无线遥测系统标定的研究

□何卓仪

上海电气集团股份有限公司 中央研究院　上海　200070

无线遥测系统标定的研究

□何卓仪

上海电气集团股份有限公司 中央研究院上海200070

采用各频率的音叉多套试验数据采集设备，测试信号通过无线遥测系统后的输出信号是否产生较大的误差。通过各套测试系统测试结果的相互对比，以及与标准值的对比，验证了无线遥测系统传输信号的可靠性。

在大型汽轮机叶片动频率测试技术中，无线电遥测技术占主导地位。其原理是利用粘贴在被测叶片上的电阻应变片作为传感元件，通过微型发射机将叶片受到激振力作用而产生的应变阻值变化量，经过变换电路产生电压变化信号，经发射机调制成射频信号并发射，再通过接收天线环接收并由高频电缆送至接收机。无论从效率角度还是安全角度讲，末级长叶片都是大容量核电汽轮机的关键部件。所以各大汽轮机制造企业都在不断完善自己的长叶片体系，不断开发新型的长叶片，以适应不同机组的要求。开发具有世界先进水平和自主知识产权的核电长叶片系列是发展我国独立自主重大装备制造业的关键之一。纵观国际和国内任何一家汽轮机制造企业，无线电遥测技术应用在长叶片动频率试验都是长叶片开发体系的重要一环。采用叶片无线电遥测技术的叶片动频率试验，是长叶片开发过程中最终保证叶片安全运行最直观也是最有说服力的环节［1］，因此对无线遥测系统的准确性提出了较高要求。信号处理的准确性是测试系统的关键，决定了试验能否高效准确得到叶片的各项数据，判断叶片能否安全运行［2］。由于信号经过了无线发射和接收的过程，相比有线传输增加了一些不确定因素，故信号的准确性值得确认和研究。笔者旨在研究无线遥测系统的标定方法，通过数据的分析，得到系统存在的误差，验证无线遥测系统的准确性和可靠性。

1　无线遥测标定系统的组成及标定方法

无线遥测标定系统的组成如下。

①datatel的无线收发报系统由dt1001T-D无线发报机、dt1001R1-D接收机、dt8111z放大器、天线环、KVB415F四进一出射频分配器及dt114C高频电缆组成。

②数据采集设备由小野DS3200频谱分析仪、SKF频率采集仪组成。

③试验对象为440 Hz、512 Hz标准音叉［3］。

标定方法则是采用多套系统对标准计量仪器（音叉）测量所得到的数据与标准值对比分析，并结合各套系统不同特征的对比方式，验证无线遥测系统的准确性和可靠性，主要包括以下系统的试验数据。

（1）标准音叉—无线发报系统—DS3200频谱分析仪；

（2）标准音叉—加速度传感器—DS3200频谱分析仪；

（3）标准音叉—SKF频率采集仪。

2　各试验系统组成、数据及分析

2.1试验环境

电源：为避免普通电源带来的干扰，试验中选择UPS（不间断电源系统）对所有仪器设备进行供电。

温度：室温23℃能满足所有仪器设备及传感器的使用。

磁场：无强磁对无线遥测系统发射的信号产生巨大的干扰。

试验环境有利于无线遥测系统的正常运行，适于验证其准确性及可靠性。

2.2系统结构（标准音叉—无线发报系统—DS3200

频谱分析仪）

该系统主要由音叉、应变片、无线遥测系统、频谱分析仪和计算机组成，连接方式及工作场景如图1、图2所示。

图1　无线发报系统+音叉结构连接示意图

图2　无线发报系统+音叉结构连接工作场景

2.2.1试验步骤

（1）在被测两种音叉的根部粘贴应变片，应变片阻值为350 Ω，灵敏度因数为2.08，使用常温非抗电磁。在粘贴前对音叉根部粘贴的位置进行清理，先使用酒精棉球对根部表面进行除尘，然后使用1 000目砂纸对粘贴表面进行打磨光洁，最后使用应变片专用胶水将应变片粘贴在音叉根部，用浴霸灯烘烤12 h，使其固化。

