（机械制造及其自动化专业论文）地震计校准用超低频标准振动系统关键技术的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n s e v e r a lk e yt e c h n i c a lp r o b l e m sw e t ed i s c u s s e da n ds o m e r e s o l u t i o n sw f f f cm a d eo nt h e mi no r d e rt od e v e l o pt h ec a l i b r a t i o ns y s t e mo f u l t r a - l o w f r e q u e n c ys t a n d a r dv i b r a t i o n ，w h i c h w a sa s s o c i a t i n gw i t hn a t i o n a ls c i e n t i f i c i n f r a s t r u c t u r ep l a t f o r mf o rb u i l d i n gs p e c i a lc o n d i t i o n s b u i l d i n go f n a t i o n a lu l t r a - l o w f r e q u e n c ys t a n d a r dv i b r a t i o nd e v i c e ”a n dc h i n ae a r t h q u a k ea d m i n i s t r a t i o n “r e s e a r c h o nu l t r a - l o wf r e q u e n c ys t a n d a r dv i b r a t i o ns y s t e mf o rc a l i b r a t i o no fs e i s m o m e t e r i nc h a p t e r1 ，t h ea i m sa n ds i g n i f i c a n c eo f t h ed i s s e r t a t i o nw e ep r e s e n t e d f i r s t l y , t h es e i s m o m e t e ra n di t sc a l i b r a t i o nt e c h n i q u ew e r eg i v e n s e i s m o m e t e ri sas p e c i a l k i n do fv i b r a t i o nt r a n s d u c e r w h i c hf o l l o w sc o n v e n t i o n a lc a l i b r a t i o nm e t h o d sf o r v i b r a t i o n 仃a n s d u c e ls e c o n d l y ，t h ep r e s e n tr e s e a r c hs t a t u so ns t a n d a r dv i b r a t i o n m e t r o l o g ya th o m ea n da b r o a dw a s r e v i e w e da n di t sd e v e l o p i n gt r e n dw a s p o i n t e do u t i nt h ee n d ，t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ta n da i mo f t h ed i s s e r t a t i o nw a sa d d r e s s e d i nc h a p t e r2 ，t h ek e yt e c h n i c a lp r o b l e m so fu l t r a - l o wf r e q u e n c yv i b r a t i o nt a b l e w e r er e s e a r c h e d f i r s t l y , ak i n do f d o u b l em a g n e t i cc i r c u i tw a sv e r i f i e dt oi m p r o v et h e e v e l u l e s $ a n di n t e n s i t yo fm a g n e t i cf i e l di nl a r g e - d i s t a n c eh o r i z o n t a lv i b r a t i o nt a b l e ， w h i c hw a sr e s e a r c h e di nt h e o r ya n ds i m u l a t i o na n a l y s i s s e c o n d l y , s o m ef a c t o r s i n f l u e n c i n gt h ew