龔 亮 蔡晨光 王 穎

(1.北京化工大學(xué)，北京 100029；2.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029)

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用于振動(dòng)傳感器在線校準(zhǔn)的壓電激勵(lì)裝置性能測(cè)試*

龔 亮1蔡晨光2王 穎1

(1.北京化工大學(xué)，北京 100029；2.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029)

壓電激勵(lì)裝置作為振動(dòng)傳感器的底座安裝,可以實(shí)現(xiàn)其在線校準(zhǔn)。文章介紹了壓電激勵(lì)裝置性能測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)信號(hào)噪聲比、穩(wěn)定性、波形失真度以及橫向振動(dòng)比等進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)系統(tǒng)的機(jī)械共振頻率進(jìn)行了測(cè)量。結(jié)果表明所測(cè)參數(shù)均滿(mǎn)足檢定規(guī)程要求，該壓電激勵(lì)裝置可用于振動(dòng)傳感器在線校準(zhǔn)。

壓電激勵(lì)裝置；振動(dòng)傳感器；在線校準(zhǔn)；性能測(cè)試

0 引言

振動(dòng)傳感器由于長(zhǎng)期使用中漂移、環(huán)境變化等因素的影響，會(huì)導(dǎo)致輸出特性發(fā)生變化，進(jìn)而影響輸出精度。為保障振動(dòng)傳感器使用的有效性和可靠性，需要定期對(duì)振動(dòng)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)[1]。

通常在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生激振信號(hào)并結(jié)合其他設(shè)備完成對(duì)振動(dòng)傳感器的校準(zhǔn)，其方法準(zhǔn)確可靠[2]。然而對(duì)于安裝在發(fā)電機(jī)組、航空器、航天器、船舶、橋梁、大壩等大型裝置和設(shè)備中的傳感器常常無(wú)法定期取下進(jìn)行校準(zhǔn)[3-5]。目前針對(duì)大型設(shè)備振動(dòng)傳感器在線校準(zhǔn)的需求，振動(dòng)傳感器在線校準(zhǔn)方法的研究得到廣泛關(guān)注。國(guó)際上針對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)需求，已經(jīng)形成完善的中頻便攜式現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)校準(zhǔn)裝置和技術(shù)[6]；針對(duì)低頻現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)校準(zhǔn)，日本研制了一體化的便攜式低頻現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)校準(zhǔn)裝置[7]。然而，利用便攜振動(dòng)校準(zhǔn)裝置，仍需在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下，拆卸傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，也不能滿(mǎn)足大型裝置和設(shè)備上傳感器不能定期拆卸校準(zhǔn)的需要。壓電激勵(lì)裝置基于逆壓電效應(yīng)，可以感應(yīng)交變的電信號(hào)并輸出正弦機(jī)械振動(dòng)激振信號(hào)。具有體積小、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固及輸出信號(hào)穩(wěn)定的特點(diǎn)。在現(xiàn)場(chǎng)將其作為傳感器的安裝底座與傳感器剛性連接，可以實(shí)現(xiàn)不拆卸傳感器并完成在線校準(zhǔn)的目的。

壓電激勵(lì)裝置作為振動(dòng)傳感器在線校準(zhǔn)的振動(dòng)激勵(lì)裝置，需要輸出標(biāo)準(zhǔn)的激振信號(hào)，它的計(jì)量性能參數(shù)必須滿(mǎn)足振動(dòng)激勵(lì)裝置的檢定規(guī)程。因此，本文對(duì)壓電激勵(lì)裝置的計(jì)量性能進(jìn)行測(cè)試分析，并對(duì)系統(tǒng)的機(jī)械共振頻率進(jìn)行測(cè)量。

1 壓電激勵(lì)裝置計(jì)量性能測(cè)試系統(tǒng)

為測(cè)試壓電振動(dòng)激勵(lì)裝置的計(jì)量性能參數(shù)，選取合適的設(shè)備搭建振動(dòng)激勵(lì)裝置性能測(cè)試系統(tǒng)。

