朱 剛 楊曉偉 戴宜霖 田俊宏 崔忠亮

(北京航天計量測試技術(shù)研究所，北京 100076)

1 引 言

結(jié)構(gòu)的模態(tài)試驗一般使用多點激勵多點測試(MIMO)的試驗方式，模態(tài)中的諧振頻率和振型等主要技術(shù)參數(shù)是通過測試輸入力(激勵)和輸出加速度(響應(yīng))的傳遞函數(shù)進(jìn)行分析和計算。輸出加速度響應(yīng)一般使用加速度傳感器、配套的適調(diào)放大器以及數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)采集。對于大型結(jié)構(gòu)，例如運載火箭全箭模態(tài)試驗[1]，其結(jié)構(gòu)的諧振頻率較低(均在20Hz以內(nèi))，用于振動測量的振動傳感器有近千通道，若將相關(guān)振動測試設(shè)備送實驗室校準(zhǔn)，將極大的影響試驗的進(jìn)度。開展現(xiàn)場低頻振動校準(zhǔn)，不僅可以節(jié)約時間，還可以對結(jié)構(gòu)振動測試系統(tǒng)進(jìn)行整體校準(zhǔn)，提高測試結(jié)果的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。

市場上成熟的便攜式振動校準(zhǔn)器頻率范圍一般為20Hz～10kHz之間，專門用于低頻振動的便攜式振動校準(zhǔn)器并未有成熟產(chǎn)品。因此，解決大型結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗系統(tǒng)的現(xiàn)場校準(zhǔn)就成為難題。國內(nèi)外的低頻標(biāo)準(zhǔn)振動臺主要生產(chǎn)廠家包括美國APS公司生產(chǎn)的基于直線電機推進(jìn)的低頻標(biāo)準(zhǔn)振動臺系列，其頻率一般從(0.4～20)Hz，但是由于其質(zhì)量一般在50kg以上，并不便于攜帶[2]。國內(nèi)使用的用于建立低頻振動標(biāo)準(zhǔn)裝置的低頻標(biāo)準(zhǔn)振動臺，為了達(dá)到較高的可靠性，其質(zhì)量一般在200kg以上[3]，顯然無法滿足現(xiàn)場低頻振動校準(zhǔn)的需求。

本文介紹了一種便攜式低頻振動校準(zhǔn)裝置，其低頻標(biāo)準(zhǔn)振動臺質(zhì)量輕，配合便攜式的功率放大、控制與數(shù)據(jù)采集器，可以實現(xiàn)現(xiàn)場的低頻振動校準(zhǔn)。

2 低頻振動校準(zhǔn)裝置構(gòu)建

低頻振動校準(zhǔn)裝置包括低頻參考加速度計，低頻標(biāo)準(zhǔn)振動臺，功率放大、控制與數(shù)據(jù)采集器以及配套的全自動校準(zhǔn)軟件等組成。低頻振動校準(zhǔn)的原理圖如圖1所示，校準(zhǔn)裝置如圖2所示。

圖1 低頻振動校準(zhǔn)原理圖Fig.1 Schematic diagram of low-frequency vibration calibration

圖2 便攜式現(xiàn)場低頻振動校準(zhǔn)裝置Fig.2 Portable low-frequency vibration calibration system for field service

2.1 低頻參考加速度計

受到低頻振動位移的限制，低頻振動標(biāo)準(zhǔn)裝置能夠產(chǎn)生的加速度較低，為了提高測量系統(tǒng)的信噪比，需選取靈敏度高、輸出穩(wěn)定的加速度計作為低頻參考加速度計。本裝置選用CA-YD-188型加速度計，其靈敏度為50.6 mV/ms-2，加速度計經(jīng)過低頻振動標(biāo)準(zhǔn)裝置的絕對法校準(zhǔn)，可以作為低頻振動的參考加速度計使用。

2.2 低頻標(biāo)準(zhǔn)振動臺

低頻標(biāo)準(zhǔn)振動臺采用洛侖茲力原理，交流電線通電圈產(chǎn)生交變磁場，交變磁場在固定磁場中使線圈產(chǎn)生運動。采用高效能的左右對稱雙磁路結(jié)構(gòu)，使用永久磁鋼提供磁能，用高導(dǎo)磁材料做磁芯，避免采用勵磁線圈時因恒流源輸出波動及線圈發(fā)熱的問題，保證長行程內(nèi)的磁場均勻。

標(biāo)準(zhǔn)振動臺如圖3所示，其質(zhì)量為14.8kg，外形尺寸為250mm×110mm×200mm，位移峰峰值為100mm，可以保證在低頻段有較高的加速度信噪比。

