941B型超低頻測(cè)振儀的自校準(zhǔn)裝置研究報(bào)告一、941B型超低頻測(cè)振儀1.1什么是941B型低頻測(cè)振儀941B型超低頻測(cè)振儀又叫941B型拾振器，如圖1所示。941B型超低頻測(cè)振儀是一種用于超低頻或低頻振動(dòng)測(cè)量的多功能儀器。有廣泛的用途：地面和各種結(jié)構(gòu)物的脈動(dòng)測(cè)量及振動(dòng)監(jiān)測(cè)。一般工程結(jié)構(gòu)如橋梁、樓房、碼頭、大壩、海洋平臺(tái)等的脈動(dòng)測(cè)量和各種振動(dòng)試驗(yàn)中的振動(dòng)測(cè)量及監(jiān)測(cè)。諸如水輪發(fā)電機(jī)組等大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備的振動(dòng)測(cè)量。隔振平臺(tái)等的微弱振動(dòng)測(cè)量。諸如懸索橋等高柔結(jié)構(gòu)的超低頻大幅值測(cè)量。其他低頻超低頻振動(dòng)測(cè)量。圖1941型拾振器941B型拾振器具有如下特點(diǎn)：一機(jī)多能：通過(guò)拾振器的微型撥動(dòng)開關(guān)，可直接測(cè)量加速度或速度，與放大器配接后，可測(cè)量位移。使用方便：拾振器無(wú)需電源供電，無(wú)需調(diào)零。性能優(yōu)異：由于使用了無(wú)源伺服反饋技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)超低頻(低至0.17Hz)大位移（600mm）振動(dòng)測(cè)量。4）寬頻帶、高分辨率、大動(dòng)態(tài)范圍、抗沖擊性能好、適合運(yùn)輸，可直接與各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配接。1.2為什么要進(jìn)行941B型拾振器的自校準(zhǔn)傳感器是進(jìn)行物理量測(cè)量，獲得數(shù)據(jù)的源頭，校準(zhǔn)是保證傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的前提，是保證量值傳遞的重要手段。通過(guò)校準(zhǔn)可精確建立傳感器感知物理量與輸出物理量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。目前，振動(dòng)與沖擊傳感器校準(zhǔn)方法和標(biāo)準(zhǔn)體系都是基于實(shí)驗(yàn)室方法，以激光干涉法振動(dòng)絕對(duì)校準(zhǔn)為例，該方法使用振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置完成校準(zhǔn)，振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置包括性能優(yōu)良的振動(dòng)臺(tái)及其高精度激光干涉儀、信號(hào)發(fā)生器、頻率計(jì)等儀表，其可傳遞的物理量是長(zhǎng)度（位移）和頻率，該方法可獲得精度很高的校準(zhǔn)結(jié)果，但所需要的設(shè)備需要復(fù)雜的技術(shù)和較大的資金投入，且設(shè)備需要精心維護(hù)，國(guó)內(nèi)只有少數(shù)單位具有這種設(shè)備。由于地震觀測(cè)和重大（或特殊）工程健康監(jiān)測(cè)的需要，大量振動(dòng)傳感器被安裝在工作現(xiàn)場(chǎng)，這些在線監(jiān)測(cè)的傳感器一旦布設(shè)，再拆除送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)會(huì)造成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的中斷，實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)方法已遠(yuǎn)不能滿足振動(dòng)傳感器的校準(zhǔn)需求，需要一種現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法解決振動(dòng)傳感器的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)需求。目前，人們?cè)诙鄠€(gè)領(lǐng)域布設(shè)有大量長(zhǎng)期在線工作的振動(dòng)傳感器：在強(qiáng)地震動(dòng)觀測(cè)領(lǐng)域，布設(shè)了大量的強(qiáng)震儀，僅中國(guó)就安裝了2000余臺(tái)強(qiáng)震儀，包括5000余臺(tái)觀測(cè)設(shè)備的地震烈度速報(bào)與預(yù)警臺(tái)站建設(shè)也已提上議事日程，這些觀測(cè)設(shè)備都是連續(xù)24小時(shí)不間斷工作，尚有大量用于地震觀測(cè)的地震計(jì)；土木工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域針對(duì)結(jié)構(gòu)安全和健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)布設(shè)有大量的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如美國(guó)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(guó)的潤(rùn)揚(yáng)大橋（主跨1490米）、江陰大橋（主跨1385米）等等；在機(jī)械設(shè)備監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，利用振動(dòng)進(jìn)行機(jī)械設(shè)備的故障診斷和故障預(yù)測(cè)已經(jīng)形成了一門學(xué)科，大量重要機(jī)械設(shè)備都裝有在線工作的振動(dòng)傳感器。海嘯預(yù)警、軍事、精密儀器隔振等監(jiān)測(cè)也布設(shè)有大量超低頻大量程和高精度微振傳感器。