1.1 壓電激勵(lì)裝置計(jì)量性能測(cè)試系統(tǒng)組成

壓電激勵(lì)裝置性能測(cè)試系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)發(fā)生裝置、功率放大器、振動(dòng)激勵(lì)裝置、振動(dòng)傳感裝置、動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析裝置以及信號(hào)傳輸電纜等儀器和設(shè)備組成。系統(tǒng)選用的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)發(fā)生裝置型號(hào)為DG1022U；功率放大器型號(hào)為XE-505；振動(dòng)激勵(lì)裝置采用壓電陶瓷，型號(hào)60VS20；振動(dòng)傳感裝置采用壓電式振動(dòng)傳感器，型號(hào)7259B；動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析裝置選用型號(hào)為INV3062T的數(shù)據(jù)采集卡，由安裝在PC機(jī)上的Coinv DASP V10信號(hào)采集分析軟件控制信號(hào)的采集和處理。此外對(duì)橫向振動(dòng)比的測(cè)試采用型號(hào)Polytec CLV 3000的3D激光測(cè)振儀測(cè)量X，Y，Z三個(gè)方向的振動(dòng)信號(hào)。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)硬件流程圖

壓電激勵(lì)裝置性能測(cè)試系統(tǒng)工作流程如圖1所示，標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)發(fā)生裝置提供測(cè)試所需的振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)功率放大器使壓電激勵(lì)裝置做正弦振動(dòng)。使用振動(dòng)傳感裝置測(cè)量機(jī)械振動(dòng)信號(hào)，用數(shù)據(jù)采集卡采集傳感裝置的輸出信號(hào)并傳輸給PC機(jī)。用DASP軟件對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)壓電激勵(lì)裝置性能參數(shù)的測(cè)試。

1.2 壓電激勵(lì)裝置的限壓范圍

性能測(cè)試頻率范圍為20Hz～2kHz，測(cè)試電壓不可超過(guò)陶瓷使用功率限制的電壓范圍。壓電陶瓷在實(shí)際使用時(shí)，需要同時(shí)滿(mǎn)足陶瓷工作時(shí)限壓公式(1)和電源功率使用時(shí)限壓公式(2)。

U2fC≤5W

(1)

UfC≤7/30A

(2)

式中，U為壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)電壓；f為加載的正弦振動(dòng)的頻率；C為壓電陶瓷的靜電容量。

圖2是由兩限壓公式繪制的壓電陶瓷工作電壓-頻率限制曲線，性能測(cè)試時(shí)，各頻率對(duì)應(yīng)的陶瓷驅(qū)動(dòng)電壓需要滿(mǎn)足圖2的限壓范圍。

圖2 壓電陶瓷使用的頻率-電壓限制曲線

2 壓電激勵(lì)裝置計(jì)量性能測(cè)試

利用已搭建的計(jì)量性能測(cè)試系統(tǒng)，依據(jù)振動(dòng)激勵(lì)裝置檢定規(guī)程的要求及檢定方法對(duì)各計(jì)量性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)系統(tǒng)機(jī)械共振頻率進(jìn)行測(cè)量。

2.1 振動(dòng)激勵(lì)裝置計(jì)量檢定要求

為符合振動(dòng)傳感器的校準(zhǔn)條件，振動(dòng)激勵(lì)裝置的計(jì)量性能必須滿(mǎn)足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或檢定規(guī)程的要求。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)“ISO 16063—21”[8]對(duì)振動(dòng)激勵(lì)裝置性能參數(shù)做出了相關(guān)規(guī)定，但并沒(méi)有給出具體的檢定方法。在此基礎(chǔ)上國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局頒布了JJG 298—2005檢定規(guī)程[9]，適用于頻率為20Hz～2kHz，加速度低于1000m/s2的振動(dòng)激勵(lì)裝置的檢定。表1是規(guī)程中對(duì)振動(dòng)激勵(lì)裝置使用前其各項(xiàng)性能參數(shù)的檢定要求。通常，振動(dòng)傳感器的校準(zhǔn)試驗(yàn)在隔振、隔噪音的環(huán)境下進(jìn)行，漏磁通密度和聲壓級(jí)性能參數(shù)能夠滿(mǎn)足檢定要求；系統(tǒng)用DG1022U標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器，頻率示值誤差滿(mǎn)足小于滿(mǎn)量程0.25%的要求；壓電激勵(lì)裝置體積和振動(dòng)臺(tái)面面積都較小，不需要測(cè)試其幅值均勻度的計(jì)量性能。因此，還需要測(cè)試信號(hào)噪聲比、穩(wěn)定性、波形失真度，以及橫向振動(dòng)比等參數(shù)是否滿(mǎn)足檢定要求。

