李紹輝，張樂暉，曹媛媛

(交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所 國家水運工程檢測設(shè)備計量站, 天津 300000)

0 引言

弦式接收儀是一種通過感知振弦式傳感器固有頻率變化來測量應(yīng)變、應(yīng)力、位移、溫度等參量的儀器，以其測量精度高、環(huán)境適應(yīng)性好等特點廣泛應(yīng)用于大壩、橋梁、水工建筑物等交通水運工程“建、管、養(yǎng)、用”全壽命周期健康監(jiān)測中。弦式接收儀的頻率參量是其重要的計量技術(shù)參數(shù)，國內(nèi)已發(fā)布的GB/T 3412.1-2009《大壩監(jiān)測儀器檢測儀第一部分：振弦式儀器檢測儀》、JJF 1401-2013《振弦式頻率讀數(shù)儀校準(zhǔn)規(guī)范》、JJG(交通)156-2020《振弦式應(yīng)變測量系統(tǒng)》等標(biāo)準(zhǔn)及計量技術(shù)規(guī)范，對其頻率計量技術(shù)指標(biāo)給出了規(guī)定并提供了計量測試方法。目前，交通水運領(lǐng)域常用的弦式接收儀按激振信號形式可分為脈沖高壓式、低壓式及掃頻式。其中，脈沖高壓式頻率讀數(shù)儀激振脈沖幅值高達(120～150)V，而用于校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生裝置如信號發(fā)生器輸入電壓范圍上限通常在(12～18)V左右，若將兩者直接相連，將導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生裝置因輸入電壓過高而損壞，造成不可避免的損失和事故。

該文提出一種弦式接收儀計量校準(zhǔn)方法，通過設(shè)計對稱式信號調(diào)理模塊，解決了弦式接收儀與標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生裝置間的信號匹配問題，且對標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生裝置產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)信號測量準(zhǔn)確度無明顯降低，集成度高，易于實現(xiàn)，對于提升弦式接收儀的校準(zhǔn)效率、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性、安全性具有重要意義。

1 工作特性分析

1.1 工作原理

弦式接收儀一般以間歇激勵方式工作，如圖1所示，每間隔1 s～2 s激勵信號發(fā)生電路發(fā)送周期性脈沖信號(脈沖式)或掃頻信號(掃頻式)至振弦式傳感器線圈，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，一部分電能轉(zhuǎn)化為鋼弦的彈性勢能和動能，當(dāng)線圈上激勵信號消失時，鋼弦做有阻尼振蕩，振蕩過程中切割磁感線，使線圈中產(chǎn)生交變的感應(yīng)電動勢，鋼弦振蕩頻率與自身受到的應(yīng)力有關(guān)，而線圈中感應(yīng)電動勢與鋼弦振動頻率相同。在激勵信號產(chǎn)生間隙，檢測電路測量出線圈中感應(yīng)電動勢的頻率，便可得知鋼弦的振蕩頻率，從而計算出振弦式傳感器所受應(yīng)變、應(yīng)力值的大小，如圖1所示。由于信號線由激勵信號產(chǎn)生電路和檢測電路復(fù)用，在計量校準(zhǔn)時，脈沖高壓式頻率讀數(shù)儀會向標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生裝置間歇發(fā)送激振信號，若此信號不能衰減或消除，將造成標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生裝置異?；驌p壞。

圖1 弦式接收儀工作原理

1.2 計量技術(shù)指標(biāo)

GB/T 3412.1-2009中規(guī)定弦式接收儀的測量范圍應(yīng)滿足(400～6000)Hz，準(zhǔn)確度應(yīng)≤0.5 Hz，測量分辨力應(yīng)≤0.1 Hz；JJF 1401-2013中規(guī)定弦式接收儀的測量范圍應(yīng)滿足(300～6000)Hz，頻率最大允許誤差±0.5 Hz，測量分辨力≤0.1 Hz，時基準(zhǔn)確度≤1×10-4；JJG(交通)156-2020中規(guī)定頻率最大允許誤差為±0.3 Hz。

