磁电式低频振动传感器原位校准改进型系统的设计与实现*

尚帅锟，高 峰，杨学山，杨巧玉

（中国地震局工程力学研究所地震工程与工程振动重点实验室地震灾害防治应急管理部重点实验室，河北 三河 065201）

0 引 言

无源伺服磁电式传感器以其稳定性好，经久耐用，动态范围大等优点而广泛用于工程测试领域［1，2］，因此在进行测试之前需要对传感器进行校准。如果磁电式传感器要用于长期监测［3］，也难免会发生故障。因此，原位校准方法可以为工程测试带来方便。但是，磁电式传感器存在原位校准时，高频误差大的问题。

振动传感器的原位校准技术分为现场离线校准和现场原位校准［4～7］，离线校准即将安装完成的传感器拆下进行校准［8～11］，省去了送去实验室的步骤。原位校准即在不拆下传感器的情况下校准，常见的为电动式校准［12］。电动式校准建立了一种较为完善的方法，单就激励信号而言，常用的激励信号有正弦波信号、阶跃信号［13］、脉冲信号、白噪声信号、伪随机二进制信号［14］。

本文将改进以后的校准系统所测得的结果与中国的一级振动计量基准（使用标准振动台对磁电式传感器进行校准）的结果进行比较，提升了磁电式低频振动传感器的校准精度。

1 阻抗法校准原理

1.1 拾振器原理

根据文献［15］对拾振器所做的研究工作：m为惯性质量（kg），G1为传感器测量线圈的机电耦和系数（V·m／s），y为传感器壳体位移，R1为测量线圈内阻（Ω），e为传感器测量线圈输出电压（V），k为簧片刚度（N／m），C为反馈电容（F），设数据采集仪的输入电阻远大于线圈内阻则传感器的速度挡灵敏度表达式为

1.2 阻抗法原理

图1所示为借鉴文献［16］的阻抗法校准原理，图中i2（A）为流入校准线圈的电流，它与线圈激振力成正比，u（V）为串联电阻两端的电压。

图1 阻抗法校准原理

与文献［15］的推导类似，系统的运动方程为

式中i1为流过测量线圈的电流，对u进行积分，得自校准速度灵敏度为

比较式（1）和式（3），两者只是相差一个系数，归一化灵敏度重合。

2 阻抗法原位校准与激光干涉法测量结果比较

图2中利用数字采集系统为阻抗法电路提供正弦电信号，经阻抗法电路为拾振器提供校准信号，通过数字采集器得到传感器输出与u的信号，通过计算机得到拾振器的电灵敏度。

图2 阻抗法校准系统框图

本文使用了阻抗法对941B 拾振器的原位校准结果与中国地震局工程力学研究所低频振动标准装置（国家一级标准）的校准结果进行了比较。图3（a）为垂直941B 传感器的速度档校准比较结果。图3（b）为水平941B传感器的加速度档校准比较结果。

图3 941BV1 和941BH1695 阻抗法校准与激光干涉校准结果比较（速度档）

图3中的参考灵敏度为传感器在低频标准振动台上校准的归一化灵敏度，通过测试可以看出，阻抗法的高频校准精度比恒压法的校准精度有了很大的提升。传感器的原位校准误差都控制在5%以内。

3 安装角度对校准结果的影响

磁电式传感器的磁路结构如图4（a）所示，极靴与磁轭之间只有在有限的范围内可以视为匀强磁场，离它们越远，磁场分布越不均匀，磁感应强度越弱（如图4（b））。由于磁电式传感器磁路结构的对称性，所以，只计算其直径截面的磁感应强度，Maxwell 在计算磁感应强度分布时的驱动方程为

图4 磁电式传感器的磁路结构和磁感应强度

图5 为将同一水平传感器分别倾斜4.32″和7.2″时的实验室和原位校准的速度灵敏度曲线。

图5 在不同传感器安装夹角下的原位和激光干涉校准法归一化灵敏度

从图5（a）中可以看出，当传感器安装为7.2″时，使用改进电路后的原位校准法得到的传感器速度归一化灵敏度在高频段会急剧下降。而图5（b）表明，小角度的倾斜对于激光干涉法的影响并不大（即使倾斜角度到达7.2″），即使到了100 Hz的归一化灵敏度也只降低了不到1%，高频校准的相对误差可达到30%。

4 结 论

阻抗法可以显著提高原位校准在高频段的精度，但低频的校准精度有时会下降，具体原因不明。原位校准对于传感器的安装要求较为严格，与水平面的角度不宜超过7″。当传感器与水平面的角度为7.2″时低频段与高频段的原位校准精度都会变差，尤其是高频段的校准结果从50 Hz开始会急剧变差，相对激光干涉法的误差，不会低于10%。