基于快速傅里叶变换的振动回转计校准方法

【摘要】 介绍了一种基于快速傅里叶变换的振动回转计的工作原理和校准方法，对典型的振动回转计进行了校准，在给出的校准点上，校准结果符合要求。解決了基于快速傅里叶变换的振动回转计振动转速参量的校准问题，为该类仪器的校准提供了技术依据。

【关键词】 振动回转计;振动转速;快速傅里叶变换

【DOI编码】 10.3969/j.issn.1674-4977.2021.04.018

A Calibration Method of Vibration Tachometer Based on Fast Fourier Transform

WEI Wei-li

（Liaoning Provincial Institute of Measurement，Shenyang 110004，China）

Abstract： The working principle and calibration method of a vibration tachometer based on fast Fourier transform are introduced. The typical vibration tachometer is calibrated，and the calibration results meet the requirements at the given calibration points. This paper solves the calibration problem of the vibration rotational speed parameters of the vibration tachometer，and provides the technical basis for the calibration of this kind of instrument.

Key words： vibration tachometer;vibration speed;fast Fourier transform

振动回转计，是利用振动原理测量被测物振动频率或振动转速的一类计量器具。振动回转计广泛应用于电力、钢铁、石化等行业的风机、水泵、压缩机、汽轮机等旋转机械和其它设备的振动测量领域，通过对振动频率和振动转速的检查测量，以监测设备运行是否正常。

典型的振动回转计主要由振动传感器（通常为压电加速度计）、放大器和指示或记录装置组成。振动回转计主要通过振动传感器内的压电晶体作为敏感器，通过快速傅里叶变换（简称FFT），对采集到的振动信号进行分析处理，并在频域下获得主要的振动频率信息，并将这些振动频率换算为振动转速。

振动回转计通常采集的是旋转机械上的振动信号，具有一定的周期性，但并非规律的脉冲信号，其频谱中会含有其他振动源的干扰信号以及一定的本底噪声和环境噪声，因此振动回转计与JJG 105-2019《转速表》中描述的常规转速表的工作原理完全不同，对其计量特性的校准方法也不尽相同。而JJG 676-2019《测振仪》中主要是对工作测振仪的频率响应和幅值非线性度等振动幅值参量进行校准，新修订后的工作测振仪检定规程中虽然增加了振动频率示值误差的校准，但仍未直接涉及振动转速参量的校准内容。因此，目前国内还没有完全适用于振动回转计校准的规程和规范。本文在充分分析振动回转计的工作原理基础上，与工作测振仪校准方法相结合，研究了一种基于快速傅里叶变换的振动回转计的振动转速校准方法，为该类仪器的校准提供了技术依据，校准结果验证了校准方法的准确可行。

1 测量范围和术语

振动回转计的校准思路与比较法振动校准原理基本一致，考虑到振动回转计的实际使用范围，以及标准振动台和标准压电加速度计的适用频率范围，校准方法主要适用于300～60000 r/min范围内振动感应式振动回转计的校准。

振动回转计的校准过程中除使用了JJF 1156《振动、冲击、转速计量术语及定义》术语和定义以外，还引入了脉冲转速比（pulse speed ratio）的概念。脉冲转速比是指发动机或旋转设备在不同冲程和缸数时，每一缸线产生的脉冲数与发动机转速之比，一般用符号P/R表示。脉冲转速比在振动回转计中设置，通常为0.5、1、1.5、2、2.5、3、4等。脉冲转速比的概念在JJF 1375-2012《机动车发动机转速测量仪校准规范》中有描述，由于机动车发动机转速测量仪和振动回转计在传感器和采集原理上基本不同，本文只引用了脉冲转速比的概念，在校振动回转计的准脉冲转速比线性度时，作为被测振动转速参量的系数参与计算，对其实际含义不做一致性讨论。

2 计量特性

振动回转计校准主要考察的技术指标为振动回转计振动转速的示值误差、示值变动性以及脉冲转速比线性度（如适用）。由于振动回转计为接触式转速测量模式，且受到比较法振动校准标准设备的准确度限制，以及JJG 676-2019《测振仪》中对振动频率示值最大允许误差的规定，本文给出的振动回转计转速示值的最大允许误差：±0.5%;示值变动性不大于0.5%;脉冲转速比线性度（如适用）的最大允许误差：±0.5%;并且以上所有指标不用于合格性判定，仅作为被校振动回转计的计量特性参考。