a v e f o r md i s t o r t i o no f t h eu l t r a - l o wf r e q u e n c yv i b r a t i o nt a b l ew e r e r e s e a r c h e da n dt h e i rr e s o l u t i o n sw e i em a d e i nt h ee n d t h eo t h e rt e c h n i c a lp r o b l e m s o f v i b r a t i o no f v i b r a t i o nt a b l ew e r er e s e a r c h e d i nc h a p t e r3 ，t h e s p e c i a lt e c h n i c a lp r o b l e m so fu l t r a - l o wf r e q u e n c ys t a n d a r d v i b r a t i o ns y s t e mw e r er e s e a r c h e d f i r s t l y , t h e p r o p e rf o u n d a t i o na n dv i b r a t i o n i s o l a t i o no fv i b r a t i o na n dl a s e ri n t e r f e r o m e t e rw e r ed e s i g n e db a s e do nd y n a m i ca n d s t a t i cp r i n c i p l e s s e c o n d l y , h o wt oc h o o s ed i f f e r e n tm o t i o np a r a m e t e r st of e e db a c k b a s e do nd i f f e r e n tf r e q u e n c yb a n dw a s g i v e n ，t h em e c h a n i s mo f v e l o c i t yf e e d b a c ka n d d i s p l a c e m e n tf e e d b a c kw e r er e s e a r c h e da st w ok e yp o i n t s i nt h ee n d , t h er e l a t e d t e c h n i q u e so f u l t r a - l o wf r e q u e n c yp o w e ra m p l i f i e r w e r er e s e a r c h e d i nc h a p t e r4 t h e d e s i g n i n gp r o b l e m so fu l t r a - l o wf r e q u e n c yf i l l l a u t o m a t i c c a l i b r a t i o ns y s t e mw e l er e s e a r c h e d f i r s t l y , t h ee x e c u t i v es t r u c t u r eo ft h es y s t e mw a s d e t e r m i n e d s e c o n d l y , af i l l ia u t o m a t i cm e a s u r ea n dc o n t r o is o f t w a r ew h i c hw a s d e v e l o p e d 、i t hv i r t u a li n s t r u m e n tp r o g r a m m i n gl a n g u a g e b 出v i e ww a sd e s i g n e d t or e a l i z eh i g h l ya u t o m a t i o ni nc a l i b r a t i n gs e i s m o m e t e r i nc h a p t e r5 t h ea c h i e v e m e n t so ft h ed i s s e r t a t i o n 锵s u m m a r i z e da n dt h e f u r t h e rr e s e a r c hw o r kt h a tn e e d st ob ed o n ew a s p u tf o r w a r d k e yw o r d s ：s e i s m o m e t e r , s t a n d a r dv i b r a t i o nt a b l e ，m e t r o l o g y , u l t r a - l o wf r e q u e n c y , f e e d b a c kc o n t r o l ，v i r t u a li n s t r u m e n