目前，國內(nèi)弦式接收儀的主要供應(yīng)商如基康儀器股份有限公司、南京葛南實業(yè)有限公司，其產(chǎn)品頻率測量范圍通常在(400～6000)Hz，頻率最大允許誤差在±0.1 Hz左右。結(jié)合水運工程中對振弦式測量儀器的實際需求，本研究主要針對測量范圍(400～6000)Hz，最大允許誤差為±0.3 Hz的弦式接收儀計量校準(zhǔn)方法展開研究。

2 計量校準(zhǔn)方法

2.1 方法概述

提出一種弦式接收儀計量校準(zhǔn)方法，由數(shù)字示波器測量弦式接收儀的激勵信號，確定激勵信號形式(脈沖高壓式、脈沖低壓式或掃頻式)，設(shè)計多級對稱式信號調(diào)理模塊，將激勵信號幅度調(diào)整至標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生裝置允許的輸入范圍內(nèi)。以低頻信號發(fā)生器為標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生裝置，在弦式接收儀標(biāo)稱量程上下限位置附近，設(shè)定判定準(zhǔn)則，通過改變低頻信號發(fā)生器輸出信號頻率，確定弦式接收儀量程范圍，在其量程范圍內(nèi)設(shè)定多個頻率測量點，各測量點處由低頻信號發(fā)生器輸出標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(可為正弦波、脈沖波、三角形波等形式)，弦式接收儀測量接收到的頻率信號值，與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)頻率值進行比對，并對測量結(jié)果進行不確定度評定，實現(xiàn)頻率參量的計量校準(zhǔn)，方法基本結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，方法流程如圖3所示。

圖2 弦式接收儀校準(zhǔn)方法結(jié)構(gòu)框圖

2.2 信號調(diào)理模塊設(shè)計

信號調(diào)理模塊由電阻R1～R8、開關(guān)S1～S7組成，以10 dB為步進值，可實現(xiàn)0～30 dB的衰減，結(jié)構(gòu)設(shè)計為對稱形式，保證激振信號型式判別的準(zhǔn)確性，開關(guān)S1～S7閉合與斷開狀態(tài)對應(yīng)表如表1所示。

表1 開關(guān)S1～S7閉合與斷開狀態(tài)對應(yīng)表

在10 dB，20 dB，30 dB激振信號幅值衰減狀態(tài)下，令信號調(diào)理模塊輸出端電壓穩(wěn)定在5 V，則根據(jù)A=20log(ui/uo)，計算得到對應(yīng)的信號調(diào)理模塊輸入端(弦式接收儀輸出端)的電壓值如表2所示，其中，A為衰減dB值，ui為信號調(diào)理模塊輸入端電壓值，uo為信號調(diào)理模塊輸出端電壓值。

表2 信號調(diào)理模塊輸入-輸出電壓值

電阻R1-R8阻值確定方式如下：

弦式接收儀產(chǎn)生的激振信號通過信號調(diào)理模塊輸出至低頻信號發(fā)生器，在激振信號間隙，低頻信號發(fā)生器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)信號通過信號調(diào)理模塊輸出至弦式接收儀，令R1=R2=R，以降低干擾，保證數(shù)據(jù)雙向傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

當(dāng)弦式接收儀產(chǎn)生的激振信號衰減量為10 dB時，開關(guān)S3、S4閉合，有：

R6 =R×(N1-1)=2.162R

(1)

R3+R4+R5 =R÷(N1-1)=0.463R

(2)

當(dāng)弦式接收儀產(chǎn)生的激振信號衰減量為20 dB時，開關(guān)S2、S5閉合，有：

R6 +R7 =R×(N2-1)=9R

(3)

R3+R4 =R÷(N2-1)=0.111R

(4)

當(dāng)弦式接收儀產(chǎn)生的激振信號衰減量為30 dB時，開關(guān)S1、S6閉合，有：

R6 + R7 +R8=R×(N3-1)=30.62R

(5)

R3 =R÷(N3-1)=0.032 7R

(6)

聯(lián)立公式(1)至公式(6)，計算得到：R3 = 0.032 7R，R4 = 0.078 3R，R5 = 0.352R，R6 = 2.162R，R7 = 6.838R，R8 = 21.62R

