浅谈噪声变送器校准中存在的问题

【摘要】 分析了噪声变送器校准时应注意的一些问题，提供了一种噪声变送器电流-声压级系统灵敏度的校准方法，为噪声变送器的准确校准提供参考和一定的技术基础。

【关键词】 噪声变送器;系统灵敏度;电流输出

【DOI编码】 10.3969/j.issn.1674-4977.2021.03.023

Discussion on the Calibration Problems of Acoustics Transducer

WEI Wei-li

（Liaoning Provincial Institute of Measurement，Shenyang 110004，China）

Abstract： This paper analyzed the calibration problems of acoustics transducer，and provided a calibration method for the current-sound pressure level system sensitivity of acoustics transducer，which provided reference and certain technical basis for accurate calibration of acoustics transducer.

Key words： acoustics transducer;system sensitivity;current output

變送器是一种将不同物理量的测试信号转换为直流电流信号的换能设备，通常由测量传感器和精密测量电路（放大器和适配器）组成。变送器的输入信号，可以是温度、压力、振动和噪声等。根据被采集信号的物理特性，变送器可以是温度变送器、压力变送器、振动变送器和噪声变送器。变送器根据IEC过程控制系统用模拟信号标准，将采集到的信号压缩转换为（4～20） mA直流电流输出，直接连接到二次仪表、计算机采样设备和工业PLC（Programmable Logic Controller）模块中，实现各类信号的采集和处理。噪声变送器就是一种将声信号转换为直流电流信号的换能设备。

变送器由于其信号输出始终为（4～20） mA的标准直流电流输出，因此具有良好的通用性和互换性;同时电流信号在进行信号远距离传输时，与电压信号传输相比，可有效减小信号衰减和压降问题，同时直流电流信号干扰噪声小，信号失真更小，传输更准确。

鉴于变送器的以上特点，各类变送器的应用已十分广泛。温度变送器和压力变送器已经大量应用于工业测量和监测领域，检定和校准方法已发布实施，技术相对成熟;振动变送器和噪声变送器近几年的工业应用呈逐年增多趋势，但尚无针对该类变送器现行有效的校准规范或检定规程实施发布。目前振动变送器校准规范已由国家市场监督管理总局立项，制订工作正在进行，而噪声变送器暂无明确的校准方法和校准规范制订计划，噪声变送器的校准问题亟待解决。

本文在此基础上，对一种噪声变送器校准存在的问题进行分析，提出了一种噪声变送器校准方法，通过测量噪声变送器的电流-声压级系统灵敏度（以下简称系统灵敏度），分析不同频率下噪声变送器的电流-声压级系统灵敏度的频率响应，对噪声变送器的计量特性进行符合性分析，为噪声变送器的校准提供思路和技术基础。

1 校准需求

通常情况下，噪声变送器的校准都与二次仪表配套组成噪声测量系统进行系统校准，或串联250 Ω电阻后间接测量电压量进行校准。但实际情况是，与噪声变送器配套的二次仪表或工业化模块往往集成在工作现场，不方便拆卸送检，用户往往单独送检噪声变送器，要求直接对噪声变送器的计量特性进行校准。因此在不同频率不同声信号激励下的电流输出特性进行校准，更符合用户的实际使用需求，同时直接测量的校准方式减少了测量过程中的不确定度影响因素，有效提高测量准确度。

2 噪声变送器的设计特点

噪声变送器采集到的是空气噪声，其输入参量为声压级，其输出参量为直流电流，范围为（4～20） mA。

由于声信号的量程范围和声压级的加权计算各不相同，但无论声信号的设计指标如何变化，经放大器和适配器等后续电路处理后的输出电流都为（4～20） mA，这就导致在研究噪声变送器的电流输出特性时，其输出除以输入的系统灵敏度的名义值不尽相同。因此在对噪声变送器进行校准时，应充分考虑噪声变送器不同量程、不同频率计权的设计要求。

