并在顯示器上顯示。FFT分析儀可以從頻域、幅值域、時域和時差域分析被測信號，具有功能全，分析速度快，測量參數多，頻率分辨率和幅值測量準確度高等特點。分析2035型信號分析儀和3160型信號分析儀的功能和具體性能和參數見表2。

9610系統中參考傳感器和被測傳感器經過電荷放大器后，根據輸出信號類型選擇轉換開關和衰減器檔位處理后，分析儀進行轉換和分析。

通過表2可以看出，3160型信號分析儀除了可以對內置電路傳感器實現恒流供電以外，還可以對FFT的頻譜圖上對自譜函數作一次和2次頻域計權，得到速度和位移幅值。

2.4" 改造后9610振動傳感器校準系統構成

3160動態信號分析儀具有數據實時分析功能，能夠對信號傳遞函數、兩通道間頻響函數進行實時采集和分析。8305型參考標準加速度傳感器配套電荷放大器組合參考標準加速度計套組。動態信號分析儀產生信號，信號經功率放大器放大后激勵標準振動頻臺產生隨機振動源。3160動態信號分析儀測量傳感器信號的自譜和其之間的互譜，然后計算兩信號間的頻響函數，得到被校傳感器與工作標準加速度計的頻響特性。改造后校準系統構成如圖2所示。

2.5" 振動臺性能分析

4808振動臺出廠指標中空載為112 N，為了安裝傳感器振動臺內裝了空心圓柱面，該圓柱面為0.16 g。中頻臺出廠前已安裝型號為WA0567的校準夾具，查閱出廠資料WA0567的重量為510 g，振動臺檢定中所用8305型傳感器重量為40 g。根據牛頓第二定律F=ma，根據證書查的m=160+510+40=710 g，F=112 N。由于出廠指標中各負載重量存在偏差，經計算，4808振動臺理論上空載加速度幅值能夠滿足145.2 m/s2。

4809振動臺出廠指標中空載為44.5 N，為了安裝傳感器振動臺內裝了空心圓柱面，該圓柱面為0.6 g。振動臺檢定中所用4371型傳感器重量為20 g。根據牛頓第二定律F=ma，根據證書查的a=500 m/s2，m=60+20=80 g，計算F=44.5 N由于出廠指標中各負載重量存在偏差，經計算4809振動臺理論上空載加速度幅值能夠滿足500 m/s2。

2.6" 動態信號分析儀系統安裝運行

電腦的Windows操作系統要求Win7專業版和旗艦版：CPU和內存2 G以上，網卡100 M/1G自適應網卡，IE9.0。

以管理員權限登錄、運行DVD中的Setup.exe或運行自動彈出菜單的Install Pulse連接3160系列前端，設電腦IP為固定地址10.10.10.50。

啟動前端、連接網線、運行Front End Setup、點Browse、找到前端IP、點Apply插上綠色USB加密狗、拷貝授權文件到＼programdata＼Bamp;K＼license）運行Pulse Labshop軟件、在表格中選傳感器、Analyzer、校準、測量、File-gt;Save。后即可實現pulse系統手動校準。

3" 振動傳感器自動校準

3.1" 振動臺頻響曲線

檢定時，軟件首先查找該表初始化信號發生器的輸出電壓。需要測量不同頻率，1 g振動幅值，2720功放增益在最高檔位、14 dB即5倍、最大12 V輸出情況下，所需的信號發生器輸出電壓。通過測量得到數據反比例于振動臺的頻響曲線。

3.2" 參考加速度初始化

參考傳感器初始化，在Instrument菜單下管理校準所用參考傳感器，編輯8305參考加速度傳感器不同頻率下的靈敏度，該數據查詢國防一級計量機構檢定證書得到，這些頻率點必須包含參考點160 Hz的靈敏度。加速度傳感器輸出端通過BNC線連接電荷放大器。電荷放大器低通濾波器為校準頻率的3倍，由于目前所內傳感器最大靈敏度為5 pC/m·s-2，當歸一化旋鈕設置為1 pC/m·s-2，增益檔為常用10 mV/m·s-2時，當校準100 m·s-2時，電荷放大器輸出電壓為5 V，符合電荷放大器最大輸出10 V的要求。