表1 振動(dòng)激勵(lì)裝置檢定計(jì)量性能要求

2.2 信號(hào)噪聲比測(cè)量

信號(hào)噪聲比是在測(cè)量過(guò)程中，對(duì)系統(tǒng)量值可信度評(píng)價(jià)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

測(cè)量時(shí)，將振動(dòng)傳感器剛性地安裝在壓電陶瓷振動(dòng)臺(tái)面中心位置。當(dāng)無(wú)激振信號(hào)輸入時(shí)，測(cè)量臺(tái)面中心加速度幅值a0。然后使壓電陶瓷處于工作狀態(tài)，并滿(mǎn)足波形失真度小于5%，在全頻率范圍測(cè)量壓電陶瓷的輸出，得到最大加速度幅值amax。當(dāng)無(wú)激振信號(hào)輸入時(shí)，實(shí)際測(cè)得臺(tái)面中心加速度幅值a0為0.037m/s2，在全頻范圍，測(cè)得最大加速度幅值amax為94.535m/s2。依據(jù)JJG 298—2005中關(guān)于信噪比的計(jì)算式得到信噪比為68.147dB，符合其對(duì)信噪比的要求。

2.3 穩(wěn)定性測(cè)量

穩(wěn)定性表征測(cè)量?jī)x器保持其計(jì)量特性隨時(shí)間恒定的能力[10]，包括頻率穩(wěn)定度和加速度幅值穩(wěn)定度。測(cè)量時(shí)，調(diào)整振動(dòng)頻率為160Hz，該頻率下信號(hào)發(fā)生器可輸入電壓峰峰值最大為2.51V，測(cè)量該頻率的最大加速度幅值，每隔兩分鐘記錄一次頻率和加速度幅值，連續(xù)測(cè)量11次，測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。

依據(jù)JJG 298—2005中關(guān)于頻率和加速度幅值穩(wěn)定度的計(jì)算方法，計(jì)算得到頻率穩(wěn)定度為0.005%，加速度幅值穩(wěn)定度為0.347%，從測(cè)量結(jié)果可知頻率穩(wěn)定度、加速度幅值穩(wěn)定度等計(jì)量性能均滿(mǎn)足計(jì)量檢定的具體要求。

表2 頻率、加速度幅值測(cè)量數(shù)據(jù)

2.4 波形失真度測(cè)量

模擬儀器的波形失真度稱(chēng)為諧波失真度[10]，定義為信號(hào)中全部諧波與基波能量之比的平方根。

測(cè)量時(shí)將振動(dòng)傳感器剛性地安裝在壓電陶瓷臺(tái)面上，傳感器輸出加速度信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)絇C機(jī)，用DASP軟件進(jìn)行信號(hào)分析實(shí)現(xiàn)波形失真度的測(cè)量。按照1/3倍頻程頻率點(diǎn)依次選取20Hz～2kHz范圍的11個(gè)頻率值，得到各頻率在最大加速度幅值時(shí)加速度波形的最大失真度如圖3所示，圖中平行于橫坐標(biāo)的直線對(duì)應(yīng)失真度為5%。在20～80Hz頻率范圍，波形失真度大于5%，在20Hz最大加速度幅值時(shí)波形失真度達(dá)到全頻范圍的最大，為47.651%。而在125Hz以上則均滿(mǎn)足波形失真度小于5%的檢定要求。根據(jù)JJG 298—2005中關(guān)于失真度檢定要求的規(guī)定，當(dāng)振動(dòng)頻率大于125Hz時(shí)波形失真度滿(mǎn)足檢定要求。

圖3 各頻率點(diǎn)在最大加速度幅值時(shí)的波形失真度

2.5 橫向振動(dòng)比測(cè)量

橫向振動(dòng)比表征為振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面橫向振動(dòng)的程度[10]。測(cè)量時(shí)，將一光滑的小平面圓盤(pán)剛性地安裝在壓電陶瓷表面，在定頻條件下，使3D激光測(cè)振儀三束激光的焦點(diǎn)匯聚于圓盤(pán)中心，測(cè)量壓電陶瓷X，Y，Z三個(gè)方向的振動(dòng)加速度。起始測(cè)量頻率為20Hz，并按照1/3倍頻程頻率點(diǎn)依次選取20Hz～2kHz范圍的11個(gè)頻率值，測(cè)量各頻率在最大可輸入電壓幅值時(shí)三個(gè)坐標(biāo)軸方向的加速度幅值。

