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振动比较法校准技术发展趋势的研究

2016-9-26 16:04:00  来源:中国计量测控网 
字号: 13号字 16号字

  随着科学技术的迅猛发展,振动计量这一涉及多学科的动态测量技术,已成为朝阳专业。它广泛应用于机械制造、车辆船舶、航空航天、建筑工程、电信电力、计算机工程、地球物理、地质物探、天文气象、海洋科学、生物医学、核工程以及军事科学等几乎所有的科研和工程领域。在振动测量仪器中,应用最多的是各种类型的振动测量仪,包括工作加速度计套组(由加速度计与配套放大器组成)、测振仪等,以下统称为振动测量仪。通常在振动比较法标准装置上可以完成绝大多数振动测量仪的检测/校准工作。因此,振动比较法校准是振动计量技术中应用最为广泛的一种测量方法。

  一、振动比较法校准技术概述

  比较法是将被校传感器与参考标准传感器的输出进行比较,得出被校传感器灵敏度的方法。校准的原理如下:将被校振动测量仪的加速度计与标准加速度计,背靠背刚性地连接在振动台的台面中心(见图1),或者将被校加速度计安装在振动台内装参考加速度计的支架上,并保证两只传感器同轴。对校准台施以给定频率和加速度的正弦激励,把振动测量仪或放大器(电荷或电压)的测量范围选择在合适的档位。此时,通过对被校测量仪与标准(或参考)加速度计的输出进行数据换算和比较,即可得到被校振动测量仪的校准结果。

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  图1振动比较法测量系统结构框图

  二、 振动比较法测量技术的国际发展动态

  1.国际标准

  ISO 5347-3:1993“振动二次校准”(Secondary vibration calibration )不久将被ISO 16063-21(FDIS最终稿)“比较法振动校准”(Vibration calibration by comparison to a reference transducer)所替代。ISO 16063-21具有量程覆盖面宽、实用性和可操作性强、科学合理、技术先进等显著特点。

  下面简要介绍ISO 16063-21 (FDIS) 中的技术特性和新的概念。

  (1) 标准名称

  习惯上,我们将振动传感器激光绝对法校准称为振动一次校准(Primary vibration calibration),比较法校准称为振动二次校准。ISO 16063-21“比较法振动校准”在ISO 5347-3“振动二次校准”的基础上,用“参考传感器”替代了原来狭义上的“标准传感器”(例如:B&&K公司的8305或ENDEVCO公司的2270),扩大了标准的覆盖范围,赋予了比较法参考标准以全新的概念。因此,标准名称的定义更加科学、准确。

  (2)适用范围

  ISO 16063-21按试验条件和校准不确定度范围,将校准划分两大类情况:

  ● 为了得到较高的校准不确定度,在温度(23±5)℃、湿度最大为75%RH的良好实验室条件下进行的校准工作。可以采用经过一次校准,或与一只经一次校准过且进行了比较校准的传感器作为参考加速度计,要求其在选定的参考频率和加速度下,扩展不确定度分别为0.5%(幅值)和0.5°(相位移)。

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  ● 校准不确定度比上类情况要求略低,在温度(23±10)℃、湿度最大为90%RH的环境条件下进行的校准工作。采用可向标准传感器(经一次校准)溯源,并由公认的适当方法校准过的传感器作为参考加速度计,要求其在选定的参考频率和加速度下,扩展不确定度分别为<2%(幅值)和<2°(相位移)。

  (3)传感器复合灵敏度的相位移校准

  该国际标准给出了在0.4Hz~10kHz频率范围内,实现振动传感器复合灵敏度幅值和相位移校准的仪器设备技术指标、测试程序和校准不确定度。尽管新增的相位移校准只是可选项内容,但是它顺应科学技术的发展和要求,体现了标准的先进性。

  宽频带测量范围内实现比较法校准,摆脱了原标准传感器(如8305只适应中频段)和振动台频率范围的约束,引入参考传感器新的概念,拓宽了标准的应用范围。

  (4)传感器安装形式

  采用背靠背的形式将被校传感器直接安装在标准加速度计顶部,如8305标准加速度计;也可以将被校传感器安装在内装参考传感器的固定支架上,并保证两只传感器同轴。两种形式都要求传感器应尽可能地安装在振动台台面的中心。安装在支架上的方式,只适用于5kHz以下的频率范围。并且,该标准对两只传感器安装表面(含振动台台面)的不平度和粗糙度、安装传感器用的光孔或螺纹孔,都提出了严格的公差要求。

  ISO 16063-21强调指出:为了防止在许多情况下,由于出现摇摆运动而引入较大的测量误差,建议不要将被校传感器与参考传感器肩并肩(side by side)安装。

  (5)校准用仪器设备的要求

  ● 振动发生装置(包括信号发生器、功率放大器、振动台)