t i l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸鎏蠢茎或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解逝垄苤堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 逝姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的论文在解密后遵守 此规定) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期： 年月 日签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 浙江大学顼士学位论文 第一章绪论 1 1 地震计及其校准技术 1 1 1 地震计的研究现状与发展趋势 地震是一种具有突发性、给人类带来极大危害的自然灾害。为了认识和研究 这一自然现象，就需要将各种测震仪器以种种方式分布于各地或安装在建筑物各 部位上进行观测记录。同时，这也为探索地球内部结构、地震预报和防震、抗震 提供了重要的数据信息。 地震计是一种检测大地运动的测振传感器。它的主要作用是检取地面的运动 信号，然后将这些信号送至转换设备和记录设备中去。它的设计原理是基于惯性 定律：当相对地面静止的物体受到地面冲击被迫运动时，惯性使其仍然保持在相 对静止状态中，地震计就是利用这种相对静止来衡量地面运动的大小。研究发现： 如果在地震计中采用阻尼摆的形式，当摆本身的周期与地面运动的周期相比长得 多时，地震计就能足够正确地反映出地面运动的大小。也就是说，当大地运动带 动一个摆系统振动时，通过其振动可以推算出地面运动的真实情况。 地震计通常是由拾震器、换能器、阻尼器三部分组成。拾震器是拾取地面运 动的部分；换能器是将地面运动的微弱信号转换成为电信号的装置；阻尼器的作 用则是为了使摆按某种规律作振幅逐渐衰减的准周期运动。地震计按其结构形式 的不同可分为摆式和谐振子式两种。在摆式结构中，可以用铅直摆、倒立摆和水 平摆记录水平向运动；用竖直摆记录垂直向运动。谐振子式拾震器既可以记录水 平向运动，也可以记录垂直向运动。目前，我国地震台站、台网使用的地震计绝 大多数都是采用摆式结构。在短周期地震计中，也有采用谐振子式结构的。习惯 上把摆式结构地震计叫做转动型地震计，谐振子式地震计叫做直线型地震计1 2 j 。 震源物理和地震预报的发展要求地震计向宽频带、大动态范围、高分辨率的 方向发展。然而，这三个指标难以同时满足，某个指标的改善往往以牺牲另一个 指标为代价，因此，对地震计现状的评价也不能以某一种地震计或某一指标为衡 量标准，只能以描述的方式来展示地震计的发展现状1 3 1 。总的来说，地震计的发 展现状表现如下特征f 4 】1 5 】： ( 1 ) 种类繁多、功能强大 伴随材料科学和换能技术的发展，新型换能器的出现促进了新型地震计的产 生。比如有光纤换能型、电容换能型、电感换能型、磁动式换能型等。加上近代 单片机技术的飞速发展，将微处理器嵌入地震计中，可以使得地震计成为集计算、 浙扛大学硬士学位论文 判断、反馈和控制等功能为一体的综合系统，其功能远远超过传统意义上的地震 计。 ( 2 ) 宽频带、商分辨率、大动态范围 从二十世纪七十年代开始，地震科学工作者就开始尝试采用反馈技术拓宽地 震计的通频带，扩大其动态范围。1 9 9 0 年，w i e l a n d t 在g r s 一1 的基础上研制了 s t s 2 型宽频带地震计，其通带宽度约为1 2 0 s 5 0 h z ，加速度下限约为1 0 4 0 l n ，s 2 ， 动态范围约为1 4 0 d b 。 根据目前科学技术的发展情况与市场需求，可以发现地震计有如下发展趋 势： ( 1 ) 数字化、智能化，网络化 微处理器、a ，d 、d a 技术及信息网络在地震计中的应用，标志着地震计的 发展进入“数字化”、“智能化”、“网络化”的新阶段。 ( 2 ) 小型化、宽频带、高分辨率、大动态范围 微机电技术的前景方兴未艾，地震计的小型化、轻便化将是地震计发展的趋 势之一。同时，宽频带、高分辨率、大动态范围作为地震计的重要技术指标仍然 是未来研究的重点。 1 1 ，2 地震计校准的意义 地震计广泛地应用于大地脉动测量、地震预报、地质勘探等重要领域，对地 球物理、天文物理等基础学科的发展具有重要的实际意义，长周期地震计除了用 于观测全球范围内大的地震活动外，还具有核爆破检测等功能，在军事领域也具 有重要的应用价值。 随着社会的发展和科技的进步，人们对地震计信号采集、传输和分析处理的 要求越来越高。长周期地震计也正朝着可测下限频率不断降低的方向发展，如北 京港震机电技术有限公司生产的b b v s 一1 2 0 甚宽频带地震计以及英国g u r a l p 系统 公司生产的c m g 3 t 地震计的带宽均为1 2 0 s 一5 0 h z 。长周期地震计的出现，给计 量标定带来了新的技术课题。 此外，地震计是一个复杂的机电系统，里面的机械零部件与控制电路在经过 一定的使用时间后，其性能均会发生变化。