低频振动传感器幅值和相移测量的不确定度.docx

低频振动传感器幅值和相移测量的不确定度于梅(中国计量科学研究院 ,北京 100013)摘要 : 深入研究影响测量结果的不确定度来源和大小 ,参考 iso 16063 - 11: 1999 不确定度分量表 ,根据实验结果和经验数据 ,对低频振动国家副基准测量高精度低频振动传感器套组灵敏度幅值和相移进行测量不确定度的分析和评 估 ,为修订国家振动传递系统表提供了参考依据 ,其灵敏度幅值和相移测量的不确定度 ( k = 2)为 16 h z参考点 , 0. 30 %和0. 19 ; 0. 1 h z120 h z通频带 , 0. 66 %和 0. 65。关键词 : 计量学 ;绝对法振动校准 ;正弦逼近法 ;灵敏度幅值和相移 ,振动套组 ,测量不确定度中图分类号 : tb936文献标识码 : a低频振动传感器和测量仪应用广泛 , 涉及相关前沿科学研究和工程应用的各个领域 , 其量值通过国家 振动低频 (副 )基准溯源到基本量长度和时间 。振动传感器和测量仪灵敏度幅值和相移测量不确定度的正确评估对保证我国振动量值在国际上的等效性和国内传 递的准确性起着至关重要的作用 ,因为测量结果除了给出被测量的最佳估计值外 ,还应同时给出测量结果的不确定度才完整和有意义 。振动测量属于动态测量 范畴 ,边界条件复杂 ,影响因素众多 , 不确定度分析比较困难 ,迄今为止在国内未形成共识 。考虑到与国际 评价方法的差异必然会对我国在参加振动国际关键比 对 、提供我国最高校准能力等国际交流中造成障碍 ,所以按照国际标准评价准则对国家基准进行测量不确定 度分析 、评估和研究意义重大 1 。本文参考 iso 16063 - 11: 1999“振动与冲击传感 器校准方法第 11部分激光干涉法振动绝对校准 ”推荐的正弦逼近法灵敏度幅值和相移测量的不确定度评估 方法 ,通过实验和研究 ,分别在给定参考条件下和通频 带范围内 ,对高精度低频振动传感器套组 (以下简称为振动套组 )的灵敏度幅值和相移测量的不确定度进行 了分析和评估 ,为国家振动检定传递系统的修订提供了可靠的技术依据 。图 1 加速度计幅相特性校准原理框图表 1 国家低频垂直向振动副基准主要技术指标频率范围0. 1 h z120 h z振动位移 ( 0 - p )10 m 20 mm30 m / s2 2% ( 120 h z 2 h z) ; 5% ( 1 h z 0. 4 h z) ; 10 % ( 0. 2 h z0. 1 h z) 5% ( 2 h z100 h z)最大加速度加速度波形失真度横向振动比参考频率点16 h z ( 8 h z)被校仪器为低频振动加速度计套组 (以下简称为振动套组 ) ,它由 jd - 6d 石英挠性加速度计和适配器1 系统组成和传感器复灵敏度国家低频垂直向振动副基准主要由振动激励系统 (包括振动台 、功 率 放 大 器 和 函 数 发 生 器 ) 、零 差 正 交 m iche lson激光干涉仪 、数据采 集 处理 系统 组 成 。图 1 为测量系统的原理框图 。2synx -ii组成 。其主要技术指标为 :加速度 100 m / s ,2偏值 5 m g,温度系数 100g / , 16h z ( 10 m / s ) 参2 )考点处灵敏度幅值 128. 9mv / (m / s ,相移为 - 0. 32 。振动套组 校 准 的 主 要 指 标 是 加 速 度 计 的 复 灵 敏 度 ,它用频率的复值函数表示 :s= s exp j (u - )( 1 ) u其中 , sa =为加速度灵敏度幅值 , u 为振动套组输出a电压 , a 为加 速 度幅 值 , u 为振 动套 组输 出 信 号 初 相 位 ,a 为振动台加速度初相位 , 而 =u - a 是振动基金项目 : 国家质量监督检验检疫总局基金项目收稿日期 : 2008 - 02 - 14 修改稿收到日期 : 2008 - 07 - 03作者 于 梅 女 ,本科 ,研究员 , 1956 年 11 月生107第 4期于 梅 : 低频振动传感器幅值和相移测量的不确定度套组灵敏度相移 。灵敏度幅值 sa 和相移 在频域的变化即为其幅频和相频特性 。= 0. 2 %re l, 2 (2 ()均匀分布 , 则 usa )= 0. 115 % , u=3 0. 1 = 0. 057 7 。2 建立数学模型振动被测量 y 常无法直接测量 , 它是由 n 个其他3( 3 ) 横向加速度 , ure l, 3 ( s )和 u3 ()已知被校加速度计横向灵敏度 2 % 。 16 h z参考 频率点振动台横向振动比 50120 0. 5 0. 289 0. 5 0. 289 ( 9 ) 灵 敏 度 幅 值 测 量 实 验 标 准 差 ,和 u9 ()( sa )ure l, 9( 4 ) 放大器增益的漂移 , ure l, 4 ( sat )和 u4 (t )如果在 0. 1 h z120 h z频率范围内按照三分之一 倍频程测量 ,并根据频率点选择测量次数 ,按完成测量1小时保守估计 ,由放大器增益漂移带来的幅值误差为0. 03 % ,相位误差为 0. 005 ,均匀分布 ,则重复测量 10 次的灵敏度幅值和相移算术平均值的实验标准偏差分别小于 0. 01 %和 0. 02 , 综合考虑重 复测量中的其他随机影响 , 取误差 0. 05 %和 0. 05 , 均0. 05 %匀分布 , ure l, 9 ( sa )()= 0.028 9 % , u11=3 0. 03 % 0. 05 ( sat )=(t )ure l, 4= 0. 017 3 % , u4= 0. 028 9 。33= 0. 05 0. 028 9。312 参考条件下合成标准不确定度和扩展不确定度参考条件下 , 振动套组加速度灵敏度幅值和相移=3( sat ) 和 u5( 5 ) 干 涉 仪 正 交 信 号 的 漂 移 ,(t )ure l, 5的合成标准不确定度为 : uc, re l ( sa )= 0. 096 8 ;扩展不确定度 ( k = 2 )为 := 0. 152 % , uc ()长期试验观察 , 认为在完成一次校准的周期内 , 干涉仪信号的漂移对振动套组灵敏度幅值和相移带来的 误差远小于 0. 