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  ● 电压表

  频率范围:(1~10000)Hz;最大线性偏差和测量的重复性(参考传感器连续两次测量的最大偏差):0.1%(一类)、0.3%(二类)。

  ● 相位移测量仪

  频率范围:(1~10000)Hz;最大误差:0.2°(一类);0.5°(二类)。

  (6)激励模式

  可以使用带频率分析仪的多正弦、正弦、随机信号发生器。对随机和多正弦信号等,可采用快速傅立叶变换(FFT);对单一正弦信号,则采用频率响应分析仪(FRA)。

  (7)测量结果的不确定度

  在附录A“校准测量不确定度表述” 中,分别给出了参考条件下及整个频率和振幅范围内的复合灵敏度幅值和相位移相对扩展不确定度的计算方法,以及各项标准不确定度分量表。附录D还给出了不确定度计算的典型实例。从而为比较法校准结果的不确定度评估提供了依据。

  2.振动比较法校准装置

  在国际上以生产振动和声学仪器而著称的丹麦B&&K公司和美国ENDEVCO公司强强联手,积极捕捉国际标准发展的动态信息,依据ISO 16063-21研发的3629型“振动和冲击传感器校准系统”将不久面世。它是B&K公司9610型振动传感器校准系统和ENDEVCO公司AACS加速度计自动校准系统结合的产物。

  该系统硬件包括便携式PULSE分析系统、功率放大器、振动台、带前置放大器(非集成电路压电式)的参考传感器、计算机等,使用美国NI公司的LabVIEW 软件,仪器的控制和数据解算都是通过屏幕上描画的“虚拟仪器”来完成。激励方式为正弦和随机两种。该系统的频率范围是0.1Hz~25kHz,实际的工作频率视所采用的振动台和传感器性能而定。它可对电荷式、集成电路压电式、压阻式、变电容式、电压式、伺服式等各种类型的传感器进行幅值和相位的比较法校准。配以激光干涉仪,可以实现条纹计数的振动绝对法校准。该系统还可进行前置放大器增益和相位校准;使用POP冲击选件,可以进行2000g的冲击比较法校准。

  幅值校准的扩展不确定度(k=2)优于ISO 16063-21(FDIS)的要求。其中当采用低频振动台时,(0.1~0.3)Hz为2%;(0.3~50)Hz为<1%。当采用4808型中频振动台时,(5~5000)Hz为<1%。当采用4809型高频振动台时,(5~10)kHz为<2%。未给出该产品的相位移校准指标。

  三、我国振动比较法标准的现状

  在我国的振动量传系统图中,中频比较法标准装置处于承上启下、举足轻重的位置,它承担着量大面广的各类振动测量仪的量传工作。通常,装置的工作频率范围为20Hz~2kHz,采用的是以正弦振动激励的电动式标准振动台,以溯源到国家中频基准的3506标准套组为主标准器。

  从标准量传的角度讲,我国现有振动比较法标准存在以下问题:

  ● 测量范围不能满足国民经济发展的要求

  由于受振动台和标准加速度计性能的限制,应用日趋广泛、检测需求量较大的低频大振幅测振仪(如电梯测振仪、人体振动测量仪、地震仪)和传感器(如伺服加速度计等),目前只能在国家低频(0.1Hz~110Hz)基准(或副基准)装置上进行检测/校准。采用激光绝对法校准存在成本高、周期长等问题,或多或少有“大马拉小车”之嫌。

  高频(2kHz~50kHz)、中频(20Hz~800Hz)、低频(0.1Hz~120Hz)水平和垂直国家振动基准和副基准,构成了我国振动传感器全频段激光绝对法校准较为完整的基准溯源系统。而介于国家基准与工作标准之间起桥梁作用的比较法标准,没有覆盖住低频到高频全频段,只有中频标准。与即将颁布的ISO 16063-21技术要求相比,有必要拓宽比较法标准测量范围,研制低频和高频的比较法标准装置。

  当然,从经济实用的角度考虑,由于振动高频段(2kHz~50kHz)主要应用在尖端科学的研究领域(如航空航天等),检测/校准用户的需求量目前相对较少,因此利用国家高频振动基准进行检测/校准还是合理可行的。笔者相信,随着科学技术的发展,振动高频段的研究和应用会被逐渐重视,国家高频振动基准将会逐渐发挥应有的作用。

  ● 振动量值溯源系统亟待修订和完善

  与振动计量技术的发展相比,现有的振动量值溯源系统已显得相对滞后,难以满足国民经济的需要,急需进行修订和完善。与此同时,计量检定规程的适用范围,技术性能与ISO 16063“振动与冲击传感器校准方法” 国际标准系列相比,也存在不足。

  ● 校准用设备的技术指标与ISO 16063-21相比存在差距

  JJG298-1995“中频标准振动台(比较法)检定规程” 规定,振动台在参考频率点160Hz,以最大加速度幅值连续振动20min,在任意一个2min时间间隔内,频率变化应不大于0.3%,加速度幅值变化应不大于0.5%。中频比较法标准应属于表2所列ISO 16063-21中的第一类情况。由比较可知,国际标准对振动发生装置技术要求比较高,尤其是测量周期内频率稳定性和加速度幅值稳定性要求应优于0.1%。显然,目前我国比较法标准装置中仅此项就与国际标准要求存在一定的差距。