基于上述情况，和常规传感器一样， 在馒用地震计之前，必须对其进行校准。并且，根据国家计量捡定规程 ( j j g l 3 4 8 7 、j j g 2 9 7 9 1 ) ，必须定期对传感器进行校准，一般校准周期为一年 1 6 1 1 7 1 1 8 ，保证振动传感器的各项性能指标，从而提高数据测量的精度和可靠性。 因此，开发和研制基于超低频振动台技术的地震计直接标定方法，对大力发 展我国的长周期地震计技术，对我国地球物理等基础学科的发展具有重要的理论 2 浙江大学硕士学位论文 意义和实际应用价值。 1 1 3 地震计校准的内容 地震计作为一种特殊的振动传感器，遵循传统的振动传感器校准方法。传感 器校准的任务在于通过统一的校准方法确定传感器的输入量与输出量之间的关 系，同时也确定不同使用条件下的误差关系【9 l 【1 0 1 。基本方式是：利用标准设备产 生已知的非电量( 如力、位移、速度、加速度、温度、流量等) 作为输入量，输 入到被校传感器中，通过二次仪表，得到传感器的输出量。对传感器的输出量与 输入量按照规定的方法进行数据处理，从而计算出传感器相应的技术指标。 振动传感器的校准装置有振动台、地球重力场校准器、低频回转台校准器、 冲击校准装置和离心机等。振动台是传感器校准中最常用的校准装置，按其激振 方式的不同可分为：机械式、电液式和电磁式三种。而电磁式振动台因为其工作 频带宽、波形失真小、性价比高等优点约占所用振动台总数的8 0 以上i “j 。 振动传感器种类根据原理与功能的不同，所要进行的校准项目也不完全相 同。一般来说，校准项目可分为三类：静态工作特性、动态工作特性和环境特性。 静态工作特性包括：线性度、重复性、迟滞、灵敏度；动态工作特性包括：幅频 特性、相频特性、固有频率、阻尼比、时间常数、上升时间。环境特性包括：温 度响应、声灵敏度、磁场灵敏度、横向灵敏度、基座灵敏度等。对于地震计，我 们主要校准以下几个性能指标【1 2 】1 1 3 】1 1 4 】： ( 1 ) 灵敏度：它是指在确定的频率和周围环境条件下输出量与输入量的比 值。 ( 2 ) 频率响应；频率响应分为幅频响应和相频响应。幅频响应是指在输入一 定振动幅值下，传感器灵敏度随频率变化的关系；相频响应是输入量与输出量的 相位差随频率变化的关系。 ( 3 ) 幅值线性：在给定频率条件下，传感器灵敏度随幅值变化的关系。 ( 4 ) 横向灵敏度：在垂直于传感器灵敏轴的方向上受到激励时传感器的灵敏 度。 1 1 4 地震计校准的方法 依据激励方式不同，地震计校准又可分为直接校准和间接校准两种方式。直 接校准采用运动激励方式进行标定，如振动台校准，振动台模拟产生地震运动信 号，直接作用在地震计上；而间接校准采用力激励方式进行标定，一般由激励电 流产生的电磁力作用到地震计的摆锤上。由于两种方法在地震计上的激励位置不 同，所以得到地震计的传递特性在理论上存在差异。直接校准方法由于模拟了地 浙江大学硕士学位论文 震计的真实工作状态，所以由此得到的地震计传递特性更具有实际意义，然而由 于超低频振动台系统较复杂，而且存在技术上的难度，因此该方法并未得到广泛 缝采用，尤其是对长周期地震仪更是如此。根据目前查封的文献，世界上凡乎所 有现代化地震台站、台网、台阵大多采用间接标定法【7 7 1 1 7 8 1 1 7 9 1 。这种状况使得地 震计标定的准确性受到质疑，同时这也极大地限制了地震计技术的发展。 在振动台上校准地震计的直接校准方法是本项目研究的主要目的。首先由信 号源产生标准正弦信号，经功率放大器放大后输出到振动台的动圈，使振动台的 台面产生垂直或水平方向的正弦振动。目前由振动台激励进行直接校准主要包括 绝对法和相对法两种。绝对法主要用于校准高精度传感器和标准传感器，相对法 则是工程实践中最常用盼校准方法f 1 1 】。 ( 1 ) 绝对校准法【1 9 l 切 绝对法主要包括振幅测量法和互易法。2 0 世纪5 0 年代初，振动计量无统一 的国际标准，各国的校准结果很不一致，误差往往大于1 0 。经过几年的努力， 校准误差降低了一个数量级，这是由于发明了互易校准技术而实现的。其最低校 准不确定度可达o 5 【2 0 】。6 0 年代以来，激光干涉技术逐渐成熟，振幅测量可从 0 2pm 到2 m ，几乎覆盖所有的振动幅值范围，而且精确度高。基于激光干涉仪 的振幅测量装置很快在恐年代研制出来，并获得广泛的应用。与此同对，互易 校准法由于频率范围窄，只限于中高频，并且严格要求被校传感器存在良好的互 易关系，因此，逐渐走出了历史的舞台。目前，许多国家标准振动计量部门都采 用了激光干涉绝对法校准。 h 图1 1 激光绝对法校准系统原理图 典型的激光干涉绝对法校准装置，其核心是一个迈克尔逊干涉仪，工作原理 是：氦一氖激光器产生单色、稳定的激光，用激光的波长做基本单位来衡量振动 台振幅的大小。如图1 1 所示，激光沿直线传播，经分光镜分成两束，一束光透 过分光镜至参考镜，另一束光经分光镜反射至固定于振动台面上的测量镜上。因 为参考镜的位置是固定的，因此光程是常量，而测量镜则随振动台做垂直或水平 4 激江大学硕士学位论文 振动，因此它的光程是变量。