這些數(shù)量非常龐大的振動(dòng)傳感器都是在線工作的，無(wú)法送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行校準(zhǔn)，如何對(duì)這些傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)一直是困擾工程界的難題。單純的實(shí)驗(yàn)室方法已無(wú)法滿足日益增多的在線監(jiān)測(cè)傳感器校準(zhǔn)需求，建立振動(dòng)與沖擊傳感器的非實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)方法和標(biāo)準(zhǔn)體系已經(jīng)提上議事日程?；谠搯?wèn)題的重要性，2012年召開的ISO/TC108/SC3決定嘗試起草一份關(guān)于現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，并由中國(guó)負(fù)責(zé)該工作，目前該標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)到達(dá)CD（委員會(huì)草案）階段，該標(biāo)準(zhǔn)擬采用現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法實(shí)現(xiàn)振動(dòng)與沖擊傳感器的校準(zhǔn)。利用現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法測(cè)試傳感器參數(shù)由來(lái)已久，但針對(duì)該方法，多是基于長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)和感性認(rèn)識(shí)，僅在寬頻地震計(jì)可見到一些針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的基礎(chǔ)研究，但振動(dòng)傳感器的種類較多，不同傳感器的原理和傳遞函數(shù)不盡相同，針對(duì)不同類型的振動(dòng)傳感器，其現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)條件下振動(dòng)傳感器的輸入-輸出關(guān)系與傳感器真實(shí)的輸入—輸出關(guān)系究竟有多大程度的相似，這方面做工作是不足的，因此現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法還稱不上是一套嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒ê腕w系，尤其是基礎(chǔ)理論研究工作不足，缺乏和激光干涉法振動(dòng)絕對(duì)校準(zhǔn)方法的對(duì)比研究，強(qiáng)化現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的基礎(chǔ)理論研究，強(qiáng)化和激光干涉法振動(dòng)絕對(duì)校準(zhǔn)的對(duì)比研究，對(duì)于促進(jìn)振動(dòng)與沖擊傳感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法和標(biāo)準(zhǔn)體系的建立有切實(shí)的意義；在內(nèi)置線圈振動(dòng)傳感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法中，電靈敏度是完成校準(zhǔn)所必須確定的三個(gè)參數(shù)之一，電靈敏度在傳感器使用頻率范圍內(nèi)并未與實(shí)際靈敏度呈現(xiàn)線性比例關(guān)系，在某些頻率段仍存在較大測(cè)量誤差（10%以上），對(duì)于為何出現(xiàn)這種現(xiàn)象，多認(rèn)為是因?yàn)榫€圈感抗的原因，但未見針對(duì)某類型振動(dòng)傳感器有詳細(xì)的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因仍停留在感性認(rèn)識(shí)的階段，這也是討論國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)草稿中，專家對(duì)該參數(shù)爭(zhēng)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(duì)于建立振動(dòng)與沖擊傳感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法和標(biāo)準(zhǔn)體系的意義，提出了要進(jìn)行941B型拾振器的自校準(zhǔn)。二、941B型超低頻測(cè)振儀的自校準(zhǔn)裝置研究2.1研究的主要內(nèi)容研究?jī)?nèi)容是針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法在941B型超低頻測(cè)振儀使用頻帶的高頻段存在較大誤差、缺乏現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)和實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì)比和941B型超低頻測(cè)振儀的安裝條件對(duì)自校準(zhǔn)結(jié)果影響的問(wèn)題，對(duì)復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中941B型超低頻測(cè)振儀的恒流激勵(lì)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)消除線圈耦合感抗的影響、確定941B型超低頻測(cè)振儀安裝條件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)自校準(zhǔn)結(jié)果的影響的目的。