941B型超低頻測振儀的自校準裝置研究報告一、941B型超低頻測振儀1.1什么是941B型低頻測振儀941B型超低頻測振儀又叫941B型拾振器，如圖1所示。941B型超低頻測振儀是一種用于超低頻或低頻振動測量的多功能儀器。有廣泛的用途：地面和各種結構物的脈動測量及振動監(jiān)測。一般工程結構如橋梁、樓房、碼頭、大壩、海洋平臺等的脈動測量和各種振動試驗中的振動測量及監(jiān)測。諸如水輪發(fā)電機組等大型旋轉設備的振動測量。隔振平臺等的微弱振動測量。諸如懸索橋等高柔結構的超低頻大幅值測量。其他低頻超低頻振動測量。圖1941型拾振器941B型拾振器具有如下特點：一機多能：通過拾振器的微型撥動開關，可直接測量加速度或速度，與放大器配接后，可測量位移。使用方便：拾振器無需電源供電，無需調零。性能優(yōu)異：由于使用了無源伺服反饋技術，能夠實現超低頻(低至0.17Hz)大位移（600mm）振動測量。4）寬頻帶、高分辨率、大動態(tài)范圍、抗沖擊性能好、適合運輸，可直接與各種數據采集系統(tǒng)配接。1.2為什么要進行941B型拾振器的自校準傳感器是進行物理量測量，獲得數據的源頭，校準是保證傳感器測量數據準確的前提，是保證量值傳遞的重要手段。通過校準可精確建立傳感器感知物理量與輸出物理量之間的轉換關系。目前，振動與沖擊傳感器校準方法和標準體系都是基于實驗室方法，以激光干涉法振動絕對校準為例，該方法使用振動標準裝置完成校準，振動標準裝置包括性能優(yōu)良的振動臺及其高精度激光干涉儀、信號發(fā)生器、頻率計等儀表，其可傳遞的物理量是長度（位移）和頻率，該方法可獲得精度很高的校準結果，但所需要的設備需要復雜的技術和較大的資金投入，且設備需要精心維護，國內只有少數單位具有這種設備。由于地震觀測和重大（或特殊）工程健康監(jiān)測的需要，大量振動傳感器被安裝在工作現場，這些在線監(jiān)測的傳感器一旦布設，再拆除送到實驗室進行檢測會造成監(jiān)測數據的中斷，實驗室校準方法已遠不能滿足振動傳感器的校準需求，需要一種現場校準方法解決振動傳感器的現場校準需求。目前，人們在多個領域布設有大量長期在線工作的振動傳感器：在強地震動觀測領域，布設了大量的強震儀，僅中國就安裝了2000余臺強震儀，包括5000余臺觀測設備的地震烈度速報與預警臺站建設也已提上議事日程，這些觀測設備都是連續(xù)24小時不間斷工作，尚有大量用于地震觀測的地震計；土木工程結構領域針對結構安全和健康狀態(tài)監(jiān)測布設有大量的振動監(jiān)測系統(tǒng)，如美國的SunshineSkywayBridge斜拉橋（主跨440米），丹麥的GreatBeltEast懸索橋（主跨1624米）、加拿大的ConfederationBridge橋、我國的潤揚大橋（主跨1490米）、江陰大橋（主跨1385米）等等；在機械設備監(jiān)測領域，利用振動進行機械設備的故障診斷和故障預測已經形成了一門學科，大量重要機械設備都裝有在線工作的振動傳感器。海嘯預警、軍事、精密儀器隔振等監(jiān)測也布設有大量超低頻大量程和高精度微振傳感器。這些數量非常龐大的振動傳感器都是在線工作的，無法送到實驗室進行校準，如何對這些傳感器進行校準一直是困擾工程界的難題。單純的實驗室方法已無法滿足日益增多的在線監(jiān)測傳感器校準需求，建立振動與沖擊傳感器的非實驗室校準方法和標準體系已經提上議事日程?；谠搯栴}的重要性，2012年召開的ISO/TC108/SC3決定嘗試起草一份關于現場校準的國際標準，并由中國負責該工作，目前該標準已經到達CD（委員會草案）階段，該標準擬采用現場校準方法實現振動與沖擊傳感器的校準。