两束光经参考镜和测量镜反射后发生干涉，形成明 暗相间的干涉条纹n 条，由激光干涉原理可用下式计算出振幅爿 4 = 寺 ( 1 1 ) 设振动台作正弦运动 d = a s i n ( 2 x f i 4 - 西 ( 1 2 ) 式中，d 一振动台的位移；产振动频率；f 时间；庐一初始相位角。则振动台 的速度和加速度分别是 y = 2 j r f a c o s ( 2 矽+ 纠 ( 1 3 ) a = 一( 2 刀门2 a s i n ( 2 ，r f l + 力 ( 1 4 ) 式中，矿振动台速度；口一振动台加速度。由式( 1 2 ) 、( 1 3 ) 、( 1 4 ) 可知，正 弦激励下，运动量的大小取决子位移幅值a 和振动频率二根据式( 1 1 ) ，则传 感器的电压或电荷灵敏度分别为 品= 譬= 1 7 8 7 9 x l 瞅争( v ，啪) ( 1 5 ) 墨= 等观8 4 5 5 1 0 4 务( v 咖- s 1 ) ( 1 6 ) 疋= 訾“5 2 8 7 舞m s f 2 ) ( 1 7 ) 口p，v 岛= 妾= 4 - 5 2 8 7 1 0 5 x 志( p c ，m | s 2 ) ( 1 t 8 ) 式中，一干涉条纹数；产振动频率；岛一位移峰值；_ 一氦一氖激光波长 ( o ，6 3 2 8 1 u n ) ；珞速度峰值；簟一加速度峰值：勋一位移灵敏度；& 一速度灵 敏度；品加速度灵敏度；| s 卜电荷灵敏度s ；$ 一电荷放大器系数：驴传感 器输出电压有效值。 ( 2 ) 相对校准法【1 8 1 【1 9 2 1 1 相对法校准也叫做比较法校准，通过比较被校传感器的输出量与已知灵敏度 的标准传感器的输出量，得出被校传感器的灵敏度。图1 2 就是经典的背靠背式 相对法校准原理图。被校传感器以背靠背方式，固定于标准传感器上，并一起安 装在振动台上。在相同的振动条件下，由于两个传感器的输入量是一样的，因此， 它们的输出之比就是它们的灵敏度之比，计算公式如下 激江大学硕士学位论文 ( 1 9 ) ( 1 1 0 ) 墨= ( 2 哟2 哮x 墨 ( 1 1 1 ) 式中，s 卜标准传感器灵敏度；一被校位移传感器灵敏度；一被校加速度传 感器灵敏度；s 广被校速度传感器灵敏度；。砖一被校传感器输出；五一标准传 感器输出；严一振动频率。 标 图1 2 相对法校准系统原理图 由于相对法要使用经绝对法校准过的标准传感器，所以通常情况下，经相对 法校准的传感器的误差都会高于所用标准传感器的误差。如能精心挑选优质的仪 器，加上细心操作，相对法的校准误差也可以达到2 。在大多数场合下，相对 法校准的传感器能够满足振动测试的要求，加之原理简单，操作方便，因而得到 了广泛的应用1 2 2 1 。 1 2 国内外超低频标准振动系统的发展概况 为了保证振动计量的准确与统一，一方面需要制定规范的校准方法和相应的 标准；另一方面必须研制出稳定性好、失真度小的高品质振动校准装置。随着近 代科学技术的飞速发展，振动计量无论在方法、标准还是在装置等方面都达到了 相当完善的地步。 6 埚 墨 星置挚砖 1 1 0 驴 阱 浙江大学硕士学位论文 1 2 1 国外超低频标准振动系统的研究现状 二战结束以来，国外有人做出统计，在火箭、导弹试验，地震监测失败的事 故中，有4 0 是由于振动环境引起的某些部件损坏和工作失灵而造成的。因此， 美国、前苏联、西欧等军事、航空航天技术发达国家，都十分重视标准振动计量 技术的研究和发展，并先后研制出用于绝对校准的标准振动装置团1 【刎。 5 0 年代初，美国开始着手研制振动标准 2 5 o 美国国家标准技术研究所( n i s t ) 建立了多种校准与试验设备，一直进行着相关的试验研究。1 9 6 9 年建立了中、 高频振动基准，在1 0 0 - - 5 0 0 h z 范围内的校准精度达到了l 【1 4 】。1 9 7 5 年又建立 了低频振动基准，频率范围2 5 5 h z ，标定精度在3 - - 5 5 h z 内达到1 闭。 在超低频标准振动装置方面，前苏联做了许多前瞻性的研究工作，并取得一 系列研究成果，如2 0 世纪9 0 年代初，他们采用位移反馈加微分控制技术研制出 了一种低频水平向标准振动台1 2 ”，工作频率范围为0 1 - 5 h z ，最大位移峰值为 2 5 0 m m ，加速度谐波失真度小于1 7 ；在同一时期，他们还发明了一种虚拟摆台， 下限工作频率可以达到0 0 0 1 h z ，同时可以实现小位移下的大加速度输出，配以 激光干涉测量装置可以实现对地震计、伺服加速度计等传感器的绝对标定1 2 8 。 日本与欧洲等发达国家也相当重视这方面的研究，纷纷建立了标准振动系 统。1 9 9 9 年，t u s u d a 和t k u r o s a w a 讨论了使用正弦逼近法处理信号，包括使 用回归分析的相位解卷算法、误差估计和a d 转换器的分辨率三个方面，相对 偏差在1 6 0 h z - 9 0 0 h z 之间小于0 2 ，他们还介绍了日本国家计量实验室0 q r l m ) 在2 0 h z 5 k h z 范围内的标准振动系统【2 9 1 。同时，日本也注重工业应用中的试验 台的研究。