一种弦式接收仪频率参量计量校准方法研究

李绍辉，张乐晖，曹媛媛

(交通运输部天津水运工程科学研究所 国家水运工程检测设备计量站, 天津 300000)

0 引言

弦式接收仪是一种通过感知振弦式传感器固有频率变化来测量应变、应力、位移、温度等参量的仪器，以其测量精度高、环境适应性好等特点广泛应用于大坝、桥梁、水工建筑物等交通水运工程“建、管、养、用”全寿命周期健康监测中。弦式接收仪的频率参量是其重要的计量技术参数，国内已发布的GB/T 3412.1-2009《大坝监测仪器检测仪第一部分：振弦式仪器检测仪》、JJF 1401-2013《振弦式频率读数仪校准规范》、JJG(交通)156-2020《振弦式应变测量系统》等标准及计量技术规范，对其频率计量技术指标给出了规定并提供了计量测试方法。目前，交通水运领域常用的弦式接收仪按激振信号形式可分为脉冲高压式、低压式及扫频式。其中，脉冲高压式频率读数仪激振脉冲幅值高达(120～150)V，而用于校准的标准信号发生装置如信号发生器输入电压范围上限通常在(12～18)V左右，若将两者直接相连，将导致标准信号发生装置因输入电压过高而损坏，造成不可避免的损失和事故。

该文提出一种弦式接收仪计量校准方法，通过设计对称式信号调理模块，解决了弦式接收仪与标准信号发生装置间的信号匹配问题，且对标准信号发生装置产生的标准信号测量准确度无明显降低，集成度高，易于实现，对于提升弦式接收仪的校准效率、数据稳定性、安全性具有重要意义。

1 工作特性分析

1.1 工作原理

弦式接收仪一般以间歇激励方式工作，如图1所示，每间隔1 s～2 s激励信号发生电路发送周期性脉冲信号(脉冲式)或扫频信号(扫频式)至振弦式传感器线圈，根据电磁感应原理，一部分电能转化为钢弦的弹性势能和动能，当线圈上激励信号消失时，钢弦做有阻尼振荡，振荡过程中切割磁感线，使线圈中产生交变的感应电动势，钢弦振荡频率与自身受到的应力有关，而线圈中感应电动势与钢弦振动频率相同。在激励信号产生间隙，检测电路测量出线圈中感应电动势的频率，便可得知钢弦的振荡频率，从而计算出振弦式传感器所受应变、应力值的大小，如图1所示。由于信号线由激励信号产生电路和检测电路复用，在计量校准时，脉冲高压式频率读数仪会向标准信号发生装置间歇发送激振信号，若此信号不能衰减或消除，将造成标准信号发生装置异常或损坏。

图1 弦式接收仪工作原理

1.2 计量技术指标

GB/T 3412.1-2009中规定弦式接收仪的测量范围应满足(400～6000)Hz，准确度应≤0.5 Hz，测量分辨力应≤0.1 Hz；JJF 1401-2013中规定弦式接收仪的测量范围应满足(300～6000)Hz，频率最大允许误差±0.5 Hz，测量分辨力≤0.1 Hz，时基准确度≤1×10-4；JJG(交通)156-2020中规定频率最大允许误差为±0.3 Hz。

目前，国内弦式接收仪的主要供应商如基康仪器股份有限公司、南京葛南实业有限公司，其产品频率测量范围通常在(400～6000)Hz，频率最大允许误差在±0.1 Hz左右。结合水运工程中对振弦式测量仪器的实际需求，本研究主要针对测量范围(400～6000)Hz，最大允许误差为±0.3 Hz的弦式接收仪计量校准方法展开研究。

2 计量校准方法

2.1 方法概述

提出一种弦式接收仪计量校准方法，由数字示波器测量弦式接收仪的激励信号，确定激励信号形式(脉冲高压式、脉冲低压式或扫频式)，设计多级对称式信号调理模块，将激励信号幅度调整至标准信号发生装置允许的输入范围内。以低频信号发生器为标准信号发生装置，在弦式接收仪标称量程上下限位置附近，设定判定准则，通过改变低频信号发生器输出信号频率，确定弦式接收仪量程范围，在其量程范围内设定多个频率测量点，各测量点处由低频信号发生器输出标准频率信号(可为正弦波、脉冲波、三角形波等形式)，弦式接收仪测量接收到的频率信号值，与设定的标准频率值进行比对，并对测量结果进行不确定度评定，实现频率参量的计量校准，方法基本结构框图如图2所示，方法流程如图3所示。

图2 弦式接收仪校准方法结构框图

2.2 信号调理模块设计

信号调理模块由电阻R1～R8、开关S1～S7组成，以10 dB为步进值，可实现0～30 dB的衰减，结构设计为对称形式，保证激振信号型式判别的准确性，开关S1～S7闭合与断开状态对应表如表1所示。