圖3 低頻標(biāo)準(zhǔn)振動臺Fig.3 Low-frequency standard vibrator

低頻標(biāo)準(zhǔn)振動臺的運動部分采用氣浮結(jié)構(gòu)，使用氣壓為0.3MPa的壓縮空氣作為空氣軸承。這樣的設(shè)計可以極大地減小運動的摩擦力以及來自摩擦阻力方面非線性影響，達(dá)到降低加速度波形失真度、減小橫向運動比的作用。低頻標(biāo)準(zhǔn)振動臺臺面使用L型工裝結(jié)構(gòu)，參考加速度計水平安裝在振動臺的工裝上，被校振動傳感器與其背靠背安裝在一條直線上。低頻標(biāo)準(zhǔn)振動臺裝有萬向夾，用于在大位移情況下夾持氣管和傳感器線纜，避免對振動產(chǎn)生干擾[4]。

2.3 功率放大、控制與數(shù)據(jù)采集器

為了達(dá)到便攜的要求，本裝置將功率放大器、控制與數(shù)據(jù)采集器集成化為一體式的機箱，機箱的外形尺寸為370mm×235mm×110mm，質(zhì)量為3.3kg。

根據(jù)計算，低頻標(biāo)準(zhǔn)振動臺在最大推力下的功率達(dá)到100W。在滿足驅(qū)動功率要求的前提下，使用開關(guān)電源作為其供電方式，可以大大減輕功率放大器部分的質(zhì)量。低頻標(biāo)準(zhǔn)振動臺的運動控制采用了光柵尺作為反饋元件，使用基于DSP控制技術(shù)進(jìn)行反饋控制，通過對運動位移、速度和加速度三個指標(biāo)復(fù)合反饋保證了振動臺的低頻段具有較小的諧波失真度。裝置采用了1通道信號發(fā)生器、4通道電信號輸入的信號處理系統(tǒng)，可以同時校準(zhǔn)3路振動信號，有利于提高工作效率。功率放大、控制與數(shù)據(jù)采集器還包括振動臺的自動對中功能，以及振動臺內(nèi)部溫度、電流和速度等參數(shù)的監(jiān)測和報警功能，如圖4所示。

圖4 功率放大、控制與數(shù)據(jù)采集器Fig.4 Amplifier，control and data aquistion device

2.4 校準(zhǔn)軟件

本裝置采用全自動校準(zhǔn)軟件，包括對參考加速度計頻率響應(yīng)的自動修正，被校準(zhǔn)傳感器的供電方式、類型的選擇，校準(zhǔn)結(jié)果的自動保存和計算等功能，軟件界面如圖5所示。

圖5 校準(zhǔn)軟件Fig.5 Calibration software

2.5 主要技術(shù)指標(biāo)測試

根據(jù)《JJG298-2015 標(biāo)準(zhǔn)振動臺》[5]檢定規(guī)程對本裝置的橫向振動比等主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表1和表2所示。測試結(jié)果表明，研制的便攜式現(xiàn)場低頻振動校準(zhǔn)裝置的主要技術(shù)指標(biāo)完全滿足規(guī)程的要求，可用于振動傳感器的校準(zhǔn)。

表1 低頻標(biāo)準(zhǔn)振動臺主要技術(shù)指標(biāo)測試結(jié)果Tab.1Testresultofstandardvibrator頻率(Hz)加速度幅值(m/s2)頻率示值誤差(%)加速度諧波失真度(%)橫向運動比(%)0.10.0150.021.21.80.20.070.010.92.10.50.40.010.51.5110.010.21.2220.010.22.8550.010.12.010100.010.11.820100.010.13.6

表2 振動控制系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)測試結(jié)果Tab.2 Testresultofvibrationcontrolsystem頻率(Hz)加速度幅值(m/s2)電壓測量誤差(%)電壓比測量誤差(%)加速度幅值控制誤差(%)0.10.0150.120.050.80.20.070.090.040.70.50.40.100.040.5110.080.050.5220.050.050.3550.060.040.210100.050.030.320100.020.020.3

3 校準(zhǔn)結(jié)果

依據(jù)《JJG233-2008 壓電加速度計》檢定規(guī)程，使用便攜式現(xiàn)場低頻振動校準(zhǔn)裝置對美國ENDEVCO公司生產(chǎn)的7754型低頻振動傳感器(編號：AA20)進(jìn)行校準(zhǔn)，該加速度計頻率響應(yīng)校準(zhǔn)結(jié)果如表3所示。

表3 頻率響應(yīng)校準(zhǔn)結(jié)果Tab.3 Calibrationresultoffrequencyresponse頻率(Hz)0.10.20.51251020加速度(m/s2)0.0150.070.41251010靈敏度(mV/ms-2)101.6101.5101.4101.2100.9100.299.999.5

在10Hz下，該加速度計幅值線性校準(zhǔn)結(jié)果如表4所示。

表4 幅值線性校準(zhǔn)結(jié)果Tab.4 Calibrationresultoflinearity加速度(m/s2)0.20.512510靈敏度(mV/ms-2)99.899.899.899.999.999.9

4 測量結(jié)果的不確定度評定

4.1 測量模型

便攜式現(xiàn)場低頻振動校準(zhǔn)裝置開展校準(zhǔn)其數(shù)學(xué)模型為

(1)