02 % 和 0. 01 , 对相移的影响可忽略不u re l ( sa )0. 19 。( sa )= 0. 30 % , u () = k uc, re l0. 02 %计 , 均 匀 分 布 , 则ure l, 5 ( sat )= 0. 0115 % , u54 通频带内灵敏度幅值和相移测量 的扩展不3u re l ( sa t )和u (t )= 0. 01 确定度( )= 0. 005 77 。t34. 1 标准不确定度分量( 1 ) 参考条件下的灵敏度幅值和相移不确定度 ,( 6 ) 振 动 套组 加速 度 灵敏 度幅 值 和 相 移 的 稳 定度 , us和 ure l, 6 ( at )6 (t )ure l, 1 ( sat )和u1 (t )经考核 , 该振动套组加速度灵敏度幅值和相移的由上节可得 , 参考条件下复灵敏度测量的扩展不年 稳 定 度 分 别 优 于0.1 % , 和0. 1 , 正 态 分 布 ,ure l, 1 ( st )确定度 (k = 2 )分别为 0. 30 %和 0. 19 , 则=0. 1 %0. 1 ure l, 6 ( sat )(t )= 0. 0333 % , u8=0. 3 %= 0. 19 0. 0950 。33( )= 0. 150 % , u=1 t220. 0333 。( 7 ) 环境温度的影响 , ure l, 7 ( sat )和 u7 (t )在实验室 ( 23 2 ) 环境温度下 , 估计干涉仪振( 2 ) 适调放大器增益挡位的幅值和相位误差以及滤波特性 , ure l, 2 ( sat )和 u2 (t )该放大器增益挡位幅值最大误差为 0. 01 % , 均匀幅信号的温度漂移为 10 - 5 , 振动套组电子元器件和数采卡等的温度漂移为 10 - 5 。考虑两个影响量对不确定 度评估的合成贡献分别为灵敏度幅值 1. 5 10 - 5 、相移 0. 01 %ure l, 2 ( sat )分布 , 则= 0. 005 77 % 。从理论上3讲 , 可认为在测量范围内相位线性上升 。因此对每一个挡位增益和滤波设置 , 确定某个频率下输入信号与= 0. 001 5 %(0. 1 , 均 匀 分 布 , 则ure l, 7 at )=s3 1994-2014 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 109第 4期于 梅 : 低频振动传感器幅值和相移测量的不确定度 0. 1 0. 000 866 % , u7 (t ) = 0. 057 7 。5 结论3( 8 ) 安装对灵敏度幅值和相移的影响 , ure l, 8 ( sat )和 u8 (t )加速度计在振动台台面的安装力矩和连接电缆固 定会产生影响 。其中电缆机械固定的影响量与频率成反比 , 根据反复试验估计 , 由电缆固定等安装因素带来 的灵敏度幅值和相移误差和由其引入的标准不确定度 分量见表 3, 认为均匀分布 。表 3 安装因素带来的误差和由其引入的标准不确定度分量在国家低频垂直向振动副基准上 , 校准高精度低频振动套组加速度灵敏度幅值和相移的测量不确定度 见表 5。表 5 低频振动套组灵敏度幅值和相移测量的不确定度灵敏度测量的不确定度 ( k = 2 )频率范围/h z /幅值 u re l ( s ) / %相移 u (t ) / ( )16 (参考点 )0. 150 501200. 300. 400. 660. 190. 390. 65ure l, 8频率范围/ h z灵敏度幅值误差 / %灵敏度相移误差 / ( )( su8 (t ) / ( )t )/ %参 考 文 献 1 于 梅 ,等 . 振动比较法校准中加速度计灵敏度幅值校准不 确定度的评估 j . 中国计 量 , 2004, ( 10 ) : 73 - 74.0. 1500. 10. 05770. 10. 0577 501200. 030. 01730. 030. 0173 2 iso 16063 21: 1998, m e thod s fo r the ca lib ra tion of vib ra tion and shock tran sduce rs2pa rt 1: b a sic concep ts ( first ed ition ) s .iso 16063 - 11: 1999, m e thod s fo r the ca lib ra tion of vib ra tion and shock tran sduce rs2pa rt 11: p rim a ry vib ra tion ca lib ra tion byla se r in te rfe rom e try ( first ed ition) s .5. 2 通频带内的合成标准不确定度和扩展不确定度表 4 通频带内灵敏度幅值和相移测量的合成标准不确定度和扩展不确定度 3 灵敏度幅值 ( k = 2 )灵敏度相移 ( k = 2 )频率范围/h z合成标准不确定度uc, re l ( st )/ %扩展不确定度u re l ( st )/ %合成标准不确定度uc (t )/ ( )扩展不确定度 u(t )/ ( ) 4 m a rten s h j v. eva lua tion of unce rta in ty in in te rfe rom e tric vi2b ra tion m ea su rem en ts j , op tic s and l a se rs in enginee ring,2002 , 38: 82 - 101. 5 m a rten s h j v. eva lua tion of unce rta in ty in m ea su rem en ts - p rob lem s and too ls j , sp ie, 2000, 4072: 82 - 101. 6 国家质量技术监督局 ,测量不确定度评定与表示指南 m .北京 :中国计量出版社 , 2000.0. 150 501200. 2020. 3280. 400. 660. 1940. 3240. 