3 校准环境

振动回转计的校准与在常温下就可以进行，无特殊要求，温度为：（23±5） ℃;相对湿度为：≤75%;电源电压的变化应在额定电压的±10%范围内;室内无腐蚀性介质、无明显的干扰振源和强电磁环境。

4 测量标准及其他设备

振动回转计校准所需的计量标准器如下：

振动标准套组（包含适调放大器）：在校准范围内，参考灵敏度的相对扩展不确定度不大于1.0%，k=2;标准振动台（包含功率放大器）：在校准范围内，频率示值误差≤±0.1%;稳定性：≤0.1%;加速度幅值稳定性：≤0.3%;加速度谐波失真度：≤5%;横向振动比：≤10%（f≤1 kHz）、≤30%（f>1 kHz）;动态信号分析仪：在校准范围内，频率示值误差≤±0.01%;电压幅值测量误差≤±0.2%;谐波失真度≤0.1%;频率计（可选）：测量不确定度不大于0.1%（k=2）。

对于频率计，如果动态信号分析仪具备频率测量功能，且示值误差符合要求，则可不必额外配備频率计。

5 校准方法

5.1 校准前的准备

将传感器背靠背的安装在标准振动台台面上，重心尽量对准振动台台面中心;对接触式传感器应对探头施加一定的预紧力;传感器的输出电缆应固定合适，防止校准时产生剧烈抖动、碰撞和摩擦现象。

对于有校准功能的振动回转计，应根据产品说明书中提供的参考灵敏度信息和设置方法，完成振动回转计的传感器灵敏度设置，确保振动回转计的传感器在合理的线性范围内工作。

5.2 示值误差

将振动回转计的脉冲转速比设置为1（如具备脉冲转速比设置功能）。根据图1所示，在测量范围内，选取包含上限值和下限值转速在内的不少于7个转速点。由标准振动台给出标准频率下的振动信号，理论转速值可由标准频率值换算得到：

[n0=f0×60] （1）

式中：[n0]为当前校准点的理论转速值，r/min;[f0]为当前校准点的标准频率值，Hz。

记录不同理论转速下被校振动回转计的转速测量结果，每个转速点测量3次，按公式（2）计算其示值误差。

[δ=ni-n0in0i×100%] （2）

式中：[δ]为示值误差，%;[ni]为振动回转计在当前校准点示值的平均值，r/min;[n0i]为当前校准点的理论转速值，r/min;标准转速点可按照测量范围内标准频率的倍频程点换算选取。

5.3 示值变动性

按公式（3）计算其转速示值变动性。

[b=nmaxi-nminin0i×100%] （3）

式中：[b]为示值变动性，%;[nmaxi]为振动回转计在当前校准点示值的最大值，r/min;[nmini]为振动回转计在当前校准点示值的最小值，r/min;[n0i]为当前校准点的理论转速值，r/min。

5.4 脉冲转速比线性度（如适用）

根据图1所示，在测量范围内，选取一个转速点，由标准振动台给出标准频率的振动信号，根据用户使用要求，可选取4个不同的脉冲转速比设定值，标称理论转速可由理论转速值与脉冲转速比计算得到，按公式（4）计算其示值误差。

[δ=ni-n0ηn0η×100%] （4）

式中：[δ]为示值误差，%;[η]为脉冲转速比，用符号P/R表示，无量纲;[ni]为振动回转计在当前校准点的示值，r/min;[n0]为振动回转计在当前校准点的理论转速值，[n0=f0×60]，r/min;

6 校准结果

在指定的试验环境下对小野测器株式会社生产的FT7200型振动回转计进行校准，校准结果及测量不确定度如表1。

7 结论

根据表1给出的振动回转计校准结果和测量不确定度，以及各校准项目的最大允许误差，在各个校准点上，校准结果和相对扩展测量不确定之和均小于对应的最大允许误差的1/3，因此给出的基于快速傅里叶变换的振动回转计校准方法可行，校准结果符合要求。本文解决了基于快速傅里叶变换的振动回转计振动转速参量的校准问题，为该类仪器的校准提供了技术依据。

【参考文献】

[1]    转速表检定规程：JJG 105-2019[S].

[2]    测振仪检定规程：JJG 676-2019[S].

[3]    机动车发动机转速测量仪校准规范：JJF 1375-2012[S].

[4]    甘小华，崔磊.工作测振仪校准方法介绍及不确定度评定[J].计量与测试技术，2019（10）：110-113.

【作者简介】

魏伟力（1983-），男，工程师，硕士，研究方向为声学振动计量。