式中：Sd——被校傳感器的靈敏度；Vd——被校傳感器的電壓輸出；Vr——參考加速度計的電壓輸出；Sr——參考加速度計的靈敏度。

4.2 A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度來源和評定

便攜式現(xiàn)場低頻振動校準(zhǔn)裝置進(jìn)行不確定度評定時，A類方法評定的不確定度主要來源于測量的重復(fù)性。設(shè)定校準(zhǔn)頻率為1Hz，校準(zhǔn)加速度為1m/s2，對美國ENDEVCO公司生產(chǎn)的7754型低頻振動傳感器(編號：AA20)的靈敏度測量8次，測量值如表5所示。

表5 靈敏度重復(fù)測量結(jié)果Tab.5 Calibrationresultofsensitivity測量次數(shù)12345678靈敏度?i/(mV/ms-2)101.2101.3101.2101.1101.2101.3101.3101.3

靈敏度測量值的平均值

(2)

靈敏度測量平均值的實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差

(3)

靈敏度測量值的A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度uA以相對值表示為

(4)

4.3 B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度來源和評定

使用便攜式低頻振動校準(zhǔn)裝置對加速度靈敏度進(jìn)行測量時，B類方法評定的不確定度主要來源如表6所示。

表6 B類不確定度分量Tab.6 Uncertainty components of method B 序號不確定度來源服從分布包含因子不確定度大小1參考加速度計套組靈敏度正態(tài)20.50%2電壓比測量的影響均勻30.05%3諧波失真度均勻30.12%4交流噪聲均勻30.06%5橫向運動比特殊30.40%6加速度計安裝均勻30.06%7加速度計溫度響應(yīng)均勻30.29%8加速度計的非線性均勻30.06%9適調(diào)放大器的非線性均勻30.017%10其他環(huán)境條件(噪聲、磁場等)均勻30.06%11其他影響因素(隨機效應(yīng)等)均勻30.06%

根據(jù)以上不確定度來源，得到加速度靈敏度測量的B類不確定度uB為

(5)

4.4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

加速度靈敏度測量結(jié)果的不確定度分量獨立無關(guān)，故加速度靈敏度測量結(jié)果的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc為

(6)

4.5 擴(kuò)展不確定度

取包含因子k=2，則加速度靈敏度測量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度為

U=k·uc=1.5% (k=2)

(7)

根據(jù)以上測量不確定度評定方法，可以得出，在便攜式現(xiàn)場低頻振動校準(zhǔn)裝置的全量程范圍內(nèi)，加速度靈敏度的不確定度在2.0%以內(nèi)。

根據(jù)《JJG233-2008壓電加速度計》檢定規(guī)程的要求，使用比較法進(jìn)行加速度計的靈敏度測試，其加速度校準(zhǔn)不確定度在2.0%以內(nèi)[6]。與試驗結(jié)果比較可見，使用便攜式現(xiàn)場低頻振動校準(zhǔn)裝置開展振動傳感器的校準(zhǔn)，其校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度完全能夠滿足檢定規(guī)程的要求。

4.6 校準(zhǔn)不確定度驗證

根據(jù)《GJB 2749A-2009 軍事測量計量標(biāo)準(zhǔn)建立與保持通用要求》的規(guī)定，采用兩臺比對法，對以上測量不確定度進(jìn)行驗證。

將本文中使用的美國ENDEVCO公司生產(chǎn)的7754型加速度計，在校準(zhǔn)頻率為1Hz，校準(zhǔn)加速度為1m/s2，使用本校準(zhǔn)裝置的靈敏度測量結(jié)果y1為101.2 mV/ms-2，校準(zhǔn)不確定度為U1為1.5%(k=2)。在北京航天計量測試技術(shù)研究所低頻振動標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行校準(zhǔn)，靈敏度測量結(jié)果y2為101.3 mV/ms-2,校準(zhǔn)不確定度為U2為1.0%(k=2)。為了驗證該評定方法是否合理，驗證結(jié)果應(yīng)符合公式(8)的要求。

(8)

式中：y1——本裝置的校準(zhǔn)結(jié)果；y2——低頻振動標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)結(jié)果；U1——本校準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)不確定度；U2——低頻振動標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)不確定度。

將數(shù)據(jù)代入公式(8)計算，可得

從驗證結(jié)果可以看出，本裝置滿足測量標(biāo)準(zhǔn)性能的驗證要求，驗證了便攜式現(xiàn)場低頻振動校準(zhǔn)裝置測量不確定的合理有效。

5 結(jié)束語

本文介紹了一種便攜式的可用于現(xiàn)場低頻振動校準(zhǔn)的校準(zhǔn)裝置，對其進(jìn)行了性能測試，并進(jìn)行了校準(zhǔn)不確定度的評定和驗證。實踐表明，校準(zhǔn)裝置質(zhì)量輕、易于攜帶，同時其失真度、橫向運動比等主要技術(shù)指標(biāo)高于相關(guān)技術(shù)要求，可用于現(xiàn)場低頻振動校準(zhǔn)。