根據(jù)表2，通過所述信號調(diào)理模塊20的電流為：

當(dāng)弦式接收儀產(chǎn)生的激振信號衰減量為10 dB時，

I1= (u1-uo)/[R1//(R6+R2)+R3+R4+R5] = 10.81/(1.223R)

(7)

當(dāng)弦式接收儀產(chǎn)生的激振信號衰減量為20 dB時，

I2= (u2-uo)/[R1//(R6+R7+R2)+R3+R4] = 45/(1.021R)

(8)

當(dāng)弦式接收儀產(chǎn)生的激振信號衰減量為20 dB時，

I3= (u3-uo)/[R1//(R6+R7+R8+R2)+R3] = 153/(1.001 7R)

(9)

令R=10 kΩ，則I1=0.884 mA，I2=4.407 mA，I3=15.274 mA，同時有：R1 =R=10 kΩ，R2 =R=10 kΩ，R3 = 0.032 7R= 327 Ω，R4 = 0.078 3R= 783 Ω，R5 = 0.352R= 3.52 kΩ，R6 = 2.162R= 21.62 kΩ，R7 = 6.838R= 68.38 kΩ，R8 = 21.62R= 216.2 kΩ。

3 試驗驗證與分析

選取丹東三達傳感器技術(shù)研究所的GPC-6型弦式接收儀，按圖3所示校準(zhǔn)流程進行校準(zhǔn)，低頻信號發(fā)生器產(chǎn)生電壓幅值1 V的周期正弦波信號，測量數(shù)據(jù)及校準(zhǔn)結(jié)果如表3所示。

表3 弦式接收儀校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

以3000 Hz頻率點為例進行不確定度分析，建立數(shù)學(xué)模型如公式(10)所示。

(10)

式中：fx為弦式接收儀測量頻率值(Hz)；f0為低頻信號發(fā)生器輸出的標(biāo)準(zhǔn)頻率值(Hz)；Δ為頻率測量誤差(Hz)；n為弦式接收儀內(nèi)部計數(shù)器所計脈沖數(shù)；τ為弦式接收儀內(nèi)部計數(shù)器所用的閘門時間。

閘門時間不準(zhǔn)引入的不確定度分量u1為：

(11)

式中：a為弦式接收儀時基準(zhǔn)確度，即：

(12)

式中：fHx為弦式接收儀測得的上限頻率平均值(Hz)；FH0位低頻信號發(fā)生器輸出的實測頻率范圍上限值(Hz)。

該文中對6000 Hz頻率點重復(fù)測量5次，按公式(12)計算時基準(zhǔn)確度得到a=2.75×10-5，代入公式(11)中得到u1=0.047 6 Hz。

在3000 Hz頻率點處，低頻信號發(fā)生器輸出3000 Hz標(biāo)準(zhǔn)頻率信號，弦式接收儀重復(fù)測量10次，由重復(fù)性引入的測量不確定度分量u2如表4所示。

則合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc(fx)為：

(13)

擴展不確定度U為：

U=2×uc(fx)=2×0.11 Hz=0.22 Hz,k=2

(14)

4 結(jié)論

提出的弦式接收儀頻率參量計量校準(zhǔn)方法，通過設(shè)計完成的信號調(diào)理模塊，將被檢的弦式接收儀、用作計量標(biāo)準(zhǔn)器的低頻信號發(fā)生器及配套的示波器連接起來，在不同的校準(zhǔn)階段，通過開關(guān)的打開與關(guān)閉，實現(xiàn)了激勵信號形式、讀數(shù)儀量程上下限的判別及頻率參量的計量校準(zhǔn)，解決了弦式接收儀與低頻信號發(fā)生器之間的電壓匹配問題，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，為實驗室或現(xiàn)場條件下對多種原理的弦式接收儀的計量校準(zhǔn)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。后續(xù)將在信號調(diào)理模塊的自適應(yīng)性、多級匹配衰減等方面開展研究及改進工作，提升校準(zhǔn)的準(zhǔn)確度和效率。