390. 65(上接第 105页 )参 考 文 献 1 吕 勇 ,李友荣 ,王志刚 . 一种弱故障特征信号的提取方法 及其应用研究 j . 振动工程学报 , 2007 , 20 ( 1 ) : 24 - 28. 2 宓为建 ,徐子奇 ,杨雪峰 . 基于遗传算法的弱故障振动信号 的 自 适 应 滤 波 研 究 j . 振 动 与 冲 击 , 1999, 18 ( 3) : 20 - 24. 3 刘 刚 ,屈梁生 . 提取机械信号中弱冲击成分的研究 j .机械工程学报 , 2002, 38 ( 6) : 152 - 155. 4 邱天爽 ,张旭秀 ,李小兵 ,等 . 统计信号处理 :非高斯信号处 理及应用 m . 北京 :电子工业出版社 , 2004. 6. 5 j uan jo se gonza lez de la ro sa, a n ton io mo reno m unoz. h igh2 e r2o rde r cum u lan ts and sp ec tra l ku rto sis fo r ea rly de tec tion of sub te rranean te rm ite s j . m echan ica l system and signa l p ro2 ce ssing, 2008 , 22: 279 - 294. 6 丁 康 ,李巍华 ,朱小勇 . 齿轮及齿轮箱故障诊断实用技术m . 北京 :机械工业出版社 , 2005. 5.4 结论信号的零时滞四阶累积量即峰态具有良好的表征 信号非高斯特性的能力 , 而冲击信号则为典型的非高 斯信号 。本文提出了一种提取信号弱冲击特征的新方 法即滑动峰态算法 。首先对信号进行滑动峰态算法获 得一个新的时间序列即峰态时间序列 , 然后对峰态时 间序列进行傅里叶变换获得信号中的冲击特征频率 , 实现冲击特征的提取 。对强背景信号及噪声环境下含 弱冲击成分信号的滑动峰态算法进行了仿真研究 , 证 明了该方法具有很强的弱冲击特征提取能力 。以实测 齿轮断齿信号的分析验证了该方法在实际应用中的有 效性 。 1994-2014 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 206journal o f v ibra t ion and shockvo l. 28 no. 4 2009e r than tha t of the fo rm e r.a s the in itia l fa ilu re stre ss.fo r the tangen tia l samp le s had no d istinc t in itia l fa ilu re stre ss, the p la teau stre ss wa s rega rdedit wa s shown tha t the p la teau stre ss wa s ve ry sen sitive to the load ing ra te. the effec t of stra inra te on the in itia l fa ilu re stre ss of the ch ine se pop la r wood had the loga rithm law exponen t.key word s: ch ine se wh ite pop la r; sh pb exp e rim en ts; fa ilu re strength; p la teau stre ss; effec t of stra in ra te( pp: 93 - 96 )d isper s ion of surfa ce wa ve in a fun c t iona lly gra ded e lec tro2m a gn e to2e la st ic la yered p la tex ie gen 2quan1 , sh en z hong 2yuan2 , hu b ang 2nan3( 1. c ivil enginee ring co llege of h unan u n ive rsity of sc ience and techno logy, x iangtan 411201, ch ina;2. n anyang in stitu te of techno logy, n anyang 473004, ch ina; 3. h unan indu stry po lytechn ic, changsha 410208, ch ina)a b stra c t:d isp e rsion of su rface wave in an e lec tro2m agne to2e la stic compo siton s laye red p la te wa s inve stiga ted by u2sing hyb rid num e rica l m e thod. m a te ria l p rop e rtie s, e lec tric coeffic ien ts and m agne tic coeffic ien t we re suppo sed to va ry lin2 ea rly in the th ickne ss d irec tion. the e lec tro2m agne to2e la stic compo siton s laye red p la te wa s firstly devided in to strip e le2 m en ts. the gove rn ing equa tion s of an e lem en t we re e stab lished, and then the gove rn ing equa tion s of the e lem en ts we re a s2 sem b led in to the equa tion s of the who le system. the d isp e rsion of wave s cou ld be ob ta ined by so lving