关于改良比较法中频振动标准装置的研究

周龙 吴伟

【摘 要】论文主要从工作原理、硬件结构设计、软件逻辑3方面进行了阐述。可实现位移传感器静态指标的自动校准，以及位移传感器、速度传感器和加速度传感器3类不同类型振动传感器动态指标的同平台校准，还解决了计算软件在使用标准传感器参考灵敏度方面的不足。

【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.

【关键词】全自动;光栅;不确定度

【Keywords】automatic; grating; uncertainty

【中图分类号】TH825                                            【文献标志码】A                                【文章编号】1673-1069（2019）08-0160-03

1 引言

本文介绍的一种自主研发的振动校准分析系统，可完成对加速度传感器、振动速度传感器以及振动位移传感器的校准工作。随着该测试系统的持续研究调试，不断总结经验，针对测量疑难点进行了缜密的分析及改进，最终形成了一套可行的研究方案。该方案能够有效提高测量准确度，同时也能够大幅降低劳动强度，提高振动传感器的校准工作效率。

2 振动传感器校准装置原理

2.1 硬件基本结构

本系统基本设计方案由标准加速度计、电荷放大器、激振器、功率放大器、激励控制器（数据采集器）和计算机等组成。

装置的基本原理包括：以比较法进行检定，将被检传感器与标准加速度计背靠背螺栓刚性连接，通过在计算机控制软件输入所需幅值和频率的参数，控制器产生相应的信号，功率放大器接收信号指令，推动标准振动台产生相应幅值和频率的振动[1]。台面上安装的标准加速度计监测振动信号，经过电荷放大器将电荷转换成振动值，输出至控制器，以深度负反馈放大电路实现振动量级和频率的闭环控制[2]。振动幅值稳定后，被检振动传感器输出值与标准加速度计输出值经计算机计算得出示值误差。原理如图1所示。

2.2 软件整体逻辑

为提高整体工作效率，降低人为误差，本系统采用全自动校准，预先输入标准加速度计、被校准传感器参考灵敏度，校准点频率、幅值等相关标准参数，采集标准加速度计测得的振动信号，通过计算机PID闭环控制激振器振幅、频率，达到目标值范围内，保持动态平衡[3]。此时，系统数据采集器测得的被校准传感器将输出至中计算，得到幅值灵敏度、频率响应、幅值线性度等参数，最后自动输出报告。系统能自动存储相关校准参数选项卡，根据仪表的出厂编号，下次校准时能直接调用，并能存储单个传感器的测量误差趋势，以方便鉴别潜在不合格的测量传感器[4]。

3 关键技术应用

上述基本方案能够实现加速度传感器、磁电式速度传感器全自动校准，很大程度上提高了工作效率，针对引言中提出的需求，本文将从研究方案中以下四个关键技术点进行阐述：

①振动位移传感器静态指标全自动快速校准;

②多支传感器同时校准、多种安装角度工况模拟、温度工况模拟，全自动校准的实现[5];

③不同类型传感器混合校准;

④降低标准加速度计套组灵敏度误差引入的不确定度分量，提高系统测量精度。

3.1 振动位移传感器静态指标全自动快速校准

全自动振动位移传感器静态校准装置结构如图2所示。计算机作为中央控制单元，将输入的测量点信号输出至驱动电机以控制其旋转，驱动电机带动精密丝杠螺旋传动副转动，使得动光栅移动，从而得到光栅位移信号。存储数据采集器采集的被校准传感器电压信号、光栅位移信号和压电传感器接触信号，将位移信号和压电传感器接触信号反馈给驱动电机，以控制其减速和停止[6]。电压信号在计算机中参与最小二乘法计算得到零值误差、传感器灵敏度、重复性、线性度和回程误差。

被检传感器安装在夹持架上，点击开始校准后，计算机控制驱动电机工作，使得测量盘靠近传感器，接触时，测杆轻微的机械变形会触发压电元件产生电信号，计算机监测到此电信号，即停止测杆移动，测出传感器的输出信号，再与满量程时传感器的输出信号（测量盘距离传感器足够远时测得的电压信号）之比，即为传感器的零值误差[7]。

零值误差、静态灵敏度、静态幅值线性度、回程误差、幅值重复性校准过程均为全自动模式。按照JJG 644—2003《振动位移传感器检定规程》相关要求[8]，将公式写入软件计算，仅需安装好传感器，在计算机中输入所需校准的项目和对应的测量点，点击开始按钮后，计算机即可发出移动信号指令，控制驱动电机工作，带动精密丝杠传动副旋转，通过光栅尺测得的位移量反馈至计算机软件，进而控制驱动电机转速降低，目标值后停止转动，采集位移传感器输出电压值。最后所得的所有數据在计算机软件中自动计算并输出报告。