3.3" 工作標準傳感器參考譜測量

選取4371型工作傳感器作為工作標準傳感器，8305型傳感器作為參考標準傳感器，為了保證整套裝置進行穩定性。要測量兩通道的一致性，檢查其幅度、頻率響應的互干性，保證連續測量10次、在參考頻率處2個傳感器的靈敏度比值與初次差異小于0.8%，10次測量的標準差小于0.2%。動態信號分析儀測量并保存工作標準加速度計和參考標準加速度計間的參考譜，通過傳遞函數法得到兩通道之間的頻響函數如圖3所示。

4" 系統調試過程中遇到的問題和應對措施

測量振動臺頻響曲線過程中出現“Transducer Calibration Software”的提示。

解決辦法1：電腦系統版本不合適，返回計算機時重新做系統后該現象并未解決。

解決辦法2：瑞星、諾頓、NOD32防病毒程序會阻止網絡通訊，軟件的防火墻會阻止Front End Setup 程序運行。關閉瑞星程序后可以測量振動臺頻響曲線。

工作標準傳感器測量參考譜過程中出現“Range Error Check”的提示。

解決辦法1：在大振動級值計量時采用了2692型號放大器×10的增益檔。

解決辦法2：在Procedure 中定義參考傳感器時，選擇“Calibration Data”時，需在右邊的頻率列表中至少包含頻率下限和160 Hz兩個頻點。

解決辦法3：由于動態信號分析儀前端缺少1、2通道均衡性數據。編輯分析儀修改數據庫中動態信號分析儀參數，系統故障解決。

5" 傳感器自動校準過程

5.1" 型號校準流程設置

設置校準樹狀圖中的節點，在彈出菜單中點新建型號，輸入待檢傳感器的基本信息，如傳感器質量、安裝共振頻率、傳感器與參考平面之間的接觸面耦合直徑、被檢傳感器最大量程等。

5.2" 校準傳感器

根據已定義好的“校準流程”節點，進入選擇序列號菜單選取被測對象。DUT SN被測對象序列號：如被測對象曾經校準過，則從“DUT SN”下拉框中選取即可。

新的被測對象，點擊“新建被測對象New DUT”。在Customer下拉框中選取客戶單位（送檢單位）名稱。當客戶單位尚未建立，點擊“客戶數據庫”按鈕進入“客戶單位”界面。在SN：文本框輸入序列號。

5.3" 開始校準

根據提示被檢傳感器連接、工作標準傳感器連接、功放增益處于Cal位置。完成校準后按照作業指導書要求的格式出具原始記錄和證書。

5.4" 結果驗證

選取實驗室編號為1777443加速度計作為被測對象。查找傳感器304所的檢定后數據，得到傳感器參考靈敏度和測量結果的不確定度。

傳感器用9610系統開展驗證工作，將被測傳感器和標準加速度背靠背安裝在標準振動臺面。用型號為2692-OS4-電荷放大器將電荷量放大為電壓輸出，輸出端分別接數據分析儀3160輸入1通道和輸入2通道。在加速度幅值為10 m/s2，頻率為20、40、80、160、315、630、1 250和2 000 Hz時得到傳感器頻率響應。在振動頻率為160 Hz時，振動幅值為10、20、30、40和50 m/s2時得到傳感器幅值線性度。

采用En值對校準結果進行評定，將參考實驗室的壓電加速度計測量結果和本實驗室的測量結果進行比較，按照下式計算

式中：x為本次實驗校準結果；X為參考實驗室的校準結果；Ulab為本次實驗擴展不確定度；Uref為參考實驗室校準結果的擴展不確定度。

當Engt;1時，表示校準結果滿意；當En≤1，表示實驗室校準結果為不滿意。必須查找原因，并且采取糾正措施后重新驗證。

6" 結論

9610系統改造后，使用該套設備可以完成振動傳感器、振動試驗系統的檢定校準工作。調試自動校準軟件，實現加速度傳感器的自動校準。解決了9610系統2712功率放大器損壞后無法驅動振動臺；2035型動態信號分析儀缺少安裝磁盤的問題。通過結果驗證，本次比對實驗|En|值小于1，表明本次實驗結果準確可靠。改造后9610系統校準能力符合量值傳遞的要求。為振動專業校準結果準確性提供保障。

參考文獻：

[1] 于梅.壓電加速度計檢定規程：JJG233—2008[S].北京：中國計量出版社，2008.

[2] 李宗揚.計量技術基礎[M].北京：原子能出版社，2002.

[3] 施昌彥.測量不確定度評定與指南[M].北京：中國計量出版社，2000.

[4] 倪育才.實用測量不確定度評定[M].北京：中國計量出版社，2009.

[5] 趙朝前.力學計量[M].北京：中國計量出版社，2004.