振动传感器的校准及误差分析.pdf

第 7 卷 第 6 期 山东商业职业技术学院学报 Vol 7 No 6 2007 年 12月 Journal of Shandong Institute of Commerce and Technology Dec 2007 振动传感器的校准及误差分析 张 晓 雁 无锡职业技术学院 江苏 无锡 214073 摘 要 传感器已经成为现代工业发展和人类文明进步的重要标志 在叙述振动传感器特点的基础上 介绍 了传感器校准方法及其校准结果的误差分析 关键词 振动传感器 校准 误差分析 中图分类号 TB52 文献标识码 A 文章编号 1671 4385 2007 06 102 05 The Adjustment of Vibration Sensors and the Analysis of Error Margin ZHANG Xiao yan Wuxi Vocational Techonalogical College Wuxi 214073 China Abstract The sensors have already been an important token of the development of moder industry and the progress of human civilization Based on the description of the characteristics of vibration sensors this thesis intoduces the adjustment methods and the error margin analysis of the result Key words the vibration sensors adjustment error margin analysis 收稿日期 2007 11 20 作者简介 张晓雁 1964 女 江苏无锡人 高级讲师 传感器是一种信号的采集和转变装置 它广泛 应用于工业生产 宇宙开发 海洋勘测 环境保护 资 源调查 健康管理 生物工程 甚至文物保护等领域 当中 1 振动传感器的特点 在振动测量中 把被测量的振动力学参数转换 成电学参数 以便于信号的测量 传递 变换 分析和 保存的装置称为振动传感器 因为传感器是用来检 测 拾起 振动信号的 所以又称之为拾振器 振动传感器的类型较多 按被测物理量来分有 位移 振幅 传感器 速度传感器和加速度传感器三 种 由于位移 速度 加速度这三个参数可以通过简 单的微积分关系相互转换 故三种传感器有时可以 通用 目前 测振传感器多采用惯性原理制成 如磁 电式速度计 压电式加速度计 压阻式加速度计 地 震计量用的测振仪等 这类传感器是利用弹簧质量 系统的强迫振动特性来进行测量的 它可以直接固 定在被测振动物体上 而不需要相对固定点 其测量 结果直接以固定于地球上的惯性系坐标为参考坐 标 因此它是一种绝对式测振传感器 图 1 和图 2 是这类传感器的结构原理图和简化模型图 在刚性 的外壳里面 安装一个单自由度的有阻尼的弹簧 质 量系统 根据质量块相对于外壳的运动来判断被测 振动体的振动量 图 1 速度传感器结构原理 对于速度传感器而言 可得到其传递响应函数 和相位角函数为 102 图 2 传感器力学模型 H s E s V s ke s 2 s 2 2 ns 2 n tan 12 nw 2 n 2 1 其中 c 2mk n k m ke为与气隙中磁场 强度及磁场中线圈长度有关的常数 ke Bl 由此 可以描绘出速度传感器的幅频特性曲线和相频特性 曲线如下图所示 由图可见 对于惯性式速度传感 器在测量时有一个使用频率下限 为了拓展其低频 特性 应该设法降低传感器的固有频率 如地震检测 使用的检波器往往体积和重量都很大 就是为了减 小自身的固有频率以加强低频性能的 位移传感器 同样也具有这样特性 