如日本的岛津、东京横机、东洋精机和振研等企业都是世界上有名的 试验台生产厂家【3 0 1 。日本科学技术厅制定的9 0 年代科研项目中有7 0 个重要课 题，其中有1 8 项与传感器技术密切相关f 3 l i 。随后，又把传感器技术与计算机、 通讯、激光、半导体、超导并列为国家六大核心技术1 3 “。 丹麦的b r i i e l & k j 科公司是全世界最大的声学、振动测量分析仪器的研究及 制造公司，它们的具有最低下限频率的振动标准装置是以5 0 0 型长行程水平振动 台为主构成，下限频率仅为0 3 h z ，最大行程为1 5 2 m m ( 峰一峰值) 。随着科学技术 的发展，虚拟仪器技术在标准振动系统中得到了广泛的应用【”】。丹麦b & k 与美 国e n d e v c o 公司成功地将虚拟仪器技术应用于标准振动系统，实现了在一套 系统上可同时进行绝对法和相对法校准。 德国的p t b 公司是一家全球著名的计量标准研究所，他们也采用了两种校准 方法并存的运行模式，即：将标准传感器与被校传感器背靠背安装在性能优良的 振动台上，用同套硬件和数据采集处理系统，通过不同的软件程序就可以实现 绝对法和相对法校准【州。它们还研发了一套下限频率达到0 0 1 h z ，而最大峰一 浙江大学硕士学位论文 峰位移达到1 米、加速度失真度小于1 的超低频标准振动台系统1 3 5 】，是资料上 所能查到具有最大行程的超低频标准振动台系统。此外，p t b 还率先在世界上建 立了旋转运动振动物理量值的复现标准角加速度激光干涉绝对校准装置，其 复现的频率范围为o 3 h z - l k h z ，角加速度范围为1 0 r a d s 2 2 0 0 0 r a d s 2 1 3 6 。p t b 的 研究人员还使用激光干涉法在纳米级内测量了正弦振动的幅值和相位，并通过仿 真与试验证实了一种基于积分信号和离散时域处理的方法在校准加速度计方面 的良好性能训j 。 目前，丹麦b & k 公司的随机激励技术振动传感器校准系统和美国 e n d e v c o 公司的正弦扫描全自动振动传感器校准系统颇具代表性。其中b & k 的振动传感器校准系统3 6 2 9 型的校准精度：3 - 1 0 h z 为1 o ，1 0 2 k h z 为0 7 ：2 k 5 k h z 为1 1 ，5 k 7 k h z 为1 2 ，7 l 【 1 0 k h z 为1 8 。e n d e v c o 公司 对正弦扫描全自动振动传感器校准系统进行了集成化，将冲击校准也纳入系统 内，可以实现从1 0 1 0 5 9 的冲击校准，在一套系统上就可得出传感器的灵敏度、 频率响应、横向灵敏度及幅值线性度四项参数，其校准不确定度：振动为1 ； 冲击为3 1 3 4 1 。而p t b 激光干涉绝对校准的水平为：正弦直线振动的灵敏度值 和灵敏度相移校准扩展不确定度为o 1 与0 2 。；正弦旋转振动的灵敏度值和灵 敏度相移校准扩展不确定度为0 2 与0 2 4 ；冲击加速度的校准扩展不确定度 为0 3 ，它代表了目前的国际先进水平i j ”。 为了解决低频振动时出现的输出波形失真度大的问题，加拿大学者提出一种 利用悬臂梁共振的解决方案，但离实际应用还有距离1 3 。n i s t 的b p a y n e 和 d j e v a n s 设计了一套新的激振器，具有小的失真度和小的横向运动，在激振器 的运动部件与激光干涉仪光学部件间连有一个很大的机械阻抗，并在这套激振器 上比较了激光干涉法和互易法两种绝对校准加速度计灵敏度的方法，效果很好 【柏j 。 1 2 2 国内超低频标准振动系统的研究现状 我国在标准振动计量方面的研究大约开始于2 0 世纪6 0 年代，经过不足2 0 年的努力，我国在1 9 7 9 年建立低频标准，频率范围：1 1 0 0 h z 。校准精度在 2 1 0 0 h z 内达到2 ，l 2 h z 内为2 6 t 2 8 1 。经过改进，在1 9 8 6 年，2 1 0 0 h z 频 率范围内的校准精度达到了1 1 4 ”。 从1 9 6 9 年起，应国防科工委的要求，浙江大学与核工业部及航天工业部合 作研制中频振动校准装置b z d 1 ，于1 9 7 5 年研制成功并交付使用。1 9 7 6 年由七 机部和浙江省联合组织鉴定，确定已达到了国外同类装置的水平1 4 l j 。使用两年 后，于1 9 7 8 年正式作为国家中频振动基准。1 9 7 9 年，中国测试技术研究院研制 浙江大学硕士学位论文 成功“低频振动标准装置”，从而建立了我国的低频振动基准，在2 - l o o h z 频段 内加速度谐波失真度小于2 。