e igenva lue equa tion of the system. effec t of e lec tric and m agne to fie ld on the d isp e rsion of wave s wa s inve stiga ted.key word s: e lec tro2m agne to2e la stic compo sition; hyb rid num e rica l m e thod; e la stic wave; laye red p la te( pp: 97 - 102 )a n ew m e thod for ex tra c t in g wea k im pu lse cha ra c ter ist ic ba sed on a sl id in g kur to s is a lgor ithmyan g fu 2chun, zhou x iao2jun, zhan g z h i2gang( co llege of m echan ica l and ene rgy enginee ring, zhe jiang u n ive rsity, h angzhou 310027 , ch ina)a b stra c t:a weak imp u lse componen t m ay a lways exist in a m echan ica l fau lt vib ra tion signa l, and an imp u lse sig2na l po sse sse s rem a rkab le non2gau ssian cha rac te rs. the ku rto sis cou ld dep ic t its excu rsive leve l from the gau ssian d istribu2tion, so a new m e thod wa s p ropo sed fo r extrac ting weak imp u lse cha rac te ristic ba sed on the slid ing ku rto sis a lgo rithm. f irstly, a new tim e se rie s, ku rto sis se rie s, wa s ob ta ined th rough slid ing ku rto sis comp u ta tion of the o rigina l signa l; then, fft of the ku rto sis se rie s wa s done to extrac t the frequency of the weak imp u lse signa l. the sim u la tion wa s done u sing the new m e thod to the strong signa l and no ise signa l w ith weak imp u lse componen ts, and the re su lts illu stra ted tha t the m e thod ha s strong ab ility fo r extrac tion of the weak imp u lse componen t. in p rac tice, a b roken gea r vib ra tion signa l wa s ana lyzedu sing the m e thod and the weak imp u lse componen t wa s extrac ted effec tive ly.key word s: fau lt d iagno sis; weak imp u lse signa l; ku rto sis; gea r( pp: 103 - 105 , 109 )m ea surem en t un cer ta in ty of m a gn itude an d pha se sh if t forsen s it iv ity of a low frequen cy v ibra t ion tran sducer w ith am p l if ieryu m ei(n a tiona l in stitu te of m e tro logy, b e ijing 100013 , ch ina)a b stra c t:b a sed on studying unce rta in ty sou rce and its m agn itude of m ea su rem en t, acco rd ing to exp e rim en ta l re2su lts, emp irica l da ta and iso 16063 211: 1999 , the m ea su rem en t unce rta in ty of m agn itude and p ha se sh ift fo r sen sitivity of a h igh p rec ision low frequency acce la rom te r w ith amp lifie r wa s ana lyzed and eva lua ted w ith seconda ry standa rd fo r ve rtica l low frequency vib ra tion. the refo re, refe rence da ta we re p rovided fo r em end ing the na tion vib ra tion d issem ina tion system.the unce rta in tie s of m agn itude and p ha se sh ift of sen sitivity wou ld be 0. 30 % and 0. 19 a t the refe rence po in t ( 16h z) ,0. 66 % and 0. 65 ove r the comp le te frequency range from 0. 