而对于加速度传感器 在测量 时有一个使用频率上限 从理论上讲其测量频率下 线可以降到零 a 幅频曲线 b 幅频曲线 2 传感器校准方法及误差分析 2 1 振动传感器的校准 校准也称为标定 它是通过试验建立传感器的 输入量与输出量之间的关系 同时也确定出不同使 用条件下的误差关系 振动测量中所使用的各类传 感器 它的各项性能指标如灵敏度 线性范围 频率 响应特性等 对测量数据的精度和可靠性直接产生 影响 因此 为了保证结果的正确性和统一性 根据 国家计量检定规程 JJG134 87 JJG297 91 必须 定期对传感器进行校准 一般校准周期为一年 振动传感器的技术指标很多 因此校准的内容 也很多 主要包括以下几个性能指标的校准 1 灵敏度 它是指在规定的频率范围和周围环 境条件下输出量 电压 电荷 与输入量 振动的位 移 速度 加速度等 的比值 2 频率特性 频率特性分为幅频特性和相频特 性 幅频特性是传感器灵敏度随频率变化的特性 相 频特性是输入量与输出量之间的相位差随频率的变 化的特性 一般只考虑校准幅频特性 3 线性范围 线性范围是指传感器输入量与输 出量之间保持线性关系的最大机械输入量的变化范 围 4 横向灵敏度 它是指传感器承受与主轴方向 垂直的振动时 其输入与输出振动之间的比值 5 环境因素的影响 在高温 高压 水下以及强 磁场环境中使用时 要考虑环境参数对传感器的影 响 并且要作出相应的修正 以便修正最后测得的数 据 通常只是对传感器的灵敏度 频率特性和线性 范围三项内容进行校准 2 2 振动传感器的校准方法及误差分析 振动传感器的校准一般是在标准振动台或冲击 台上进行的 由信号发生器经功率放大器输出正弦 电流信号到振动台动圈 使振动台台面产生垂直或 水平方向的正弦振动 国家级的振动与冲击基准是 采用绝对法对振动传感器进行校准 一般可达到 0 5 2 的精确度 而对于地方计量部门的标准 振动传感器是用标准传感器 目前多为标准加速度 计 作为传递工具 用比较法对工作传感器进行校准 的 一般可达到 5 的精确度 目前传感器校准的 方法主要有绝对法校准 比较法校准 随机法校准 互易法校准和重力法校准等方法 2 2 2 1 正弦振动绝对校准法 绝对校准法系统是由高精度标准振动台和激光 103 干涉仪组成的校准系统 标准振动台输出稳定的无 失真的正弦机械振动 然后用激光干涉仪测出它的 振幅 计算出振动速度或加速度 用高精度数字电压 表测量出传感器的输出电压 用频率计测量出信号 的频率 由此便可以计算出传感器的灵敏度 用于校 准高精度或作为计量标准的加速度传感器的校准 图 4 正弦振动绝对校准法原理方框图 设振动台的正弦运动规律为 D Asin 2 ft 式中 A 振动位移幅值 又称为振幅 mm D 振动位移幅度 mm 则其运动速度和加速度分别是 V 2 fA cos 2 ft V 2 f 2 sin 2 ft 式中 V 振动速度 mm s a 振动加速度 mm s 2 由上面三式可知 正弦运动的大小决定于位移 的幅值 A 和振动频率f 只要精确测出幅值 A 和振 动频率f 就可以计算出运动的速度和加速度 再用 精度足够高的仪器测量出被校传感器的输出物理量 电压 电荷等 就可以确定此传感器的电压或电荷 灵敏度 正弦振动绝对校准法框图如图 1 4所示 在测量振动幅值 A 时 利用了 He Ne 激光干 涉测量原理 分光镜分出的两束光经反射后由于存 在光程差而发生干涉 产生明暗相间的干涉条纹 该 光束经过分光镜投射到光电元件上 将光的强弱转 换成电脉冲送到计数器进行计数 根据迈克尔逊干 涉原理可知 振动台台面每移动 2 则光程差变化 为 为 He Ne 激光波长 0 6328 m 则干 涉条纹明暗变化一次 由于振动台台面一个周期内 的总位移量为 4A 因此产生相应的干涉条纹数 N 为 N 4A 2 8A A N 8 0 07910N 则传感器的电压或电荷灵敏度分别为 