  ● 内装传感器的比较法装置存在量值溯源问题

  按照我国现有的法制计量管理体系的要求,比较法标准的主标准器—标准加速度计套组应该每年向国家中频振动基准溯源。据悉,近两年ENDEVCO公司已向我国计量技术机构、国防单位、高校销售近20套AACS加速度计自动校准系统,由于该装置高频振动台采用标准加速度计2270M18内装,放大器非独立形式,所以无法按照常规方式在绝对法装置上进行检测/校准。全自动振动校准系统发展很快,因此,此类采用内装标准加速度计和集成化程度较高的振动校准系统的量值溯源问题,亟待解决。

  ● 标准的不确定度评估问题

  由于振动计量属于动态测量范畴,影响测量结果的不确定度分量较多,评估难度相对较大。ISO 16063-21中,仅参考条件下灵敏度幅值的相对扩展不确定度评估,就列出了18项标准不确定度分量。在振动比较法标准的计量标准复查(考核)工作中,我们发现有相当一部分申请单位,对本单位标准未进行过不确定度的认真评估,给出的指标概念模糊。另外,在本专业目前尚无不确定度评估的范例可以借鉴。应指出ISO 16063-21将为我们提供较为权威的技术参考依据。

  四、设想与展望

  1.虚拟技术的应用

  自1999年起,涉及振动和冲击的国际标准,由原5347系列向16063系列逐项进行转化。最新颁布的ISO 16063-11“激光干涉绝对法振动校准”推荐的正弦逼近法,以及ISO 16063-13“激光干涉绝对法冲击校准”给出的新的校准方法,完全是基于现代计算机技术和数字信号处理技术的发展而产生的。它们通过由计算机应用软件和仪器模块化硬件组成的一种全新概念的虚拟仪器系统来实现。利用虚拟仪器图形化开发环境(如LabVIEW),可以完成对激光光电信号及振动信号的采集、控制、分析、处理、显示和存储等多种仪器的功能。

  前面已介绍B&&K与ENDEVCO公司成功地将虚拟仪器技术应用于振动校准系统,实现了在一套系统上可同时进行绝对法和比较法测量。德国联邦物理技术研究院(PTB)也采用两种校准方法并存的运行模式,即:将标准与被校传感器背靠背安装在性能优良的绝对法振动台上,用同一套硬件和数据采集处理系统,通过不同的软件程序就可以实现原理和功能完全不同的比较法校准。这体现了软件可以定义各种仪器,“软件是虚拟仪器核心”的思想。在绝对法振动台上完成比较法校准,可以大大提高比较法的校准不确定度,减少设备的运行和维护费用,提高设备的利用率。当然,这只是技术实现上的优势。而从我国基标准法制管理的角度考虑,基准是量值溯源的源头,为保证它的技术性能,应减少使用频次。现有的绝对法和比较法两种振动传感器校准并行模式符合我国国情。

  通过对基于正弦逼近理论的激光干涉仪振动幅相特性测量系统的研究和初步实践,笔者认为,比较法相对于绝对法而言,应用虚拟仪器技术实现幅相特性的校准要容易些。由于虚拟仪器与传统仪器相比,具有成本低(可实现多台仪器的功能)、开发和维护费用少、集成化、自动化和智能化程度高、可实现远距离传送、与计算机的发展同步、技术更新周期短(软件系统是核心)、生命力强等综合优势,可以说,数字处理替代模拟系统的处理模式,将成为振动自动化测量仪器发展的必然趋势。

  不可否定的是,将虚拟仪器技术应用于计量测试领域,在带给我们喜悦的同时,也给我们带来了不确定度评估、量值溯源和基标准法制管理等需要思考和研究的新课题。

  2.带内装标准加速度计的比较法装置的量值溯源

  研制便携式激光绝对法校准装置,利用虚拟仪器技术,可以解决带内装标准加速度计的比较法装置量值传递问题。还应及时制、修订符合振动计量技术发展的振动计量检定规程,完善计量法规的技术管理。

  3.振动传感器相位移的测量

  模态分析、地矿物探、水利工程、桥梁建筑等许多工程应用领域都对振动传感器提出了相频特性测试的要求。在ISO 16063-21(FDIS) “比较法振动校准”中也将相位移校准作为可选项。这是国际标准考虑了工程应用发展的需要。笔者认为,在应用最为广泛的比较法振动标准装置上,增加传感器相位移校准功能是十分必要的。利用虚拟仪器技术和ISO 16063-11“激光干涉绝对法振动校准”中的正弦逼近法,可以实现振动比较法传感器幅值和相位的同时校准。

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