表1 开关S1～S7闭合与断开状态对应表

在10 dB，20 dB，30 dB激振信号幅值衰减状态下，令信号调理模块输出端电压稳定在5 V，则根据A=20log(ui/uo)，计算得到对应的信号调理模块输入端(弦式接收仪输出端)的电压值如表2所示，其中，A为衰减dB值，ui为信号调理模块输入端电压值，uo为信号调理模块输出端电压值。

表2 信号调理模块输入-输出电压值

电阻R1-R8阻值确定方式如下：

弦式接收仪产生的激振信号通过信号调理模块输出至低频信号发生器，在激振信号间隙，低频信号发生器产生的标准信号通过信号调理模块输出至弦式接收仪，令R1=R2=R，以降低干扰，保证数据双向传输的稳定性。

当弦式接收仪产生的激振信号衰减量为10 dB时，开关S3、S4闭合，有：

R6 =R×(N1-1)=2.162R

(1)

R3+R4+R5 =R÷(N1-1)=0.463R

(2)

当弦式接收仪产生的激振信号衰减量为20 dB时，开关S2、S5闭合，有：

R6 +R7 =R×(N2-1)=9R

(3)

R3+R4 =R÷(N2-1)=0.111R

(4)

当弦式接收仪产生的激振信号衰减量为30 dB时，开关S1、S6闭合，有：

R6 + R7 +R8=R×(N3-1)=30.62R

(5)

R3 =R÷(N3-1)=0.032 7R

(6)

联立公式(1)至公式(6)，计算得到：R3 = 0.032 7R，R4 = 0.078 3R，R5 = 0.352R，R6 = 2.162R，R7 = 6.838R，R8 = 21.62R

根据表2，通过所述信号调理模块20的电流为：

当弦式接收仪产生的激振信号衰减量为10 dB时，

I1= (u1-uo)/[R1//(R6+R2)+R3+R4+R5] = 10.81/(1.223R)

(7)

当弦式接收仪产生的激振信号衰减量为20 dB时，

I2= (u2-uo)/[R1//(R6+R7+R2)+R3+R4] = 45/(1.021R)

(8)

当弦式接收仪产生的激振信号衰减量为20 dB时，

I3= (u3-uo)/[R1//(R6+R7+R8+R2)+R3] = 153/(1.001 7R)

(9)

令R=10 kΩ，则I1=0.884 mA，I2=4.407 mA，I3=15.274 mA，同时有：R1 =R=10 kΩ，R2 =R=10 kΩ，R3 = 0.032 7R= 327 Ω，R4 = 0.078 3R= 783 Ω，R5 = 0.352R= 3.52 kΩ，R6 = 2.162R= 21.62 kΩ，R7 = 6.838R= 68.38 kΩ，R8 = 21.62R= 216.2 kΩ。

3 试验验证与分析

选取丹东三达传感器技术研究所的GPC-6型弦式接收仪，按图3所示校准流程进行校准，低频信号发生器产生电压幅值1 V的周期正弦波信号，测量数据及校准结果如表3所示。

表3 弦式接收仪校准数据

以3000 Hz频率点为例进行不确定度分析，建立数学模型如公式(10)所示。

(10)

式中：fx为弦式接收仪测量频率值(Hz)；f0为低频信号发生器输出的标准频率值(Hz)；Δ为频率测量误差(Hz)；n为弦式接收仪内部计数器所计脉冲数；τ为弦式接收仪内部计数器所用的闸门时间。

闸门时间不准引入的不确定度分量u1为：

(11)

式中：a为弦式接收仪时基准确度，即：

(12)

式中：fHx为弦式接收仪测得的上限频率平均值(Hz)；FH0位低频信号发生器输出的实测频率范围上限值(Hz)。

该文中对6000 Hz频率点重复测量5次，按公式(12)计算时基准确度得到a=2.75×10-5，代入公式(11)中得到u1=0.047 6 Hz。

在3000 Hz频率点处，低频信号发生器输出3000 Hz标准频率信号，弦式接收仪重复测量10次，由重复性引入的测量不确定度分量u2如表4所示。

则合成标准不确定度uc(fx)为：

(13)

扩展不确定度U为：

U=2×uc(fx)=2×0.11 Hz=0.22 Hz,k=2

(14)

4 结论

提出的弦式接收仪频率参量计量校准方法，通过设计完成的信号调理模块，将被检的弦式接收仪、用作计量标准器的低频信号发生器及配套的示波器连接起来，在不同的校准阶段，通过开关的打开与关闭，实现了激励信号形式、读数仪量程上下限的判别及频率参量的计量校准，解决了弦式接收仪与低频信号发生器之间的电压匹配问题，结构简单，易于实现，为实验室或现场条件下对多种原理的弦式接收仪的计量校准提供了技术基础。后续将在信号调理模块的自适应性、多级匹配衰减等方面开展研究及改进工作，提升校准的准确度和效率。