便携式现场低频振动校准装置

朱 刚 杨晓伟 戴宜霖 田俊宏 崔忠亮

(北京航天计量测试技术研究所，北京 100076)

1 引 言

结构的模态试验一般使用多点激励多点测试(MIMO)的试验方式，模态中的谐振频率和振型等主要技术参数是通过测试输入力(激励)和输出加速度(响应)的传递函数进行分析和计算。输出加速度响应一般使用加速度传感器、配套的适调放大器以及数据采集和分析系统采集。对于大型结构，例如运载火箭全箭模态试验[1]，其结构的谐振频率较低(均在20Hz以内)，用于振动测量的振动传感器有近千通道，若将相关振动测试设备送实验室校准，将极大的影响试验的进度。开展现场低频振动校准，不仅可以节约时间，还可以对结构振动测试系统进行整体校准，提高测试结果的准确度和稳定性。

市场上成熟的便携式振动校准器频率范围一般为20Hz～10kHz之间，专门用于低频振动的便携式振动校准器并未有成熟产品。因此，解决大型结构模态试验系统的现场校准就成为难题。国内外的低频标准振动台主要生产厂家包括美国APS公司生产的基于直线电机推进的低频标准振动台系列，其频率一般从(0.4～20)Hz，但是由于其质量一般在50kg以上，并不便于携带[2]。国内使用的用于建立低频振动标准装置的低频标准振动台，为了达到较高的可靠性，其质量一般在200kg以上[3]，显然无法满足现场低频振动校准的需求。

本文介绍了一种便携式低频振动校准装置，其低频标准振动台质量轻，配合便携式的功率放大、控制与数据采集器，可以实现现场的低频振动校准。

2 低频振动校准装置构建

低频振动校准装置包括低频参考加速度计，低频标准振动台，功率放大、控制与数据采集器以及配套的全自动校准软件等组成。低频振动校准的原理图如图1所示，校准装置如图2所示。

图1 低频振动校准原理图Fig.1 Schematic diagram of low-frequency vibration calibration

图2 便携式现场低频振动校准装置Fig.2 Portable low-frequency vibration calibration system for field service

2.1 低频参考加速度计

受到低频振动位移的限制，低频振动标准装置能够产生的加速度较低，为了提高测量系统的信噪比，需选取灵敏度高、输出稳定的加速度计作为低频参考加速度计。本装置选用CA-YD-188型加速度计，其灵敏度为50.6 mV/ms-2，加速度计经过低频振动标准装置的绝对法校准，可以作为低频振动的参考加速度计使用。

2.2 低频标准振动台

低频标准振动台采用洛仑兹力原理，交流电线通电圈产生交变磁场，交变磁场在固定磁场中使线圈产生运动。采用高效能的左右对称双磁路结构，使用永久磁钢提供磁能，用高导磁材料做磁芯，避免采用励磁线圈时因恒流源输出波动及线圈发热的问题，保证长行程内的磁场均匀。

标准振动台如图3所示，其质量为14.8kg，外形尺寸为250mm×110mm×200mm，位移峰峰值为100mm，可以保证在低频段有较高的加速度信噪比。

图3 低频标准振动台Fig.3 Low-frequency standard vibrator

低频标准振动台的运动部分采用气浮结构，使用气压为0.3MPa的压缩空气作为空气轴承。这样的设计可以极大地减小运动的摩擦力以及来自摩擦阻力方面非线性影响，达到降低加速度波形失真度、减小横向运动比的作用。低频标准振动台台面使用L型工装结构，参考加速度计水平安装在振动台的工装上，被校振动传感器与其背靠背安装在一条直线上。低频标准振动台装有万向夹，用于在大位移情况下夹持气管和传感器线缆，避免对振动产生干扰[4]。

2.3 功率放大、控制与数据采集器

为了达到便携的要求，本装置将功率放大器、控制与数据采集器集成化为一体式的机箱，机箱的外形尺寸为370mm×235mm×110mm，质量为3.3kg。

根据计算，低频标准振动台在最大推力下的功率达到100W。在满足驱动功率要求的前提下，使用开关电源作为其供电方式，可以大大减轻功率放大器部分的质量。低频标准振动台的运动控制采用了光栅尺作为反馈元件，使用基于DSP控制技术进行反馈控制，通过对运动位移、速度和加速度三个指标复合反馈保证了振动台的低频段具有较小的谐波失真度。装置采用了1通道信号发生器、4通道电信号输入的信号处理系统，可以同时校准3路振动信号，有利于提高工作效率。功率放大、控制与数据采集器还包括振动台的自动对中功能，以及振动台内部温度、电流和速度等参数的监测和报警功能，如图4所示。

图4 功率放大、控制与数据采集器Fig.4 Amplifier，control and data aquistion device

2.4 校准软件

本装置采用全自动校准软件，包括对参考加速度计频率响应的自动修正，被校准传感器的供电方式、类型的选择，校准结果的自动保存和计算等功能，软件界面如图5所示。

图5 校准软件Fig.5 Calibration software

2.5 主要技术指标测试

根据《JJG298-2015 标准振动台》[5]检定规程对本装置的横向振动比等主要技术指标进行测试，测试结果如表1和表2所示。测试结果表明，研制的便携式现场低频振动校准装置的主要技术指标完全满足规程的要求，可用于振动传感器的校准。