3 校准参数的选择

通常情况下，描述现有声学传声器灵敏度特性的参量为开路声压灵敏度（单位为mV/Pa）或开路声压灵敏度级（单位为dB，1V/Pa）。本文研究的噪声变送器，并不是一种传声器，而是一个由传声器或麦克风、前置放大器和适配器组成的一个测量系统，这个测量系统的信号输入为声压级（单位为dB，20 μPa），输出为直流电流（单位为mA）。噪声变送器的校准参数应是这个系统的输出除以输入得到这一测量系统的系统灵敏度（根据系统灵敏度的定义：测量系统的示值变化除以相应的被测量值变化所得的商）;要研究的内容是噪声变送器的系统灵敏度在不同频率下的频率响应特性，即这个系统在不同频率下是否能保证输出/输入呈线性变化，这个系统灵敏度就是这个线性曲线的斜率。因此噪声变送器的校准并不是要研究传声器本身的灵敏度特性，所做的测量工作也不是在开路情况下获得的测量数据。

噪声变送器电流-声压级系统灵敏度的特性除了传声器的特性影响外，所选参数最关键的影响因素在适配器。根据应用领域的特点，噪声变送器无论它的声压级输入在什么范围，或进行什么样的加权计算，它的输出都需要转换为（4～20） mA，就是说不同的设计声压级测量范围和频率计权的变化，都直接影响系统灵敏度的数值，本文研究的噪声变送器就是规定了具体的参数范围（测量范围（20～8000） Hz，电流输出范围（4～20） mA，设计声压级量程为（0～130） dB，设计频率计权为A计权），因此它的名义系统灵敏度根据定义为s=（20-4）/（130-0）=0.1231 mA/dB;若设计声压级量程变为（0～100） dB，电流输出范围仍是（4～20） mA，则此时的名义系统灵敏度根据定义为s=（20-4）/（100-0）=0.160 mA/dB;如果设计的频率计权由A改为C计权，计算得到的名义系统灵敏度也会发生变化，而传声器的开路声压灵敏度是传声器本身的计量特性，由传声器的结构、换能原理等决定，其名义值不应根据计算不同而发生改变。因此噪声变送器的校准参数应与传声器的开路声压灵敏度有所区别。

4 系统灵敏度的量纲

根据噪声变送器电流-声压级系统灵敏度的定义，系统灵敏度的量纲应为“mA/dB”，参考为20 μPa。需注意的是若噪声变送器系统灵敏度的量纲换为“mA/Pa”，与传声器的灵敏度形式上保持一致，是不适当的，根据空气声声压级的定义，对噪声变送器电流-声压级系统灵敏度在不同频率下进行计算，数据如表1所示。

由表1看出，若采用mA/Pa的形式进行分析，实际上其在不同频率下的电流输出声压灵敏度并不是相同的，也就是这种噪声变送器系统其声压级输入和电流输出并不是线性输出，无法进行不同频率下系统灵敏度的线性度分析。或者说这种系统在特定的情况下，电流输出与声压级成正比，与声压不成线性变化。

5 系统灵敏度的符合性分析

噪声变送器电流输出的频率响应特性通常按照IEC 61672-1《电声学声级计第1部分：规范》中的1级或2级允差要求进行设计，其电流-声压级系统灵敏度的频率响应特性可参考JJG 175-2015《工作标准传声器（静电激励器法）》中对应型式给出的频率响应极限值进行符合性分析。

IEC 61672-1于2013年修订后，声级计检定规程和聲级计型式评价大纲已全面修订，新规程修改了各计量特性的“接受限”，不再使用“允差”，并且各准确度等级声级计对应的接受限修改的更为严格，合格判定修改为不超过接受限，同时测量不确定度不超过附录A中的最大允许测量不确定度。因此对噪声变送器进行校准时，应充分考虑被校准的噪声变送器是按哪个版本的允许误差进行设计的，如文中进行校准的TR-SLT1A4型噪声变送器，属于按旧标准中2级允差设计的噪声变送器，为保证其频率响应特性评价的一致性，仍采用旧版标准中给出的允差要求进行符合性分析。

6 结论

分析了噪声变送器在校准和符合性分析中应注意的一些问题，提出了一种通过测量噪声变送器的电流-声压级系统灵敏度频率响应对噪声变送器电流输出特性进行分析的校准思路，为噪声变送器的准确校准提供参考和一定的技术基础。

【参考文献】

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[2] 吕振彬，袁企乡，徐玮，等.基于dsPIC的4～20mA两线制恒流源的设计[J].计算机测量与控制，2016（1）：310-312.

[3] 吴胜举，张明铎.声学测量原理与方法[M].北京：科学出版社，2013.

[4] 声级计检定规程：JJG 188-2017[S].

【作者简介】

魏伟力（1983-），男，工程师，硕士，研究方向为声学振动计量。