SD 2Erms DP 1 7879 Erms N 10 4 mV mm Sv 2Erms VP 2 8455 TErms N 10 4 mV cm s 1 Sa 2Erms aP 4 5287 T 2E rms N 10 5 mV m s 2 Sq Q aP 3 2023 T 2 Q N 10 5 PC m s 2 式中 N 干涉条纹数 振动频率 Hz T 振动周期 s 传感器输出电荷量 PC aP加速度峰值 m s 2 氦氖激光波长 0 6328 m DP 位移峰值 mm VP速度峰值 cm s SP 位移灵敏度 Sv速度灵敏度 Sa 加速度灵敏度 Sv 电荷灵敏度 Erms 传感器输出电压的有效值 mV 由上面分析可以看出 绝对法校准传感器的误 差主要来自于振动幅值 传感器输出电压和振动信 号频率的测量等引入的误差 其不确定度如表 1 所 示 其中失真度 横向振动和安装倾斜也是主要的误 差来源 其总的合成误差为 4 i 1U 2 i 0 2 2 0 25 2 0 2 2 0 2 2 0 5 表 1 160Hz 时标准传感器校准不确定度 不确定度分量误差因素不确定度值 U1电压表 电荷放大器0 2 U2计数器0 02 U3条纹计数 N 0 02 U4失真度0 2 U5安装倾斜0 2 U6温度0 1 U7横向振动0 25 U8标准偏差0 1 2 2 2 比较校准法 比较校准法也叫相对校准法 是将被校准的传 感器与通过绝对法校准的标准传感器相比较得到被 校传感器的灵敏度和频率特性曲线 这种校准试验 具有速度快 操作方便等优点 是校准传感器最一般 的有效方法 使用相当普遍 其校准框图如图 1 5 所示 比较法校准时将标准传感器和被校传感器背靠 背地安装在振动台上 使它们同时承受相同的振动 位移 速度或加速度 精确地测量出被校传感器的 输出与被校传感器的输出量 从而便可由标准传感 104 器的灵敏度求出被校准传感器的灵敏度 其计算公 式如下 Sa KaSs Sv 2 fkvSs SD 2 f 2K DSs 其中 Ss 标准加速度传感器灵敏度 mV m s 2 或PC m s 2 Ka 被校加速度传感器输出与标准加速 度传感器输出之比 Kv被校速度传感器输出与标准加速度传 感器输出之比 KD 被校位移传感器输出与标准加速度 传感器输出之比 由于比较法只通过标准传感器记录输入量 而 不必像绝对法那样要用专门设备测量输入量 这使 得校准过程大为简化 校准速度也得到较大的提高 其校准精度决定于标准传感器的精度与性能 属于 二级精度 表 2是比较法校准误差分析 图 5 比较校准法方框图 表 2 比较法校准的被校加速度计灵敏度的误差分析 误差分量误差值 标准传感器灵敏度误差0 5 标准加速度计的稳定性0 5 标准加速度计频响的比较法校准 5 1000Hz1 1 1000 10000Hz2 1 相对运动 1000 10000Hz 1 0 失真0 2 电压比0 2 幅值线性 0 2 100g 0 2 标准放大器换档 1 10和 100g 伏量程 0 2 被校放大器换档0 2 放大器的相对频率响应0 1 放大器增益稳定性 电源电容等0 2 环境对加速度计的影响 横向灵敏度等0 5 环境对放大器的影响0 2 估计误差 100Hz 1 0 估计误差 5 1000Hz 1 5 估计误差 1000 10000Hz 2 5 从表 2 可以看出 相对法校准精度主要取决于 标准传感器的精度和各项性能指标 其校准误差可 以达2 5 甚至更高 2 2 3 互易法校准 互易法校准仅适用于能量型传感器的校准 如 压电式加速度计的校准 它是利用能量型传感器的 互易性来校准的 也是一种绝对校准方法 根据互易性原理 利用两个同类型的加速度计 进行如下三项试验 就可以确定这两个加速度计的 灵敏度 1 将两个加速度计固定在一起 并置于振动台 上承受相同的振动 分别测出两者各自的输出电量 值 2 将两个加速度计机械上互相连结在一起 