941B型超低频测振仪的自校准装置研究报告

941B型超低频测振仪的自校准装置研究报告一、941B型超低频测振仪1.1什么是941B型低频测振仪941B型超低频测振仪又叫941B型拾振器，如图1所示。941B型超低频测振仪是一种用于超低频或低频振动测量的多功能仪器。有广泛的用途：地面和各种结构物的脉动测量及振动监测。一般工程结构如桥梁、楼房、码头、大坝、海洋平台等的脉动测量和各种振动试验中的振动测量及监测。诸如水轮发电机组等大型旋转设备的振动测量。隔振平台等的微弱振动测量。诸如悬索桥等高柔结构的超低频大幅值测量。其他低频超低频振动测量。图1941型拾振器941B型拾振器具有如下特点：一机多能：通过拾振器的微型拨动开关，可直接测量加速度或速度，与放大器配接后，可测量位移。使用方便：拾振器无需电源供电，无需调零。性能优异：由于使用了无源伺服反馈技术，能够实现超低频(低至0.17Hz)大位移（600mm）振动测量。4）宽频带、高分辨率、大动态范围、抗冲击性能好、适合运输，可直接与各种数据采集系统配接。1.2为什么要进行941B型拾振器的自校准传感器是进行物理量测量，获得数据的源头，校准是保证传感器测量数据准确的前提，是保证量值传递的重要手段。通过校准可精确建立传感器感知物理量与输出物理量之间的转换关系。目前，振动与冲击传感器校准方法和标准体系都是基于实验室方法，以激光干涉法振动绝对校准为例，该方法使用振动标准装置完成校准，振动标准装置包括性能优良的振动台及其高精度激光干涉仪、信号发生器、频率计等仪表，其可传递的物理量是长度（位移）和频率，该方法可获得精度很高的校准结果，但所需要的设备需要复杂的技术和较大的资金投入，且设备需要精心维护，国内只有少数单位具有这种设备。由于地震观测和重大（或特殊）工程健康监测的需要，大量振动传感器被安装在工作现场，这些在线监测的传感器一旦布设，再拆除送到实验室进行检测会造成监测数据的中断，实验室校准方法已远不能满足振动传感器的校准需求，需要一种现场校准方法解决振动传感器的现场校准需求。目前，人们在多个领域布设有大量长期在线工作的振动传感器：在强地震动观测领域，布设了大量的强震仪，仅中国就安装了2000余台强震仪，包括5000余台观测设备的地震烈度速报与预警台站建设也已提上议事日程，这些观测设备都是连续24小时不间断工作，尚有大量用于地震观测的地震计；土木工程结构领域针对结构安全和健康状态监测布设有大量的振动监测系统，如美国的SunshineSkywayBridge斜拉桥（主跨440米），丹麦的GreatBeltEast悬索桥（主跨1624米）、加拿大的ConfederationBridge桥、我国的润扬大桥（主跨1490米）、江阴大桥（主跨1385米）等等；在机械设备监测领域，利用振动进行机械设备的故障诊断和故障预测已经形成了一门学科，大量重要机械设备都装有在线工作的振动传感器。海啸预警、军事、精密仪器隔振等监测也布设有大量超低频大量程和高精度微振传感器。这些数量非常庞大的振动传感器都是在线工作的，无法送到实验室进行校准，如何对这些传感器进行校准一直是困扰工程界的难题。单纯的实验室方法已无法满足日益增多的在线监测传感器校准需求，建立振动与冲击传感器的非实验室校准方法和标准体系已经提上议事日程。基于该问题的重要性，2012年召开的ISO/TC108/SC3决定尝试起草一份关于现场校准的国际标准，并由中国负责该工作，目前该标准已经到达CD（委员会草案）阶段，该标准拟采用现场校准方法实现振动与冲击传感器的校准。