圖4 各頻率點(diǎn)在最大可輸入電壓幅值下的橫向振動(dòng)比

根據(jù)JJG 298—2005關(guān)于橫向振動(dòng)比的計(jì)算公式，得到各頻率點(diǎn)的橫向振動(dòng)比如圖4所示，圖中平行于橫坐標(biāo)的直線對(duì)應(yīng)橫向振動(dòng)比為10%。除400Hz頻率點(diǎn)橫向振動(dòng)比大于10%，其他頻率點(diǎn)橫向振動(dòng)比均小于10%。根據(jù)規(guī)定要求，可以允許個(gè)別頻率及其±5%頻帶范圍內(nèi)的橫向振動(dòng)比大于10%，所測(cè)數(shù)據(jù)滿(mǎn)足要求，故橫向振動(dòng)比在整個(gè)檢定頻率范圍符合檢定要求。

2.6 機(jī)械共振頻率測(cè)量

當(dāng)外界環(huán)境振動(dòng)與振動(dòng)傳感器在線校準(zhǔn)系統(tǒng)發(fā)生共振時(shí)，系統(tǒng)的測(cè)量誤差會(huì)加大。為避免共振，需要測(cè)量系統(tǒng)的機(jī)械共振頻率。

測(cè)量時(shí)信號(hào)發(fā)生器輸出20Hz～20kHz范圍的掃描正弦激勵(lì)信號(hào)激勵(lì)壓電陶瓷，振動(dòng)傳感器剛性地安裝在壓電陶瓷上，用數(shù)據(jù)采集卡分別采集激勵(lì)信號(hào)和傳感器輸出信號(hào)，通過(guò)DASP軟件對(duì)原始激勵(lì)信號(hào)和振動(dòng)傳感器測(cè)量的加速度信號(hào)進(jìn)行傳遞函數(shù)分析，得到幅頻、相頻譜線如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)掃頻測(cè)試幅頻、相頻譜線

當(dāng)外界振動(dòng)頻率和系統(tǒng)機(jī)械共振頻率接近時(shí)引起系統(tǒng)共振，共振時(shí)系統(tǒng)振幅和相位會(huì)發(fā)生明顯變化，振幅達(dá)到最大，相位滯后90°，圖5中在15.331kHz時(shí)振幅達(dá)到最大，此頻率點(diǎn)是系統(tǒng)的共振點(diǎn)，為壓電陶瓷系統(tǒng)的機(jī)械共振頻率。

3 結(jié)論

本文針對(duì)在線校準(zhǔn)用壓電激勵(lì)裝置搭建了性能測(cè)試系統(tǒng)，并基于JJG 298—2005計(jì)量檢定規(guī)程，對(duì)壓電激勵(lì)裝置的信號(hào)噪聲比、穩(wěn)定性、波形失真度以及橫向振動(dòng)比等計(jì)量性能參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。從測(cè)試結(jié)果可看出，信號(hào)噪聲比為68.147dB，滿(mǎn)足大于60dB的要求；頻率穩(wěn)定性和加速度幅值穩(wěn)定性分別為0.005%和0.347%，分別滿(mǎn)足小于等于0.3%和0.5%的要求；波形失真度在125Hz以上均能滿(mǎn)足小于等于5%的要求；橫向振動(dòng)比在20Hz～2kHz均滿(mǎn)足小于等于10%的要求。并對(duì)壓電陶瓷系統(tǒng)的機(jī)械共振頻率進(jìn)行測(cè)量，以避免其使用時(shí)共振的發(fā)生。試驗(yàn)測(cè)得壓電激勵(lì)裝置的所有計(jì)量性能均能滿(mǎn)足檢定規(guī)程的要求，可以作為振動(dòng)傳感器在線校準(zhǔn)的振動(dòng)激勵(lì)裝置使用。

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