三轴向现场校准振动系统的研究*

于来宝，宋 晶，袁 博

(武汉城市职业学院，湖北 武汉 430071)

0 引言

近年来，随着振动监测技术的发展，低频振动传感器获得了广泛应用。为了保证测量准确，需要对振动传感器进行校准检定，其目的是在整个幅值和频率范围内确定传感器的校准系数。校准的参数包括灵敏度、幅频响应、横向灵敏度等，以保证使用这些传感器获得准确的测量结果。但同时我们注意到，目前大量的振动传感器被用于长期监测，长期监测的要求使得这些传感器很难被拆除后送至实验室校准，且传统检定设备和方法测试过程繁琐，检定周期长，获取数据量少，回溯过程困难。以核电站为例，按照核电仪表的技术规范要求，每个换料周期(大修)，加速度传感器校准一次，校准的内容包括传感器的灵敏度、幅频特性、横向灵敏度等参数。核电站大修时间窗口较小，而可用于加速度传感器的检定时间更加短暂，加速度传感器的校准检定，必须要在短时间内快速完成，稍有延迟即有可能造成巨大的经济损失。为解决这一问题，目前不同的核电站主要采用了以下方式进行校核：①针对0 Hz～50 Hz传感器，按照《地震观测仪器质量检验规则》中的静态重力法进行灵敏度的检测，检测过程需要用到分度头进行角度回转，采用万用表、示波器等进行数据检测和波形观察，并获取数据；②针对0.1 Hz～33 Hz传感器，采用中国地震局工程力学研究所生产的单轴向振动台系统、示波器等获取数据。上述两种方法在一定程度上可以满足低频振动加速度传感器现场校准的要求，但在实际操作过程中我们发现，这些校准方法均存在一定的局限性。此外，水电站大坝、高层建筑等用到的加速度传感器的校准也存在类似的问题。

为解决这些问题，本文设计了一种新型三轴低频振动台系统，有别于实验室校准设备，除满足校准需求外，需要振动台具有可移动、尺寸小、重量轻、便携性好等特点。

1 三轴低频振动台系统整体设计

所设计的振动台系统结构如图1所示，它采用比较法标定低频加速度传感器，由激振器、DDS与功率放大模块、测试电路等部分组成。信号发生器产生的电信号经振动台伺服控制系统中的功率放大器放大后通过导线输入到振动台的激振器动圈中，从而使与激振器动圈连接的台面产生往复振动。与台面固定连接的相对速度计检测台面的相对运动速度或位移，它产生的电信号输给伺服控制系统来检测台面运动的速度参量，同时，相对速度的输出经伺服放大器放大后，与信号发生器产生的信号叠加，最后经功率放大后输入激振器的动圈中形成闭环伺服系统，使包括台面在内的运动部件产生大阻尼，从而改善振动台的低频特性、提高稳定度和改善失真度。

图1 三轴低频振动台系统整体结构示意图

校准过程采用比较法，将被校准传感器和经过国家计量部门严格校准过的标准传感器并排地安装在振动台的台面中心,在参考频率和参考加速度下进行标定,通过对比标准传感器与被测传感器的电输出及加速度值即可获得相应参数。

2 机械结构设计

为实现三个轴向的现场测量校准，振动台采用如图2所示的机械结构。

图2中，水平座板23的下表面四角各开设有一个第I调平盲螺孔；纵向直立座板24的左表面四角各开设有一个第II调平盲螺孔；纵向直立座板24的右表面下边缘与水平座板23的左端面固定；第I调平螺栓17的数目为4个；4个第I调平螺栓17的尾端分别旋拧于4个第I调平盲螺孔内；第II调平螺栓1的数目为4个；4个第II调平螺栓1的尾端分别旋拧于4个第II调平盲螺孔内；第I水准泡4固定于水平座板23的上表面；第II水准泡2固定于纵向直立座板24的右表面。

在进行传感器水平向X、Y校准时，振动台如图2所示摆放，被测传感器敏感轴与激振器振动方向平行，通过水平底板的4个第I调平螺栓和气泡配合调平台面，即可启动校准过程；同理，在进行Z向校准时，需将振动台逆时针旋转90°，纵向直立座板与地面平行，通过4个第II调平螺栓与垂直向气泡配合调平台面，即可启动Z轴校准过程。