在超低频振动标准装置的研究方面，起步于1 9 8 3 年由浙江大学研制成功的“低频垂直向和水平向振动国家基准装置”，当时实现 了垂直向振动台在2 - - 6 0 0 h z 频段内、水平向振动台在2 3 5 0 h z 频段内加速度谐 波失真度小于1 的技术指标；1 9 9 0 年浙江大学的研究人员研制成功了低频小位 移振动台，最大位移幅值为2 咖n ，采用加速度和速度反馈技术实现了垂直台在 0 2 - 4 0 0 h z 频段内、水平台0 5 - - 2 0 0 t z 频段内的加速度谐波失真度小于1 的技术 指标【4 2 】；1 9 9 8 年，中国地震局工程力学研究所在浙江大学研制振动台的基础上， 采用复合速度反馈技术实现了在0 o , - l h z 段的加速度谐波失真度小于1 的技术 指标1 3 9 ；利用相对速度反馈技术，研制成功x s 型小型伺服振动台 5 s 】；2 0 0 2 年， 浙江大学本课题组主要成员和中国地震局分析预报中心联合研制的“甚低频标 准振动装置”实现了在0 0 1 h z 下位移失真度小于1 的指标，同时振动周期可延 扩到5 0 0 0 秒一删 1 2 2 超低频标准振动系统的发展方向 在4 0 多年的发展历程中，伴随着计算机技术、电子技术、自动控制技术、 精密加工技术以及新材料、新工艺的迅猛发展，振动计量不断取得新的突破。从 绝对法到相对法都已达到了相当完善的程度，基本上满足了各类振动传感器校准 的需求，目前，其发展趋势主要表现在以下几个方面1 19 】1 4 - q 4 8 4 9 1 ： ( 1 ) 操作自动化 振动校准将充分利用当前计算机在自动控制和速度等方面的优势和最新研 究成果，不断提高校准的精度和速度。同时运用先进的控制技术，使校准操作实 现高度的自动化，避免由人工操作带来的失准。目前推出的校准系统无一例外的 都采用了计算机控制。 ( 2 ) 指标极限化 随着社会的发展和科技的进步，人们对产品性能的要求不断提高，所以不断 去突破极限指标。例如在航天技术、人造卫星的姿态控制、水声探测、地震预报 等方面对超低频信号进行测试，检测频率已经达到o 0 0 1 h z ，甚至更低。可见无 论是超低频、超高频还是大动态、宽频带等都是未来研究的重点。 ( 3 ) 校准样式多样化 目前最常用的是正弦激励校准。随机振动校准技术正逐渐发展起来，它能精 确地对被校传感器进行动态校准，采用动态信号分析仪和计算机进行数据分析和 处理，给出整个工作频段内完整的灵敏度幅频和相频校准数据，它可以克服正弦 振动校准法常受到机械运动不纯，谐波失真，且只能在一些离散频率上给出传感 浙江大学硕士学位论文 器灵敏度，不能给出相频数据的不足。 1 3 论文研究内容和研究目标 1 3 1 论文研究内容 本论文主要是结合国家科技基础条件平台建设专项“国家超低频标准振 动装置的建立”课题和中国地震局“地震计校准用标准振动系统的研制”项目开 展起来的，为解决超低频标准振动系统所存在的若干关键技术问题，本论文的主 要研究内容包括以下几个方面。 ( 1 ) 分析研究振动台的几个关键技术问题。首先从理论与仿真的角度证明了 一种双磁路结构，它可以极大地提高工作气隙中磁场的均匀性，然后对阻尼力、 支承弹簧、电流对振动台台面波形失真度的影响进行了分析并提出了相应的改进 方法。最后，进一步分析了超低频振动台存在其它技术问题，包括运动部件动力 学特性、横向振动和台面信噪比三个方面。 ( 2 ) 分析研究超低频标准振动系统的几个特殊技术问题。主要包括基础动力 学性能的分析及隔振系统的设计；然后分析了闭环速度、位移反馈控制拓展振动 台低频特性的机理；最后对振动台功率放大器运行稳定性的问题作了初步探索。 ( 3 ) 基于l a b v i e w 开发超低频标准振动系统全自动测控软件。根据地震计 校准全自动化的要求以及超低频振动台振级控制的难点，搭建控制软件总体框 架，设计合理的控制算法，并通过l a b v i e w 丰富的数据采集、分析、处理等函 数完成对地震计各项性能指标的全自动化校准。 1 3 2 论文研究目标 本论文针对拟实现的一套地震计校准用超低频标准振动系统展开研究，该系 统的主要技术指标如表l 所示，本论文研究成果内容将为后续的国家科技基础条 件平台建设专项“国家超低频标准振动装置的建立”课题奠定基础。 表1 超低频振动标准系统技术指标 名称垂直台水平台 频率范围n 0 1 1 6 0 h z 0 0 1 1 6 0 h z 最大位移( 峰值) 0 0 5 m 0 0 5 m 位移失真度 1 位移失真度 l ( 0 0 1 9 0l h z ) ； ( o0 1 3 0 1 h z ) ； 失真度 加速度失真度! i 加速度失真度! l ( 脚1 h z )( = 0 1 h z ) 横向振动比 3 墨3 台面不均匀度曼1 兰1 1 0 濒江大学硕士学位论文 第二章超低频标准振动台关键技术的研究 2 1 引言 对于超低频标准振动计量，振动台的特性是关键因素。通过对现有的低频振 动计量进行研究分析，发现在更低频率( 超低频) 计量时，主要存在以下两个问 题。 ( 1 ) 振动台的信噪比差。加速度与振动频率的平方成正比、与振动的幅值成 正比，当振动频率较低时，加速度将很小，也就是说振动台能提供给安装在台面 上的加速度传感器的信号很小。经测试，振动台台面在无驱动条件下的噪声信号 振动量级可达1 0 - 4 9 ，当振动台振幅在5 0 m m 、频率为0 1 h z 时，产生的加速度值 为2 x 1 0 - 3 9 ，使得振动台台面加速度信号的信噪比仅为2 0 3 0 d b 。当振动频率 更低时，台面产生的信号将完全湮没在噪声中。为了改善信噪比，在超低频条件 下，往往需要输出大位移，以提高信噪比。