磁電式低頻振動傳感器原位校準(zhǔn)改進(jìn)型系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)*

尚帥錕，高 峰，楊學(xué)山，楊巧玉

（中國地震局工程力學(xué)研究所地震工程與工程振動重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室地震災(zāi)害防治應(yīng)急管理部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 三河 065201）

0 引 言

無源伺服磁電式傳感器以其穩(wěn)定性好，經(jīng)久耐用，動態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)而廣泛用于工程測試領(lǐng)域［1，2］，因此在進(jìn)行測試之前需要對傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。如果磁電式傳感器要用于長期監(jiān)測［3］，也難免會發(fā)生故障。因此，原位校準(zhǔn)方法可以為工程測試帶來方便。但是，磁電式傳感器存在原位校準(zhǔn)時，高頻誤差大的問題。

振動傳感器的原位校準(zhǔn)技術(shù)分為現(xiàn)場離線校準(zhǔn)和現(xiàn)場原位校準(zhǔn)［4～7］，離線校準(zhǔn)即將安裝完成的傳感器拆下進(jìn)行校準(zhǔn)［8～11］，省去了送去實(shí)驗(yàn)室的步驟。原位校準(zhǔn)即在不拆下傳感器的情況下校準(zhǔn)，常見的為電動式校準(zhǔn)［12］。電動式校準(zhǔn)建立了一種較為完善的方法，單就激勵信號而言，常用的激勵信號有正弦波信號、階躍信號［13］、脈沖信號、白噪聲信號、偽隨機(jī)二進(jìn)制信號［14］。

本文將改進(jìn)以后的校準(zhǔn)系統(tǒng)所測得的結(jié)果與中國的一級振動計量基準(zhǔn)（使用標(biāo)準(zhǔn)振動臺對磁電式傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)）的結(jié)果進(jìn)行比較，提升了磁電式低頻振動傳感器的校準(zhǔn)精度。

1 阻抗法校準(zhǔn)原理

1.1 拾振器原理

根據(jù)文獻(xiàn)［15］對拾振器所做的研究工作：m為慣性質(zhì)量（kg），G1為傳感器測量線圈的機(jī)電耦和系數(shù)（V·m／s），y為傳感器殼體位移，R1為測量線圈內(nèi)阻（Ω），e為傳感器測量線圈輸出電壓（V），k為簧片剛度（N／m），C為反饋電容（F），設(shè)數(shù)據(jù)采集儀的輸入電阻遠(yuǎn)大于線圈內(nèi)阻則傳感器的速度擋靈敏度表達(dá)式為

1.2 阻抗法原理

圖1所示為借鑒文獻(xiàn)［16］的阻抗法校準(zhǔn)原理，圖中i2（A）為流入校準(zhǔn)線圈的電流，它與線圈激振力成正比，u（V）為串聯(lián)電阻兩端的電壓。

圖1 阻抗法校準(zhǔn)原理

與文獻(xiàn)［15］的推導(dǎo)類似，系統(tǒng)的運(yùn)動方程為

式中i1為流過測量線圈的電流，對u進(jìn)行積分，得自校準(zhǔn)速度靈敏度為

比較式（1）和式（3），兩者只是相差一個系數(shù)，歸一化靈敏度重合。

2 阻抗法原位校準(zhǔn)與激光干涉法測量結(jié)果比較

圖2中利用數(shù)字采集系統(tǒng)為阻抗法電路提供正弦電信號，經(jīng)阻抗法電路為拾振器提供校準(zhǔn)信號，通過數(shù)字采集器得到傳感器輸出與u的信號，通過計算機(jī)得到拾振器的電靈敏度。

圖2 阻抗法校準(zhǔn)系統(tǒng)框圖

本文使用了阻抗法對941B 拾振器的原位校準(zhǔn)結(jié)果與中國地震局工程力學(xué)研究所低頻振動標(biāo)準(zhǔn)裝置（國家一級標(biāo)準(zhǔn)）的校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行了比較。圖3（a）為垂直941B 傳感器的速度檔校準(zhǔn)比較結(jié)果。圖3（b）為水平941B傳感器的加速度檔校準(zhǔn)比較結(jié)果。

圖3 941BV1 和941BH1695 阻抗法校準(zhǔn)與激光干涉校準(zhǔn)結(jié)果比較（速度檔）

圖3中的參考靈敏度為傳感器在低頻標(biāo)準(zhǔn)振動臺上校準(zhǔn)的歸一化靈敏度，通過測試可以看出，阻抗法的高頻校準(zhǔn)精度比恒壓法的校準(zhǔn)精度有了很大的提升。傳感器的原位校準(zhǔn)誤差都控制在5%以內(nèi)。

3 安裝角度對校準(zhǔn)結(jié)果的影響

磁電式傳感器的磁路結(jié)構(gòu)如圖4（a）所示，極靴與磁軛之間只有在有限的范圍內(nèi)可以視為勻強(qiáng)磁場，離它們越遠(yuǎn)，磁場分布越不均勻，磁感應(yīng)強(qiáng)度越弱（如圖4（b））。由于磁電式傳感器磁路結(jié)構(gòu)的對稱性，所以，只計算其直徑截面的磁感應(yīng)強(qiáng)度，Maxwell 在計算磁感應(yīng)強(qiáng)度分布時的驅(qū)動方程為

圖4 磁電式傳感器的磁路結(jié)構(gòu)和磁感應(yīng)強(qiáng)度

圖5 為將同一水平傳感器分別傾斜4.32″和7.2″時的實(shí)驗(yàn)室和原位校準(zhǔn)的速度靈敏度曲線。

圖5 在不同傳感器安裝夾角下的原位和激光干涉校準(zhǔn)法歸一化靈敏度

從圖5（a）中可以看出，當(dāng)傳感器安裝為7.2″時，使用改進(jìn)電路后的原位校準(zhǔn)法得到的傳感器速度歸一化靈敏度在高頻段會急劇下降。而圖5（b）表明，小角度的傾斜對于激光干涉法的影響并不大（即使傾斜角度到達(dá)7.2″），即使到了100 Hz的歸一化靈敏度也只降低了不到1%，高頻校準(zhǔn)的相對誤差可達(dá)到30%。

4 結(jié) 論

阻抗法可以顯著提高原位校準(zhǔn)在高頻段的精度，但低頻的校準(zhǔn)精度有時會下降，具體原因不明。原位校準(zhǔn)對于傳感器的安裝要求較為嚴(yán)格，與水平面的角度不宜超過7″。當(dāng)傳感器與水平面的角度為7.2″時低頻段與高頻段的原位校準(zhǔn)精度都會變差，尤其是高頻段的校準(zhǔn)結(jié)果從50 Hz開始會急劇變差，相對激光干涉法的誤差，不會低于10%。