（2）将应变片引脚与引出导线焊在连接片上，确保引脚分开及固定，并做好应变片与音叉的绝缘工作。

（3）打开所有仪器设备进行预热。

（4）将引出导线连接至发报机的应变信号接收端口。

（5）用临时导线连通发报机电源。

（6）将接收机的输出信号连接至FFT频谱分析仪的1通道，设置FFT频谱分析仪参数，采样频率4 096 Hz，频率范围0～800 Hz。

（7）音叉插于共鸣箱基座上并固定基座，用橡胶小锤敲击音叉顶部，信号通过发报机送至接收机，再送予FFT频谱分析仪得出频率曲线。

2.2.2试验数据

通过无线遥测系统及FFT频谱分析仪，分析得到的敲击440 Hz及512 Hz音叉的频域图，在442 Hz及510.5 Hz处有明显的电压信号反应，且有明显的曲线突起。

2.3系统结构（标准音叉—加速度传感器—DS3200

频谱分析仪）

该系统主要由音叉、加速度传感器、频谱分析仪和计算机组成，结构的连接方式及工作场景如图3、图4所示。

图3　加速度传感器+音叉结构示意图

图4　加速度传感器+音叉结构工作场景

2.3.1试验步骤

（1）连接加速度传感器在磁性底座上，吸附于音叉的根部或平置在共鸣箱上，若吸附在音叉顶部会抵消振动而无法进行测试，平置在共鸣箱上时须将加速度传感器固定在其垂直平面上。加速度传感器灵敏度系数为10.504 mV/（m·s-2），可测频率范围0.0005～8 kHz，出厂时间2015-5-28，在标定使用年限范围1年内，故确定加速度传感器精度可靠，符合使用指标。

（2）开启FFT频谱分析仪进行预热，将加速度传感器信号连接至通道1，对FFT软件参数进行设置，包括供电形式、加速度传感器灵敏度系数、采样频率及频率范围，其中采样频率及频率范围不变。

（3）音叉插在共鸣箱基座上并固定基座，用橡胶小锤敲击音叉顶部，信号通过加速度传感器感知并送至FFT频谱分析仪，得出频率曲线。

2.3.2试验数据

通过inv9822加速度传感器及FFT频谱分析仪，分析得到敲击440 Hz及512 Hz音叉时的频域图，在442 Hz及510.5 Hz处有明显的电压信号反应，且有明显的曲线突起。

2.4 系统结构（标准音叉—SKF频率采集仪）

该系统主要由音叉和SFK频率采集仪组成，结构的连接方式如图5所示。

图5　标准音叉—SKF频率采集仪结构示意图

2.4.1试验步骤

（1）将顶针式加速度传感器顶在音叉的共鸣箱上。

（2）设置SKF频率采集仪相关参数。

（3）音叉插在共鸣箱上并与底座固定夹紧，用橡胶小锤敲击音叉顶部，仪器屏幕显示频率图。

2.4.2试验数据

通过SFK频率分析仪分析得到敲击440 Hz及512 Hz音叉时的频域图，在443 Hz及510 Hz处有明显的电压信号反应，且有明显的曲线突起。

2.5测试数据

对以上三种系统结构进行数据测试，见表1。

表1　测试数据　Hz

2.6数据分析

2.6.1误差分类

系统误差又称可测误差，是由于一些比较确定的因素而引起的，性质为：在多次测定中重复出现；所有测定都偏高或者都偏低，即具有单向性；数值基本是恒定不变的。

偶然误差是由某些无法控制的因素随机波动而形成的。在多次测定中可以减小偶然误差。

粗大误差由操作者误操作引起，此过失数据一律舍弃［4］。

2.6.2误差排除

首先在人为操作过程中未出现不合规范操作，且在所有测得的数据中未发现与其它数据相差极大的奇异值，故排除了人为因素所造成粗大误差的可能性。其次每套系统的每次试验都进行了10次数据采集，确保了数据的准确性，降低了发生偶然误差的概率。

