周振杰，張 璇，竇春暉，趙 暉

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 國(guó)家水運(yùn)工程檢測(cè)設(shè)備計(jì)量站，天津 300456)

*通訊作者：張璇(1985-) ，女，天津人，工程師，主要從事儀器設(shè)備開發(fā)研究。E-mail: 747506026@qq.com。

基樁高應(yīng)變儀是一種在重錘錘擊作用下，基于應(yīng)力波法檢測(cè)單樁軸向抗壓承載力和樁身完整性的測(cè)試分析儀器，基樁高應(yīng)變儀的檢測(cè)結(jié)果是判斷基樁工程質(zhì)量是否合格的有效依據(jù)，檢測(cè)具有時(shí)間短、費(fèi)用低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在工程樁基質(zhì)量檢測(cè)中有著廣泛的應(yīng)用[1-3]。然而在實(shí)際使用中，基樁高應(yīng)變儀檢測(cè)系統(tǒng)在較長(zhǎng)時(shí)間的反復(fù)沖擊環(huán)境下工作后，其傳感器靈敏度系數(shù)會(huì)發(fā)生一定程度的漂移。為了保障測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，加強(qiáng)基樁高應(yīng)變儀的計(jì)量管理，基樁高應(yīng)變儀需要按計(jì)量要求進(jìn)行定期校準(zhǔn)。

基樁高應(yīng)變儀加速度傳感器的靈敏度是加速度傳感器輸出峰值和輸出加速度峰值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，它不是一個(gè)定值，會(huì)隨著沖擊脈沖持續(xù)時(shí)間、沖擊波形、被檢傳感器波形、配套信號(hào)分析儀的頻響變化而變化[4]，加速度傳感器的校準(zhǔn)就是在其整個(gè)幅值范圍內(nèi)獲取不同時(shí)期的靈敏度及修正因子。目前，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院已建有(20～1×106)m/s2沖擊加速度基準(zhǔn)裝置[5]，可滿足基樁高應(yīng)變儀沖擊加速度校準(zhǔn)的需求，但是該設(shè)備昂貴、維護(hù)成本高，不宜在全國(guó)推廣使用。本文基于水運(yùn)行業(yè)基樁高應(yīng)變儀校準(zhǔn)的需求，參考GB/T 20485.22-2007[6]等技術(shù)規(guī)范建立了基樁高應(yīng)變儀加速度傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)。本文主要介紹了校準(zhǔn)系統(tǒng)的組成、原理以及其落錘式?jīng)_擊比較法校準(zhǔn)。最后與加速度基準(zhǔn)裝置的校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了基樁高應(yīng)變儀加速度傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)的可靠性。

圖1 校準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of calibration system

1 校準(zhǔn)系統(tǒng)的組成及工作原理

基樁高應(yīng)變儀加速度傳感器校準(zhǔn)方法主要有絕對(duì)法和比較法兩種，其中比較法校準(zhǔn)使用的測(cè)量設(shè)備成本低、維護(hù)簡(jiǎn)單、使用方便，雖然不確定度偏大，但已經(jīng)能夠滿足基樁高應(yīng)變儀加速度傳感器校準(zhǔn)的需求，因此，根據(jù)GB/T 20485.22-2007推薦，首先建立了基于比較法的落錘式基樁高應(yīng)變儀加速度傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由落錘沖擊臺(tái)、標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)、放大器和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)組成(圖1)。

該校準(zhǔn)系統(tǒng)的工作過程是人工控制將落錘提起，然后釋放使其自由降落，落錘與安裝有毛氈的砧頭碰撞后產(chǎn)生一定幅度的沖擊信號(hào)，該沖擊信號(hào)即為加速度采集信號(hào)的激勵(lì)源[7-8]。標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器與被校加速度傳感器背靠背固定安裝在一起，然后通過螺栓與落錘剛性連接。標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)與被校加速度計(jì)的輸出信號(hào)經(jīng)電荷放大器轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，然后經(jīng)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)采集和處理，最后通過可視化軟件得到標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)和被校準(zhǔn)加速度計(jì)的測(cè)量值。對(duì)加速度傳感器進(jìn)行沖擊校準(zhǔn)時(shí)，加速度峰值和脈寬是沖擊加速度的兩個(gè)重要參數(shù)，波形一般是近似半正弦規(guī)律變化的沖擊波。通過改變落錘重量、墊層厚度和落錘下落高度可以得到不同的加速度峰值和脈寬。

2 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)

基于虛擬儀器技術(shù)，構(gòu)建了數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。硬件為美國(guó)NI公司生產(chǎn)的PCI5105的高速數(shù)據(jù)采集卡。該數(shù)據(jù)采集卡有模擬輸入通道8個(gè)，單最高采樣率可達(dá)60 M/s，并且具有12位的幅值分辨率，輸入電壓范圍可達(dá)30 V，該數(shù)據(jù)采集卡性能指標(biāo)完全滿足采集沖擊信號(hào)的需要。以GPIB接口卡作測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集處理及控制的硬件接口，它們與其他儀器設(shè)備連接構(gòu)成虛擬儀器的硬件系統(tǒng)。在計(jì)算機(jī)環(huán)境中，依托功能強(qiáng)大的處理單元和高速的數(shù)據(jù)總線，利用NI公司的LabView圖形化軟件平臺(tái)，構(gòu)建了可視化軟件(圖2)，使計(jì)算機(jī)成為具有數(shù)據(jù)采集、信號(hào)控制及分析顯示功能的處理中心。該校準(zhǔn)系統(tǒng)主要可實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)信息輸入、采集卡硬件設(shè)置、標(biāo)準(zhǔn)傳感器套組及的被校傳感器套組設(shè)置、波形輸出顯示、校準(zhǔn)結(jié)果顯示部分和程序流程顯示六大功能。