1h z to 120h z.key word s: m e tro logy; p rim a ry vib ra tion ca lib ra tion; sine2app roxim a tion m e thod; m agn itude and p ha se sh ift of sen2 1994-2014 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 207vo l. 28 no. 4 2009journal o f v ibra t ion and shock( pp: 106 - 109 )sitivity; vib ra tion tran sduce r w ith amp lifie r; unce rta in ty of m ea su rem en tpu lsa t ion re spon se of a two d im en s iona l w in g to a tm o sphere turbu len ce in super son ic f lowzh en g guo2yong1 , lu l i2 , yan g y i2ren2( 1. schoo l of c ivil enginee ring and a rch itec tu re, cen tra l sou th u n ive rsity, changsha 410075 , ch ina;2. d ep t. of app l. m echan ic s and eng. , sou thwe st j iao tong u n ive rsity, chengdu 610031 , ch ina)the dynam ic re spon se of a two2d im en siona l w ing to a tmo sp he re tu rbu lence wa s inve stiga ted. the ae rody2a b stra c t:nam ic fo rce wa s re so lved in to two p a rts, free vib ra ting ae rodynam ic fo rce and fluc tua ting ae rodynam ic fo rce. the fluc tua2ting p re ssu re cou ld be ob ta ined by u sing the trigonom e tric se rie s compo sition m e thod of random fie ld. the m ean squa re roo t of the system re spon se wa s ca lcu la ted w ith the random theo ry. it wa s the foca l po in t to ana lyze the influence s of the m ean ve loc ity, the tu rbu lence strength and the tu rbu lence in tegra l m ea su re on the m ean squa re roo t of the struc tu re re2 spon se. the re su lts showed tha t the m ean squa re roo t of the re spon se slow ly and linea rly inc rea se s when the flow ve loc ity is lowe r than the flu tte r c ritica l sp eed; bu t, when the flow ve loc ity is ove r the flu tte r c ritica l sp eed, the m ean squa re roo t of the re spon se p rom inen tly and linea rly rise s w ith inc rea se in the flow ve loc ity. howeve r, the m ean squa re roo t of the re2spon se is no t sen sitive to the change of the in tegra l m ea su re of tu rbu lence.( pp: 110 - 112 )key word s: tu rbu lence; lim it cyc le; flu tte r; p iston theo ry; random re spon sean im proved f iltered x2lm s a lgor ithm ba sed on feedforwa rddam p in g com pen sa t ion of secon da ry pa thl i j ia 2quan, w an g yong, l ian g q ing(d ep a rtm en t of a u tom a tion, u n ive rsity of sc ience and techno logy of ch ina, h efe i 230027, ch ina)a b stra c t:feedfo rwa rd damp ing comp en sa tion m e thod, a rea liza tion of damp ing comp en sa tion of seconda ry p a th,wa s stud ied and it cou ld be u sed to imp rove the p e rfo rm ance of the filte red x2lm s a lgo rithm. then, by com b in ing the feedfo rwa rd comp en sa to r and the adap tive feedfo