1-第II调平螺栓；2-第II水准泡；3-激振器；4-第I水准泡；5-第I横向连杆；6-第I支撑立柱；7-第I支撑横梁；8-第III紧固螺栓；9-第IV紧固螺栓；10-第II支撑横梁；11-第II支撑立柱；12-第II横向连杆；13-平衡弹簧；14-第III横向连杆；15-纵向直立支撑板；16-调节螺栓；17-第I调平螺栓；18-第II条形弹片；19-第II紧固螺栓；20-T形安装板；21-第I紧固螺栓；22-第I条形弹片；23-水平座板；24-纵向直立座板图2 振动台机械结构示意图

3 电路系统设计

装置的数采模块选择单片机C8051F020为控制器，选择LTC1865为采集芯片，采集单元电路如图3所示。检测到的数据以串口传送到PC端，在PC端进行数据处理。

图3 采集单元电路

考虑到加速度传感器工作的频率范围，设置截止频率为50 Hz，计算可得低通滤波电容为0.1 μF。同时使用外置高精度电压基准源MAX873进一步提高系统精度。

4 系统测试

为检验所设计系统的性能，采用所设计系统进行加速度传感器的校准，并进行数据分析，分析过程采用比较法。

比较校准法是将被校准传感器和经过国家计量部门严格校准过的标准传感器并排地安装在振动台的台面中心,在参考频率和参考加速度下进行标定,通过对比标准传感器与被测传感器的电输出及加速度值即可获得相应参数。校准的参数是加速度传感器的主要参数，包括灵敏度、幅频特性和横向灵敏度。

4.1 灵敏度数据

将被测传感器和经过国家计量部门严格校准过的标准传感器并排地安装在振动台的台面中心,振动台面产生正弦波，由于被校准传感器与标准传感器受到相同的正弦激励幅度,其电压输出之比即为其灵敏度之比。通过换算可知，被标定传感器的灵敏度Sa为：

(1)

其中：Sr为标准传感器的灵敏度，Sr=10 V/g；ur和ua分别为标准传感器和被标定传感器的输出电压。

不难看出，要得出被测传感器的灵敏度，需要分别测出两个传感器对同一振动的相应电压。通过测试，获得的数据如表1所示。

表1 灵敏度测试数据

通过分析，使用校准台测得的灵敏度数据稳定。

4.2 幅频特性数据

将被测传感器和经过国家计量部门严格校准过的标准传感器并排地安装在振动台的台面中心,振动台面产生正弦波，通过对数采通道增益系数进行设置，可使被测传感器和标准传感器输出相同的加速度。同时，得到测试频率相应范围内的各个频率，如表2所示。

表2 幅频特性测试数据

以检测频率为横坐标，以被测传感器与标准传感器输出加速度为纵坐标，可画出幅频特性曲线，如图4所示。

图4 幅频特性曲线

通过分析，使用校准台测得的幅频特性一致性好，数据稳定。

4.3 横向灵敏度数据

横向灵敏度为振动轴向与非振动轴向的加速度比值，计为Rs，按下式计算：

Rs=ST/S.

(2)

其中：ST为被测传感器横向输出的加速度值；S为标准传感器输出的加速度值。

当振动轴为X时，Y、Z为非敏感轴，只需检测三轴向的电压输出，即可根据公式(2)获得Y、Z轴的横向灵敏度数据。测试过程获得的多组数据如表3所示。表3中，X为灵敏轴标准传感器输出，Y、Z分别为被测传感器Y、Z轴输出。

表3 横向灵敏度测试数据

实践表明，系统稳定可靠，可用于现场校准。

5 结语

本文设计了一种新型三轴低频振动台系统，给出了系统机械结构、电路系统的设计方案，对采用该系统进行现场校准的传感器的灵敏度、横向灵敏度、幅频特性的校准流程进行了研究和评估，并详细讨论了检测后数据的处理过程，给出了部分数据处理结果。本文提出的测试方法已在工程实践中得到应用，且得到的数据真实可靠，该方法具有一定的推广价值。