圖2 軟件整體界面Fig.2 Software integral interface

3 校準(zhǔn)系統(tǒng)性能試驗(yàn)

校準(zhǔn)系統(tǒng)性能試驗(yàn)分為三個(gè)部分：第一部分是激勵(lì)系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊波形的試驗(yàn)，主要目的是在保證系統(tǒng)不諧振的條件下，確定所產(chǎn)生的沖擊加速度范圍及其波形；第二部分是在整個(gè)沖擊加速度范圍內(nèi)，按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)傳感器進(jìn)行試驗(yàn)，目的是獲得被校加速度傳感器的靈敏度。第三部分是比較法與絕對(duì)法對(duì)比的試驗(yàn)，目的在于驗(yàn)證該系統(tǒng)進(jìn)行加速度傳感器校準(zhǔn)的可靠性。

3.1 加速度范圍及波形試驗(yàn)

在落錘上安裝加速度標(biāo)準(zhǔn)傳感器套組件，標(biāo)準(zhǔn)傳感器為美國(guó)ENDEVCO 2270，配套電荷放大器型號(hào)為B&K 2692。選取合適的放大器檔位、毛氈厚度在落錘高度的兩極值點(diǎn)和中間點(diǎn)分別進(jìn)行試驗(yàn)。

在落錘最低試驗(yàn)點(diǎn)，放大器為316 mV/Unit倍檔位，墊層2個(gè)8 mm厚的毛氈與1個(gè)4 mm厚的毛氈疊在一起，濾波未打開，結(jié)果顯示加速度為9.745 g，脈寬為10.786 ms，波形圖見圖3。

落錘在中間位置下落，放大器為1 mV/Unit檔位，墊層1個(gè)4 mm厚的毛氈，濾波未打開，試結(jié)果顯示加速度為4 507.9 g，脈寬為0.325 ms，波形圖見圖4。

圖3 加速度試驗(yàn)一波形圖Fig.3 Waveform diagram of acceleration test 1圖4 加速度試驗(yàn)二波形圖Fig.4 Waveform diagram of acceleration test 2

圖5 加速度試驗(yàn)三波形圖Fig.5 Waveform diagram of acceleration test 3

在落錘最高試驗(yàn)點(diǎn)，放大器為1 mV/Unit倍檔位，墊層3個(gè)1 mm厚的毛氈，濾波打開，低通濾波截止頻率為20 kHz，結(jié)果顯示加速度為8 259.7 g，脈寬為0.147 ms，波形圖見圖5。

根據(jù)試驗(yàn)分析，基樁高應(yīng)變儀加速度傳感器校準(zhǔn)裝置可達(dá)到的加速度測(cè)量范圍在10～8 000 g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足JJG 973-2002[9]中基樁高應(yīng)變儀加速度傳感器的校準(zhǔn)需求。

表1 被校加速度傳感器靈敏度校準(zhǔn)數(shù)據(jù)Tab.1 Sensitivity calibration of acceleration sensor

3.2 比較法校準(zhǔn)試驗(yàn)

選取安裝加速度被校傳感器套組，在該落錘式?jīng)_擊加速度校準(zhǔn)系統(tǒng)上，按照GB/T 20485.22-2008與JJG 973-2002要求，對(duì)傳感器的靈敏度進(jìn)行了校準(zhǔn)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

采用最小二乘法軟件擬合的直線為y=2.063x-70.02，擬合曲線圖見圖6，由此得到該加速度傳感器的靈敏度為2.063 pC/g。

3.3 比較法校準(zhǔn)試驗(yàn)與絕對(duì)法校準(zhǔn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較

在10～8 000 g沖擊加速度范圍內(nèi)對(duì)同一個(gè)傳感器分別使用比較法和絕對(duì)法進(jìn)行校準(zhǔn)，絕對(duì)測(cè)量試驗(yàn)在中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院建立的(20～1×106)m/s2國(guó)家沖擊加速度基準(zhǔn)上完成，具體測(cè)量數(shù)據(jù)如圖7所示。

從圖7的數(shù)據(jù)可以看出，比較法與絕對(duì)法校準(zhǔn)同一個(gè)加速度傳感器得到的靈敏度偏差均在±2%以內(nèi)，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，因此經(jīng)對(duì)比可以確認(rèn)比較法校準(zhǔn)系統(tǒng)可靠。

圖6 擬合曲線Fig.6 Fitting curve圖7 比較法校準(zhǔn)試驗(yàn)與絕對(duì)法校準(zhǔn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較Fig.7 Comparison of calibration test data between comparing method and absolute method

4 小結(jié)

綜上所述，基于落錘式?jīng)_擊比較法的基樁高應(yīng)變儀加速度傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理及其實(shí)際校準(zhǔn)過程，與基樁高應(yīng)變儀的實(shí)際工作狀態(tài)非常相近，因此從技術(shù)角度保證了該校準(zhǔn)系統(tǒng)的可靠性。通過試驗(yàn)分析，該系統(tǒng)在10～8 000 g的加速度峰值范圍內(nèi)的測(cè)量結(jié)果與絕對(duì)法測(cè)量結(jié)果的偏差均在±2%以內(nèi)，進(jìn)一步證明了該系統(tǒng)滿足基樁高應(yīng)變儀加速度傳感器校準(zhǔn)的需求，校準(zhǔn)結(jié)果準(zhǔn)確。該校準(zhǔn)系統(tǒng)的建立可有效解決基樁高應(yīng)變儀加速度的量值溯源和加速度傳感系統(tǒng)的校準(zhǔn)問題，且該系統(tǒng)成本較低、使用方便，方法可靠，易于推廣應(yīng)用。