利用現場校準方法測試傳感器參數由來已久，但針對該方法，多是基于長期的實驗得到的經驗和感性認識，僅在寬頻地震計可見到一些針對現場校準的基礎研究，但振動傳感器的種類較多，不同傳感器的原理和傳遞函數不盡相同，針對不同類型的振動傳感器，其現場校準條件下振動傳感器的輸入-輸出關系與傳感器真實的輸入—輸出關系究竟有多大程度的相似，這方面做工作是不足的，因此現場校準方法還稱不上是一套嚴謹的方法和體系，尤其是基礎理論研究工作不足，缺乏和激光干涉法振動絕對校準方法的對比研究，強化現場校準的基礎理論研究，強化和激光干涉法振動絕對校準的對比研究，對于促進振動與沖擊傳感器現場校準方法和標準體系的建立有切實的意義；在內置線圈振動傳感器現場校準方法中，電靈敏度是完成校準所必須確定的三個參數之一，電靈敏度在傳感器使用頻率范圍內并未與實際靈敏度呈現線性比例關系，在某些頻率段仍存在較大測量誤差（10%以上），對于為何出現這種現象，多認為是因為線圈感抗的原因，但未見針對某類型振動傳感器有詳細的理論分析和實驗研究，對產生這種現象的原因仍停留在感性認識的階段，這也是討論國際標準草稿中，專家對該參數爭論較大的原因之一?？紤]以上兩方面研究工作的不足，以及這些研究工作對于建立振動與沖擊傳感器現場校準方法和標準體系的意義，提出了要進行941B型拾振器的自校準。二、941B型超低頻測振儀的自校準裝置研究2.1研究的主要內容研究內容是針對現場校準方法在941B型超低頻測振儀使用頻帶的高頻段存在較大誤差、缺乏現場校準和實驗室校準數據對比和941B型超低頻測振儀的安裝條件對自校準結果影響的問題，對復雜現場環(huán)境中941B型超低頻測振儀的恒流激勵測量技術進行研究，實現消除線圈耦合感抗的影響、確定941B型超低頻測振儀安裝條件對現場自校準結果的影響的目的。1）研究線圈耦合感抗對現場校準結果的影響，分析現場校準方法在頻率較高時出現誤差的原因。選擇941B型超低頻測振儀，分析現場校準方法激勵信號作用下941B超低頻測振儀的輸入-輸出關系，尤其分析考慮線圈耦合感抗時的輸入-輸出關系，通過理論分析定量確定線圈耦合感抗對現場校準結果的影響，確定現場校準方法電靈敏度在941B型超低頻測振儀通頻帶較高的部分誤差較大的原因。2）針對現場校準方法在941B型超低頻測振儀使用頻帶的高頻段存在較大誤差的問題，提出相應的解決方法。研究941B型超低頻測振儀在恒流激勵信號的作用下，消除線圈耦合感抗的影響。3）現場校準和激光干涉法振動絕對校準的對比研究。選取一定數量的941B型超低頻測振儀作為樣本，分別采用激光干涉法振動絕對校準和現場校準方法，測試941B型超低頻測振儀的頻響特性，得到不同頻率點的靈敏度和電靈敏度。4)傳感器安裝條件，尤其是安裝時的傾斜，對現場自校準結果的影響。傾斜造成941B型超低頻測振儀的線圈位置偏離中心，由于941B型超低頻測振儀的磁場并不是均勻分布的，這會造成線圈耦合系數的變化，利用精密轉臺，研究傾斜對校準結果的影響。2.2設計方案1）線圈耦合感抗影響分析：選擇內置線圈磁電式振動傳感器，利用傳遞函數方法，建立現場校準方法數學傳遞函數；考慮線圈耦合感抗在傳遞函數中的作用，借助matlab等軟件進行仿真分析，確定線圈耦合感抗的方法；2）研制恒流激勵信號發(fā)生裝置，利用恒流信號作為現場校準方法的激勵信號對傳感器進行校準，獲取實驗數據，并研制現場自校準裝置：搭建恒流驅動電路，將函數信號發(fā)生器產生恒壓激勵信號送入該驅動電路，產生恒流信號，并做為現場校準方法的輸入信號。選擇內置線圈磁電式振動傳感器作為實驗樣機，將恒流激勵信號送入振動傳感器樣機的校準線圈，使用數字萬用表或數據采集儀測試振動傳感器的輸入-輸出關系，得到不同頻率點的電靈敏度和相對頻響特性，將測試數據與1）中的仿真數據進行對比，確認消除線圈耦合感抗的影響；3）現場校準和激光干涉法振動絕對校準對比：依托低頻振動標準裝置，利用激光干涉法振動絕對校準對2）中的振動傳感器樣機進行校準，得到傳感器頻響特性，并將校準數據與2）中現場校準得到的相對頻響特性進行對比，得到轉換系數，并在較長時間內持續(xù)進行實驗比對，觀察數據的穩(wěn)定性；4）研究環(huán)境因素對校準結