用于振动传感器在线校准的压电激励装置性能测试*

龚 亮 蔡晨光 王 颖

(1.北京化工大学，北京 100029；2.中国计量科学研究院，北京 100029)



用于振动传感器在线校准的压电激励装置性能测试*

龚 亮1蔡晨光2王 颖1

(1.北京化工大学，北京 100029；2.中国计量科学研究院，北京 100029)

压电激励装置作为振动传感器的底座安装,可以实现其在线校准。文章介绍了压电激励装置性能测试系统，对信号噪声比、稳定性、波形失真度以及横向振动比等进行了测试，对系统的机械共振频率进行了测量。结果表明所测参数均满足检定规程要求，该压电激励装置可用于振动传感器在线校准。

压电激励装置；振动传感器；在线校准；性能测试

0 引言

振动传感器由于长期使用中漂移、环境变化等因素的影响，会导致输出特性发生变化，进而影响输出精度。为保障振动传感器使用的有效性和可靠性，需要定期对振动传感器进行校准[1]。

通常在实验室环境下，通过标准振动台产生激振信号并结合其他设备完成对振动传感器的校准，其方法准确可靠[2]。然而对于安装在发电机组、航空器、航天器、船舶、桥梁、大坝等大型装置和设备中的传感器常常无法定期取下进行校准[3-5]。目前针对大型设备振动传感器在线校准的需求，振动传感器在线校准方法的研究得到广泛关注。国际上针对旋转机械振动监测系统的现场校准需求，已经形成完善的中频便携式现场振动校准装置和技术[6]；针对低频现场振动校准，日本研制了一体化的便携式低频现场振动校准装置[7]。然而，利用便携振动校准装置，仍需在现场环境下，拆卸传感器进行校准，也不能满足大型装置和设备上传感器不能定期拆卸校准的需要。压电激励装置基于逆压电效应，可以感应交变的电信号并输出正弦机械振动激振信号。具有体积小、结构坚固及输出信号稳定的特点。在现场将其作为传感器的安装底座与传感器刚性连接，可以实现不拆卸传感器并完成在线校准的目的。

压电激励装置作为振动传感器在线校准的振动激励装置，需要输出标准的激振信号，它的计量性能参数必须满足振动激励装置的检定规程。因此，本文对压电激励装置的计量性能进行测试分析，并对系统的机械共振频率进行测量。

1 压电激励装置计量性能测试系统

为测试压电振动激励装置的计量性能参数，选取合适的设备搭建振动激励装置性能测试系统。

1.1 压电激励装置计量性能测试系统组成

压电激励装置性能测试系统由标准正弦信号发生装置、功率放大器、振动激励装置、振动传感装置、动态信号采集分析装置以及信号传输电缆等仪器和设备组成。系统选用的标准正弦信号发生装置型号为DG1022U；功率放大器型号为XE-505；振动激励装置采用压电陶瓷，型号60VS20；振动传感装置采用压电式振动传感器，型号7259B；动态信号采集分析装置选用型号为INV3062T的数据采集卡，由安装在PC机上的Coinv DASP V10信号采集分析软件控制信号的采集和处理。此外对横向振动比的测试采用型号Polytec CLV 3000的3D激光测振仪测量X，Y，Z三个方向的振动信号。

图1 测试系统硬件流程图

压电激励装置性能测试系统工作流程如图1所示，标准正弦信号发生装置提供测试所需的振动信号，通过功率放大器使压电激励装置做正弦振动。使用振动传感装置测量机械振动信号，用数据采集卡采集传感装置的输出信号并传输给PC机。用DASP软件对采集的信号进行分析，实现压电激励装置性能参数的测试。

1.2 压电激励装置的限压范围

性能测试频率范围为20Hz～2kHz，测试电压不可超过陶瓷使用功率限制的电压范围。压电陶瓷在实际使用时，需要同时满足陶瓷工作时限压公式(1)和电源功率使用时限压公式(2)。

U2fC≤5W

(1)

UfC≤7/30A

(2)

式中，U为压电陶瓷的驱动电压；f为加载的正弦振动的频率；C为压电陶瓷的静电容量。

图2是由两限压公式绘制的压电陶瓷工作电压-频率限制曲线，性能测试时，各频率对应的陶瓷驱动电压需要满足图2的限压范围。

图2 压电陶瓷使用的频率-电压限制曲线

2 压电激励装置计量性能测试

利用已搭建的计量性能测试系统，依据振动激励装置检定规程的要求及检定方法对各计量性能参数进行测试，对系统机械共振频率进行测量。

2.1 振动激励装置计量检定要求

为符合振动传感器的校准条件，振动激励装置的计量性能必须满足有关标准或检定规程的要求。国际标准“ISO 16063—21”[8]对振动激励装置性能参数做出了相关规定，但并没有给出具体的检定方法。在此基础上国家质量监督检验检疫总局颁布了JJG 298—2005检定规程[9]，适用于频率为20Hz～2kHz，加速度低于1000m/s2的振动激励装置的检定。表1是规程中对振动激励装置使用前其各项性能参数的检定要求。通常，振动传感器的校准试验在隔振、隔噪音的环境下进行，漏磁通密度和声压级性能参数能够满足检定要求；系统用DG1022U标准信号发生器，频率示值误差满足小于满量程0.25%的要求；压电激励装置体积和振动台面面积都较小，不需要测试其幅值均匀度的计量性能。因此，还需要测试信号噪声比、稳定性、波形失真度，以及横向振动比等参数是否满足检定要求。