表1 低频标准振动台主要技术指标测试结果Tab.1Testresultofstandardvibrator频率(Hz)加速度幅值(m/s2)频率示值误差(%)加速度谐波失真度(%)横向运动比(%)0.10.0150.021.21.80.20.070.010.92.10.50.40.010.51.5110.010.21.2220.010.22.8550.010.12.010100.010.11.820100.010.13.6

表2 振动控制系统主要技术指标测试结果Tab.2 Testresultofvibrationcontrolsystem频率(Hz)加速度幅值(m/s2)电压测量误差(%)电压比测量误差(%)加速度幅值控制误差(%)0.10.0150.120.050.80.20.070.090.040.70.50.40.100.040.5110.080.050.5220.050.050.3550.060.040.210100.050.030.320100.020.020.3

3 校准结果

依据《JJG233-2008 压电加速度计》检定规程，使用便携式现场低频振动校准装置对美国ENDEVCO公司生产的7754型低频振动传感器(编号：AA20)进行校准，该加速度计频率响应校准结果如表3所示。

表3 频率响应校准结果Tab.3 Calibrationresultoffrequencyresponse频率(Hz)0.10.20.51251020加速度(m/s2)0.0150.070.41251010灵敏度(mV/ms-2)101.6101.5101.4101.2100.9100.299.999.5

在10Hz下，该加速度计幅值线性校准结果如表4所示。

表4 幅值线性校准结果Tab.4 Calibrationresultoflinearity加速度(m/s2)0.20.512510灵敏度(mV/ms-2)99.899.899.899.999.999.9

4 测量结果的不确定度评定

4.1 测量模型

便携式现场低频振动校准装置开展校准其数学模型为

(1)

式中：Sd——被校传感器的灵敏度；Vd——被校传感器的电压输出；Vr——参考加速度计的电压输出；Sr——参考加速度计的灵敏度。

4.2 A类标准不确定度来源和评定

便携式现场低频振动校准装置进行不确定度评定时，A类方法评定的不确定度主要来源于测量的重复性。设定校准频率为1Hz，校准加速度为1m/s2，对美国ENDEVCO公司生产的7754型低频振动传感器(编号：AA20)的灵敏度测量8次，测量值如表5所示。

表5 灵敏度重复测量结果Tab.5 Calibrationresultofsensitivity测量次数12345678灵敏度ϕi/(mV/ms-2)101.2101.3101.2101.1101.2101.3101.3101.3

灵敏度测量值的平均值

(2)

灵敏度测量平均值的实验标准偏差

(3)

灵敏度测量值的A类标准不确定度uA以相对值表示为

(4)

4.3 B类标准不确定度来源和评定

使用便携式低频振动校准装置对加速度灵敏度进行测量时，B类方法评定的不确定度主要来源如表6所示。

表6 B类不确定度分量Tab.6 Uncertainty components of method B 序号不确定度来源服从分布包含因子不确定度大小1参考加速度计套组灵敏度正态20.50%2电压比测量的影响均匀30.05%3谐波失真度均匀30.12%4交流噪声均匀30.06%5横向运动比特殊30.40%6加速度计安装均匀30.06%7加速度计温度响应均匀30.29%8加速度计的非线性均匀30.06%9适调放大器的非线性均匀30.017%10其他环境条件(噪声、磁场等)均匀30.06%11其他影响因素(随机效应等)均匀30.06%

根据以上不确定度来源，得到加速度灵敏度测量的B类不确定度uB为

(5)

4.4 合成标准不确定度

加速度灵敏度测量结果的不确定度分量独立无关，故加速度灵敏度测量结果的合成标准不确定度uc为

(6)

4.5 扩展不确定度

取包含因子k=2，则加速度灵敏度测量结果的扩展不确定度为

U=k·uc=1.5% (k=2)

(7)

根据以上测量不确定度评定方法，可以得出，在便携式现场低频振动校准装置的全量程范围内，加速度灵敏度的不确定度在2.0%以内。

根据《JJG233-2008压电加速度计》检定规程的要求，使用比较法进行加速度计的灵敏度测试，其加速度校准不确定度在2.0%以内[6]。与试验结果比较可见，使用便携式现场低频振动校准装置开展振动传感器的校准，其校准结果的不确定度完全能够满足检定规程的要求。

4.6 校准不确定度验证

根据《GJB 2749A-2009 军事测量计量标准建立与保持通用要求》的规定，采用两台比对法，对以上测量不确定度进行验证。

将本文中使用的美国ENDEVCO公司生产的7754型加速度计，在校准频率为1Hz，校准加速度为1m/s2，使用本校准装置的灵敏度测量结果y1为101.2 mV/ms-2，校准不确定度为U1为1.5%(k=2)。在北京航天计量测试技术研究所低频振动标准装置上进行校准，灵敏度测量结果y2为101.3 mV/ms-2,校准不确定度为U2为1.0%(k=2)。为了验证该评定方法是否合理，验证结果应符合公式(8)的要求。

(8)

式中：y1——本装置的校准结果；y2——低频振动标准装置校准结果；U1——本校准装置校准不确定度；U2——低频振动标准装置校准不确定度。

将数据代入公式(8)计算，可得

从验证结果可以看出，本装置满足测量标准性能的验证要求，验证了便携式现场低频振动校准装置测量不确定的合理有效。

5 结束语

本文介绍了一种便携式的可用于现场低频振动校准的校准装置，对其进行了性能测试，并进行了校准不确定度的评定和验证。实践表明，校准装置质量轻、易于携带，同时其失真度、横向运动比等主要技术指标高于相关技术要求，可用于现场低频振动校准。