整个过程自动化程度非常高，且采用的光栅位移测量装置精度较传统的千分尺精度高出几个数量级，能有效降低标准器及人为因素引入的测量不确定度。

3.2 不同类型、多支传感器同时校准的实现

新型测试分析系统硬件示意图如图4所示，本设计方案所述的校准装置包括频率发生器、功率放大器、多通道电荷放大器、多通道数据采集器、计算机、被校准位移传感器、位移传感器测量板面、被校加速度或速度传感器、标准加速度传感器、位移传感器固定支架、校准振动台、机柜，此外还包括外置的恒温恒湿箱。本装置还可通过倾角传感器及控制器自动调节振动台角度，从水平至垂直任意方向模拟现场任意安装角度。

当装置开始工作时，频率发生器产生一个正弦振动量经过功率放大器将信号放大后传递到校准振动台，使得校准振动台按照设定的频率和幅值沿着垂直方向振动。

标准加速度传感器内置安装在台面的中心和周围间隔90度均布的四个位置，在台面上对应标准加速度计位置设置5个传感器安装孔，在4个90度传感器安装孔间隔45度方向设置4个位移测量板面安装孔。

将被校准的速度或加速度传感器安装在台面的5个安装孔，安装好位移传感器测量板面，并将位移传感器安装在专用固定台架上。标准加速度传感器输入端与多通道电荷放大器连接使得信号放大后再连接到多通道数据采集器的第一至五通道。被校速度或加速度传感器输出端与多通道数据采集器的第六至十通道连接。将采集到的标准加速度传感器和被校速度或加速度传感器电压信号在计算机中进行对比分析和显示，以得到被速度或校加速度传感器的灵敏度、频响曲线和幅值线性度，完成多个速度或加速度传感器灵敏度的校准。

被校准位移传感器的输出端与数据采集器的第十一至十五通道连接，数据采采集器对被校准位移传感器检测的输出信号进行采集，计算机将输出电信号转化成位移信号，通过计算机软件计算，得到被校准位移传感器的动态性能指标数据。

其中标准加速度传感器中，仅中心位置的一支传感器作为“监测、控制、计算”传感器，即在系统运行期间，该传感器功能为：

①监测校准振动台振动幅值;

②到达设定点有效范围内时，以该传感器输出值为反馈，通过计算机控制振动台振动幅值;

③与安装在中心位置的被校准传感器输出信号进行计算。周围均布的4支标准加速度传感器只作为“监测、计算”传感器。

在振动传感器校准测量不确定度分量中，台面均匀度误差引入的不确定度分量贡献显著，本文介绍的标准加速度传感器分布、工作方式，由于每支被校准传感器轴线均在标准传感器轴线上，标准传感器与被测传感器均为背靠背连接方式，能够得到有效监测，所以能够有效消除振动台台面均匀度误差引入的测量不确定度分量。

3.3 降低标准加速度计套组灵敏度误差引入的不确定度分量

标准加速度计套组的灵敏度作为重要参数，直接决定了校准结果的准确度。

国内传统的校准装置中，将检定证书提供的标准加速度计套组参考点灵敏度输入计算机中，作为计算标准，进行参考灵敏度、频率响应、幅值线性度项目校准。显然，标准加速度计也有频率响应误差、幅值线性度误差，在计算不确定度分量时，并没有将检定证书给出的各校准点灵敏度带入计算式中，单纯以参考点灵敏度作为计算标准，因此，在测量结果中会引入灵敏度误差。

本方案中，该误差通过C++软件设计修正使之有效降低：预先在计算机中输入检定证书中给出的标准加速度计套组参考灵敏度、各频率响应校准点灵敏度、各幅值线性度校准点灵敏度。在校准过程中，以最接近各校准点的灵敏度作为计算标准，带入计算式中。该方法能够获得标准传感器在最接近每个测点的真实灵敏度，从而降低由其引入的不确定度分量。

3.4 不同工况下传感器的校准比对

在线振动传感器现场工作时，现场温度与实验室校准温度差别较大，通过上述外置恒温恒湿箱，可分析传感器在不同温湿度情况下的幅值线性及频率响应特性。通过内置的倾角传感器，实现了振动台面倾斜角度的自由控制，适用于现场不同安装形式的各类传感器，如GME轴振瓦振探头。

此外，该套系统软件设计了储存功能，对同一出厂编号的探头进行数据跟踪，可在下次校准时导出，进行振动探头的误差表现跟踪，便于鉴别潜在不合格的振动传感器。

4 结语

本文所述的比较法全自动振动标准装置的方案，可以实现不同类型、多支传感器同时校准，在相同工况下比对若干数量的被测振动传感器。通过若干专利装置能够大幅提高校准效率、提高校准精度。该套系统功能覆盖了大部分类型振动测量仪表的校准需求，应用前景较为广阔。

【参考文献】

【1】邹伯敏.自动控制理论3版[M].北京：机械工业出版社，2007.

【2】裘祖荣.精密机械设计基础1版[M].北京：机械工业出版社，2007.

【3】唐文彦.传感器4版[M].北京：机械工业出版社，2006.

【4】施文康，余晓芬.检测技术2版[M].北京：机械工业出版社，2005.

【5】洪宝林.力学计量[M].北京：原子能出版社，2002.

【6】JJG 134—2003磁电式速度传感器检定规程[S].

【7】JJG 233—2008压电加速度计检定规程[S].

【8】JJG 644—2003振動位移传感器检定规程[S].