利用现场校准方法测试传感器参数由来已久，但针对该方法，多是基于长期的实验得到的经验和感性认识，仅在宽频地震计可见到一些针对现场校准的基础研究，但振动传感器的种类较多，不同传感器的原理和传递函数不尽相同，针对不同类型的振动传感器，其现场校准条件下振动传感器的输入-输出关系与传感器真实的输入—输出关系究竟有多大程度的相似，这方面做工作是不足的，因此现场校准方法还称不上是一套严谨的方法和体系，尤其是基础理论研究工作不足，缺乏和激光干涉法振动绝对校准方法的对比研究，强化现场校准的基础理论研究，强化和激光干涉法振动绝对校准的对比研究，对于促进振动与冲击传感器现场校准方法和标准体系的建立有切实的意义；在内置线圈振动传感器现场校准方法中，电灵敏度是完成校准所必须确定的三个参数之一，电灵敏度在传感器使用频率范围内并未与实际灵敏度呈现线性比例关系，在某些频率段仍存在较大测量误差（10%以上），对于为何出现这种现象，多认为是因为线圈感抗的原因，但未见针对某类型振动传感器有详细的理论分析和实验研究，对产生这种现象的原因仍停留在感性认识的阶段，这也是讨论国际标准草稿中，专家对该参数争论较大的原因之一。考虑以上两方面研究工作的不足，以及这些研究工作对于建立振动与冲击传感器现场校准方法和标准体系的意义，提出了要进行941B型拾振器的自校准。二、941B型超低频测振仪的自校准装置研究2.1研究的主要内容研究内容是针对现场校准方法在941B型超低频测振仪使用频带的高频段存在较大误差、缺乏现场校准和实验室校准数据对比和941B型超低频测振仪的安装条件对自校准结果影响的问题，对复杂现场环境中941B型超低频测振仪的恒流激励测量技术进行研究，实现消除线圈耦合感抗的影响、确定941B型超低频测振仪安装条件对现场自校准结果的影响的目的。1）研究线圈耦合感抗对现场校准结果的影响，分析现场校准方法在频率较高时出现误差的原因。选择941B型超低频测振仪，分析现场校准方法激励信号作用下941B超低频测振仪的输入-输出关系，尤其分析考虑线圈耦合感抗时的输入-输出关系，通过理论分析定量确定线圈耦合感抗对现场校准结果的影响，确定现场校准方法电灵敏度在941B型超低频测振仪通频带较高的部分误差较大的原因。2）针对现场校准方法在941B型超低频测振仪使用频带的高频段存在较大误差的问题，提出相应的解决方法。研究941B型超低频测振仪在恒流激励信号的作用下，消除线圈耦合感抗的影响。3）现场校准和激光干涉法振动绝对校准的对比研究。选取一定数量的941B型超低频测振仪作为样本，分别采用激光干涉法振动绝对校准和现场校准方法，测试941B型超低频测振仪的频响特性，得到不同频率点的灵敏度和电灵敏度。4)传感器安装条件，尤其是安装时的倾斜，对现场自校准结果的影响。倾斜造成941B型超低频测振仪的线圈位置偏离中心，由于941B型超低频测振仪的磁场并不是均匀分布的，这会造成线圈耦合系数的变化，利用精密转台，研究倾斜对校准结果的影响。2.2设计方案1）线圈耦合感抗影响分析：选择内置线圈磁电式振动传感器，利用传递函数方法，建立现场校准方法数学传递函数；考虑线圈耦合感抗在传递函数中的作用，借助matlab等软件进行仿真分析，确定线圈耦合感抗的方法；2）研制恒流激励信号发生装置，利用恒流信号作为现场校准方法的激励信号对传感器进行校准，获取实验数据，并研制现场自校准装置：搭建恒流驱动电路，将函数信号发生器产生恒压激励信号送入该驱动电路，产生恒流信号，并做为现场校准方法的输入信号。选择内置线圈磁电式振动传感器作为实验样机，将恒流激励信号送入振动传感器样机的校准线圈，使用数字万用表或数据采集仪测试振动传感器的输入-输出关系，得到不同频率点的电灵敏度和相对频响特性，将测试数据与1）中的仿真数据进行对比，确认消除线圈耦合感抗的影响；3）现场校准和激光干涉法振动绝对校准对比：依托低频振动标准装置，利用激光干涉法振动绝对校准对2）中的振动传感器样机进行校准，得到传感器频响特性，并将校准数据与2）中现场校准得到的相对频响特性进行对比，得到转换系数，并在较长时间内持续进行实验比对，观察数据的稳定性；4）研究环境因素对校准结