由表1三次试验可以看出，当使用上述三套系统，以不同的音叉作为试验对象组成了6套不同的系统时，这6套系统所测得的所有数据都重复出现了比标准值偏高及偏低的现象，其中无线遥测系统及加速度传感器系统测量440 Hz音叉所有数值都偏高2 Hz，SKF（频率采集仪系统）则偏高3 Hz；测量512 Hz音叉，无线遥测系统及加速度传感器系统所有数值都偏低1.5 Hz，SKF（频率采集仪系统）则偏低2 Hz。可以看出，6套系统试验得到的数据都出现了单向性偏差且恒定不变，且此6套系统在试验过程中处于相同环境，故可判断此项误差来源于某个固定因素，即实验仪器及实验对象组成的系统所形成的系统误差。

综合三次试验得到的所有数据，各套系统测得的标准音叉频率值与标准值的对比见表2，表中的数据均为测量数据的平均值。

表2　测试数据与标准值对比表Hz

2.6.3误差计算

系统准确度：表示测定值与真实值接近的程度，分为绝对误差和相对误差，见表3。

表3　各系统绝对误差表

式中：Xi为测定值；Xt为真实值。

绝对误差表示测定值与真实值之间的差，具有与测定值相同的量纲；相对误差表示绝对误差与真实值之比，一般用百分率表示，无量纲。绝对误差和相对误差都有正值和负值。

由6套系统试验得到的数据可见，在规避了一些可能产生误差的因素，如环境、人为、测量次数等，无线遥测系统所测得数据与使用经过检验符合测试条件的加速度传感器的有线系统测量得到的数据无差异，且都存在一定的恒定系统误差；与使用完全不同的仪器测量得到的数据也非常接近，且系统误差小于SKF频率采集仪的值。由此证明了相较于有线传输类测试系统及其它成套的测频仪器设备，使用无线遥测系统测量得到的数据并未受到无线传输的影响，具有较高的准确性和可靠性。

3　结束语

通过使用无线遥测系统、inv9822加速度传感器、SFK频率分析仪对标准计量仪器（440 Hz及512 Hz音叉）的测量，以及对数据的分析，得出结论：无线遥测系统的试验结果相较于有线传输系统及其它测频仪器所得的试验结果差异小，具有良好的准确性和可靠性，可以应用到日趋要求严格和准确的叶片动频率试验中。

［1］钟小萍，危奇，蔡步君.300 MW汽轮机低压转子叶片动频试验［J］.热力透平，2007，36（1）：15-18，23.

［2］卢绪祥，唐月清，李录平，等.某厂汽轮机叶片静频率测试及振动安全性分析 ［J］.汽轮机技术，2006，48（5）356-357，326.

［3］肖俊峰，赵毅，朱宝田，等.汽轮机叶片动频率测试及动态调频技术应用研究［C］.中国动力工程学会透平专业委员会，2008年学术研讨会论文集，2008：116-122.

［4］张志杰.动态测试的误差分析方法研究 ［J］.测试技术学报，2004，18（2）：139-143.

［5］崔海涛，刘庆明.冲击波压力传感器测试系统的动态标定［J］.流体力学实验与测量，2004，18（1）：92-96.

Used tuning fork with varied frequencies as the acquisition equipment to obtain multiple sets of test data to test whether or not the output signal will bring large errors as the signals go through wireless radiotelemetry system.When the results from each set of test system are compared to each other and compared with the standard value，the reliability of the transmission signals of radiotelemetry systemis verified.

无线遥测系统；应变片；准确性；可靠性

Radiotelemetry System；Strain Gauges；Accuracy；Reliability

TP212.9

A

1672-0555（2016）01-029-04

2015年9月

何卓仪（1991—），男，本科，助理工程师，主要从事测试技术研究