其 中一个以角频率的正弦电流信号 使它起激振作用 用来激励另一个加速度计 这个加速度计将振动信 号检拾下来 3 在两个加速度计之间连接上质量为 m 的刚 体 m 至少是两个加速度计总质量的 4 5 倍 通 过上述三项试验 就可以同时求出这两个加速度计 的灵敏度 S1 u 1 1 u 1 2 jm I 3 1 u 3 2 I 2 1 u 2 2 S2 u 1 1 u 1 2 S1 式中 S 为灵敏度 u 为电压 I 为电流 字母右 下角数字 1 和 2 代表两个加速度计的编号 字母右 上角1 2和 3 代表上述第一项 第二项和第三项实 验 为第一项试验的振动角频率 也是第二试验 的电压的角频率 m 为第三项试验中所附加刚体的 质量 其中 j 1 互易法校准的校准精度一般可以达到 1 其 优点在于无须精确测量振动输出的机械量 在灵敏 度计算中只用到六个电参量的三个值 这样可以降 低对测量仪器的精度要求 105 表 3 互易校准误差分析 误差项目误差值 附加质量0 2 传递导纳截距0 2 电压比0 2 失真0 1 频率0 05 加速度计影响 横向灵敏度 温度等0 2 放大器影响 增益稳定性 电源电容等0 3 估算误差 0 5 通过对绝对法和相对法的误差分析可以看出 影响传感器校准精度主要是测量电压的精度 信号 失真等因素 绝对法校准精度可以达到 1 适合 于高精度传感器或精密传感器的校准 相对法虽然 校准精度较低于绝对法 一般可以达到 5 但是该 校准方法具有使用简便 所用设备少 且操作速度快 等优点 因此应用相当广泛 参考文献 1 丁康 离散频谱的幅值 相位和频率的新校正方法及误 差分析 J 动态分析与测试技术 1996 14 1 10 29 2 刘进明 应怀憔 FFT 谱连续细化分析的付立叶变换法 J 振动工程学报 1995 8 2 162 166 责任编辑 孙强 上接第 62页 化 让学生逐渐获得对英语文化的认 同 这样可以帮助学生渐渐消除对英语的疏远感 促进学生尽快进入英语世界 转换脑筋 用英语进行 思维 而且这种文化教学的导入要随着教学目的的 需要有计划地进行 使学生对英语文化的认识和体 会日益丰富和加深 从而有助于他们从深层次上理 解和把握语言 并且也增强了学生语言学习的兴趣 性和逻辑性 二 英语思维能力的培养和英语教学相结合 英汉思维差异在句法上的表现非常显著 如上 文所述 这一现象导致早已形成汉语思维定势的 中国学生在学习英语时常常顾此失彼 难以适应英 语句法的复杂变化 这就要求英语教师在教学中 要多层次 多侧面 多种方式地培养学生的语言实际 运用能力 把语法教学同培养学生的语言实际运用 能力结合起来 使学生通过对英语和汉语表达方式 的相互比较 了解英 汉民族思维的差异 并在英语 写作中有意识地对两种思维方式进行转换 而不是 让学生机械地学习和记忆英语词汇和语法条文 比 如可以通过大量的情景交际训练活动 使学生不自 觉地进入英语学习所需要的自然状态 养成较熟练 的英语思维习惯 从而使学习富有情趣 使学生乐于 学习 当学生的英语文化素养上升到思维严谨的高度 时 他们就不只是学习英语语言知识了 而是在真正 地学习英语语言了 四 结语 英汉思维的差异 使中国学生在英语写作中不 可避免地受到汉语思维的影响 针对汉语思维对英 语句法的负迁移 英语教师在英语写作教学中 不仅 要注重英汉句法的对比分析 而且要在语言教学中 适时适度地进行文化教学的导入 加强学生的英语 文化意识 进而提高学生的英语思维能力 写出地道 的英语文章来 母语在外语习得过程中有着相当复杂的作用 研究表明 二语习得者在学习的初级阶段趋向于依 赖母语规则 但随着学习的深入他们会越来越多地 运用二语规则 王文宇 1999 参考文献 1 Jin Hong Gang Topic prominence and subject prominence in L2 acquisition Evidence of En