表1 振动激励装置检定计量性能要求

2.2 信号噪声比测量

信号噪声比是在测量过程中，对系统量值可信度评价的一项重要指标。

测量时，将振动传感器刚性地安装在压电陶瓷振动台面中心位置。当无激振信号输入时，测量台面中心加速度幅值a0。然后使压电陶瓷处于工作状态，并满足波形失真度小于5%，在全频率范围测量压电陶瓷的输出，得到最大加速度幅值amax。当无激振信号输入时，实际测得台面中心加速度幅值a0为0.037m/s2，在全频范围，测得最大加速度幅值amax为94.535m/s2。依据JJG 298—2005中关于信噪比的计算式得到信噪比为68.147dB，符合其对信噪比的要求。

2.3 稳定性测量

稳定性表征测量仪器保持其计量特性随时间恒定的能力[10]，包括频率稳定度和加速度幅值稳定度。测量时，调整振动频率为160Hz，该频率下信号发生器可输入电压峰峰值最大为2.51V，测量该频率的最大加速度幅值，每隔两分钟记录一次频率和加速度幅值，连续测量11次，测量数据如表2所示。

依据JJG 298—2005中关于频率和加速度幅值稳定度的计算方法，计算得到频率稳定度为0.005%，加速度幅值稳定度为0.347%，从测量结果可知频率稳定度、加速度幅值稳定度等计量性能均满足计量检定的具体要求。

表2 频率、加速度幅值测量数据

2.4 波形失真度测量

模拟仪器的波形失真度称为谐波失真度[10]，定义为信号中全部谐波与基波能量之比的平方根。

测量时将振动传感器刚性地安装在压电陶瓷台面上，传感器输出加速度信号经数据采集卡传输到PC机，用DASP软件进行信号分析实现波形失真度的测量。按照1/3倍频程频率点依次选取20Hz～2kHz范围的11个频率值，得到各频率在最大加速度幅值时加速度波形的最大失真度如图3所示，图中平行于横坐标的直线对应失真度为5%。在20～80Hz频率范围，波形失真度大于5%，在20Hz最大加速度幅值时波形失真度达到全频范围的最大，为47.651%。而在125Hz以上则均满足波形失真度小于5%的检定要求。根据JJG 298—2005中关于失真度检定要求的规定，当振动频率大于125Hz时波形失真度满足检定要求。

图3 各频率点在最大加速度幅值时的波形失真度

2.5 横向振动比测量

横向振动比表征为振动台台面横向振动的程度[10]。测量时，将一光滑的小平面圆盘刚性地安装在压电陶瓷表面，在定频条件下，使3D激光测振仪三束激光的焦点汇聚于圆盘中心，测量压电陶瓷X，Y，Z三个方向的振动加速度。起始测量频率为20Hz，并按照1/3倍频程频率点依次选取20Hz～2kHz范围的11个频率值，测量各频率在最大可输入电压幅值时三个坐标轴方向的加速度幅值。

图4 各频率点在最大可输入电压幅值下的横向振动比

根据JJG 298—2005关于横向振动比的计算公式，得到各频率点的横向振动比如图4所示，图中平行于横坐标的直线对应横向振动比为10%。除400Hz频率点横向振动比大于10%，其他频率点横向振动比均小于10%。根据规定要求，可以允许个别频率及其±5%频带范围内的横向振动比大于10%，所测数据满足要求，故横向振动比在整个检定频率范围符合检定要求。

2.6 机械共振频率测量

当外界环境振动与振动传感器在线校准系统发生共振时，系统的测量误差会加大。为避免共振，需要测量系统的机械共振频率。

测量时信号发生器输出20Hz～20kHz范围的扫描正弦激励信号激励压电陶瓷，振动传感器刚性地安装在压电陶瓷上，用数据采集卡分别采集激励信号和传感器输出信号，通过DASP软件对原始激励信号和振动传感器测量的加速度信号进行传递函数分析，得到幅频、相频谱线如图5所示。

图5 系统扫频测试幅频、相频谱线

当外界振动频率和系统机械共振频率接近时引起系统共振，共振时系统振幅和相位会发生明显变化，振幅达到最大，相位滞后90°，图5中在15.331kHz时振幅达到最大，此频率点是系统的共振点，为压电陶瓷系统的机械共振频率。

3 结论

本文针对在线校准用压电激励装置搭建了性能测试系统，并基于JJG 298—2005计量检定规程，对压电激励装置的信号噪声比、稳定性、波形失真度以及横向振动比等计量性能参数进行了测试。从测试结果可看出，信号噪声比为68.147dB，满足大于60dB的要求；频率稳定性和加速度幅值稳定性分别为0.005%和0.347%，分别满足小于等于0.3%和0.5%的要求；波形失真度在125Hz以上均能满足小于等于5%的要求；横向振动比在20Hz～2kHz均满足小于等于10%的要求。并对压电陶瓷系统的机械共振频率进行测量，以避免其使用时共振的发生。试验测得压电激励装置的所有计量性能均能满足检定规程的要求，可以作为振动传感器在线校准的振动激励装置使用。

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公益性行业科研专项经费项目(201410009)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.08.13