而大位移的实现，又带来如下第二个 问题。 ( 2 ) 振动台的波形谐波失真度大。标准振动台所产生的运动，实际上不可能 是理想的正弦振动。当振动台输出大位移时，由于弹性元件的非线性、磁路中磁 感应强度的不均匀性，将导致振动台输出波形发生严重的波形失真，波形失真会 带来如下问题：当振动过程中的波形具有波形畸变和毛刺时，会影响激光干涉仪 的条纹计数，产生振幅测量的误差；当失真度大时，电压测量的原理性误差增大； 失真意味着多频的存在，不符合单频谐波校准原理。 本章针对超低频振动台存在的上述问题。首先从理论与仿真两个方面研究了 一种双磁路结构，以改善大行程振动台磁路工作气隙磁场的均匀性问题。然后从 超低频振动台结构上又分析了影响超低频振动台波形失真度的其它因素及改善 措施，最后分析了超低频振动台设计中的其它技术问题。 2 2 超低频标准振动台磁路的研究 2 2 1 双磁路结构的理论研究1 5 蝴】 振动台的磁场产生方式可分为励磁型和永磁型。励磁型是在励磁线圈中通以 直流电来产生恒定磁场，这种方式适用于大型振动台。而永磁型的磁场则是由永 磁体产生的，由于大体积的磁钢制造比较困难，所以这种结构较适用于小型振动 台。如7 0 2 所研制的2 2 0 2 型振动台和b & k 公司的4 8 0 8 型振动台都属于永磁型。 浙江大学硕士学位论文 设振动台振幅a 、恒定磁场长工、绕组高h ，它们必须满足l 2 a + h 。目前 振动台的发展趋势正朝着超低频、大行程的方向发展，这就要求有足够长的磁路。 以往单磁钢小行程振动台在磁路增长时，其磁场的均匀性与强度都会明显下降， 这样极大的影响了振动台的推力和输出波形的失真度。 本节研究的一种永磁体双磁路结构，可以很好的解决上述问题。永磁材料有 许多优点，它一旦被磁化，就能长期地保持很强的磁性：无需励磁单元，所以结 构简单紧凑、体积小。为了使磁路气隙中磁通密度增加，并且减少漏磁，对两个 铝镍钴磁钢进行反向充磁，在用软铁拼装成如图2 1 所示的双磁路结构，其部分 组件见附录a 图1 。两个磁钢彼此互补，辅助磁钢会使气隙中的磁通比单磁钢在 气隙中产生的磁通增加1 0 2 0 ，可以显著提高振动台的驱动力，同时漏磁也 有所减小。 磁钢1外导磁体 磁钢2 图2 1 双磁路结构示意图 磁路工作气隙中电磁推力 f = b ，i ( 2 1 ) 式中，- 电磁推力；哥一工作气隙中的磁感应强度；卜工作气隙中线圈的有效 总长；卜一线圈中流过的电流。 假设磁钢的直径为d 1 ，高度为朋，工作气隙的内径为啦，外径为d 2 ，工作 气隙长2 。则工作气隙的有效平均截面积 是= 万( d 2 + d 2 ) 1 2 2 ( 2 2 ) 工作气隙的厚度 占= ( d 2 一破) 2 ( 2 3 ) 从( 2 2 ) 、( 2 3 ) 两式可以看出，、d 均与气隙结构有关。根据基尔霍夫第一定 律：仍= 旦墨= 0 ，则有 蜀s = 口岛是 ( 2 4 ) 浙江大学硕士学位论文 式中，研一磁钢中的磁通密度；研一磁钢的有效平均面积；岛工作气隙中的磁 感应强度；毋一工作气隙的有效平均面积；俨漏磁系数。 磁钢结构确定后，研为常数，而励与永磁体的工作点有关。永磁体的工作 点不仅与磁体本身的几何参数有关，而且还与充磁方法以及外磁路结构有关。当 永磁体尺寸及充磁方法确定后，永磁体的工作点由外磁路结构决定。根据基尔霍 夫第二定律：蜀五= 4 刀以i ，因为该结构由永磁体产生恒定磁场，所以1 = 0 ，于 是有 厶+ 吼艿+ 马厶= 0( 2 5 ) 式中，珏、上l 一永磁体中的磁场强度和永磁体的高度；岛、子一工作气隙中的磁 场强度和工作气隙的厚度；臆如为内、外导磁体中磁场强度与其磁路长度乘积 之和。 如果令飓尹莎膨万，则上式可以改写成：h j l ：- f h z 万，式中负号表示仍 和飓方向相反，计算数值时负号可以去掉：f 为磁阻系数。由式( 2 4 ) 可得 鲁一世s i h 2 8 一簧嚣= t g 口 h 。 l f s lh 所以有p = t g 。1 g ，见图2 。b 1 、局之间 盯l 是正比关系，它是一条在第二象限内过原 点的直线o p ，与日轴夹角为p 。另外从 永磁体内部考虑，由于磁感应强度研和磁 场强度历的关系遵循永磁体内部充磁与 去磁规律。因此永磁体的工作点是直线 o p 和永磁体去磁曲线的交点当工作气 隙厚度减小至占7 时，口增大。忽略气隙厚 度的变化对其平均面积& 的影响，永磁体 工作点沿恢复线c d e 移到口点( 直线 7 蔫 b r b r b i h c0h h c - c b r 为去磁曲线、c - d - e 为恢复线 图2 2 永磁体的工作点 与恢复线的交点) 永磁体工作点移到口点后，岛增大到岛。同理，当巧增大时， 历将减小。 2 2 2 双磁路结构的优化 由于世界上没有完全绝磁的物质，磁力线无往不在，所以准确地计算是很困 难的。本小节运用a n s y s 中的电磁场分析模块对大行程振动台用双磁路结构迸 浙江大学硕士学位论文 行仿真，进而通过分析提出优化方案。基于有限元的电磁场仿真，其原理是将计 算模型简化后，以合理的方式将模型划分成许多微小的平面或者立体网格。然后 对每个单元列出麦克斯