1）研究線圈耦合感抗對(duì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)結(jié)果的影響，分析現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法在頻率較高時(shí)出現(xiàn)誤差的原因。選擇941B型超低頻測(cè)振儀，分析現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法激勵(lì)信號(hào)作用下941B超低頻測(cè)振儀的輸入-輸出關(guān)系，尤其分析考慮線圈耦合感抗時(shí)的輸入-輸出關(guān)系，通過(guò)理論分析定量確定線圈耦合感抗對(duì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)結(jié)果的影響，確定現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法電靈敏度在941B型超低頻測(cè)振儀通頻帶較高的部分誤差較大的原因。2）針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法在941B型超低頻測(cè)振儀使用頻帶的高頻段存在較大誤差的問(wèn)題，提出相應(yīng)的解決方法。研究941B型超低頻測(cè)振儀在恒流激勵(lì)信號(hào)的作用下，消除線圈耦合感抗的影響。3）現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)和激光干涉法振動(dòng)絕對(duì)校準(zhǔn)的對(duì)比研究。選取一定數(shù)量的941B型超低頻測(cè)振儀作為樣本，分別采用激光干涉法振動(dòng)絕對(duì)校準(zhǔn)和現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法，測(cè)試941B型超低頻測(cè)振儀的頻響特性，得到不同頻率點(diǎn)的靈敏度和電靈敏度。4)傳感器安裝條件，尤其是安裝時(shí)的傾斜，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)自校準(zhǔn)結(jié)果的影響。傾斜造成941B型超低頻測(cè)振儀的線圈位置偏離中心，由于941B型超低頻測(cè)振儀的磁場(chǎng)并不是均勻分布的，這會(huì)造成線圈耦合系數(shù)的變化，利用精密轉(zhuǎn)臺(tái)，研究?jī)A斜對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果的影響。2.2設(shè)計(jì)方案1）線圈耦合感抗影響分析：選擇內(nèi)置線圈磁電式振動(dòng)傳感器，利用傳遞函數(shù)方法，建立現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法數(shù)學(xué)傳遞函數(shù)；考慮線圈耦合感抗在傳遞函數(shù)中的作用，借助matlab等軟件進(jìn)行仿真分析，確定線圈耦合感抗的方法；2）研制恒流激勵(lì)信號(hào)發(fā)生裝置，利用恒流信號(hào)作為現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法的激勵(lì)信號(hào)對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并研制現(xiàn)場(chǎng)自校準(zhǔn)裝置：搭建恒流驅(qū)動(dòng)電路，將函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生恒壓激勵(lì)信號(hào)送入該驅(qū)動(dòng)電路，產(chǎn)生恒流信號(hào)，并做為現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法的輸入信號(hào)。選擇內(nèi)置線圈磁電式振動(dòng)傳感器作為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，將恒流激勵(lì)信號(hào)送入振動(dòng)傳感器樣機(jī)的校準(zhǔn)線圈，使用數(shù)字萬(wàn)用表或數(shù)據(jù)采集儀測(cè)試振動(dòng)傳感器的輸入-輸出關(guān)系，得到不同頻率點(diǎn)的電靈敏度和相對(duì)頻響特性，將測(cè)試數(shù)據(jù)與1）中的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，確認(rèn)消除線圈耦合感抗的影響；3）現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)和激光干涉法振動(dòng)絕對(duì)校準(zhǔn)對(duì)比：依托低頻振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置，利用激光干涉法振動(dòng)絕對(duì)校準(zhǔn)對(duì)2）中的振動(dòng)傳感器樣機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)，得到傳感器頻響特性，并將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與2）中現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)得到的相對(duì)頻響特性進(jìn)行對(duì)比，得到轉(zhuǎn)換系數(shù)，并在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)持續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比對(duì)，觀察數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性；4）研究環(huán)境因素對(duì)校準(zhǔn)結(jié)