1 引言

本文介紹的一種自主研發(fā)的振動(dòng)校準(zhǔn)分析系統(tǒng)，可完成對加速度傳感器、振動(dòng)速度傳感器以及智能壓力變送器的校準(zhǔn)工作。隨著該測試系統(tǒng)的持續(xù)研究調(diào)試，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，針對測量疑難點(diǎn)進(jìn)行了縝密的分析及改進(jìn)，#終形成了一套可行的研究方案。該方案能夠有效提高測量準(zhǔn)確度，同時(shí)也能夠大幅降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高智能壓力變送器的校準(zhǔn)工作效率。

2 智能壓力變送器校準(zhǔn)裝置原理

2.1 硬件基本結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)方案由標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)、電荷放大器、激振器、功率放大器、激勵(lì)控制器（數(shù)據(jù)采集器）和計(jì)算機(jī)等組成。裝置的基本原理包括：以比較法進(jìn)行檢定，將被檢傳感器與標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)背靠背螺栓剛性連接，通過在計(jì)算機(jī)控制軟件輸入所需幅值和頻率的參數(shù)，控制器產(chǎn)生相應(yīng)的信號，功率放大器接收信號指令，推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺產(chǎn)生相應(yīng)幅值和頻率的振動(dòng) [1] 。臺面上安裝的標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)監(jiān)測振動(dòng)信號，經(jīng)過電荷放大器將電荷轉(zhuǎn)換成振動(dòng)值，輸出至控制器，以深度負(fù)反饋放大電路實(shí)現(xiàn)振動(dòng)量級和頻率的閉環(huán)控制[2] 。振動(dòng)幅值穩(wěn)定后，被檢智能壓力變送器輸出值與標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)輸出值經(jīng)計(jì)算機(jī)計(jì)算得出示值誤差。原理如圖 1 所示。

2.2 軟件整體邏輯

為提高整體工作效率，降低人為誤差，本系統(tǒng)采用全自動(dòng)校準(zhǔn)，預(yù)先輸入標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)、被校準(zhǔn)傳感器參考靈敏度，校準(zhǔn)點(diǎn)頻率、幅值等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，采集標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)測得的振動(dòng)信號，通過計(jì)算機(jī) PID 閉環(huán)控制激振器振幅、頻率，達(dá)到目標(biāo)值范圍內(nèi)，保持動(dòng)態(tài)平衡 [3] 。此時(shí)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集器測得的被校準(zhǔn)傳感器將輸出至中計(jì)算，得到幅值靈敏度、頻率響應(yīng)、幅值線性度等參數(shù)，#后自動(dòng)輸出報(bào)告。系統(tǒng)能自動(dòng)存儲相關(guān)校準(zhǔn)參數(shù)選項(xiàng)卡，根據(jù)儀表的出廠編號，下次校準(zhǔn)時(shí)能直接調(diào)用，并能存儲單個(gè)傳感器的測量誤差趨勢，以方便鑒別潛在不合格的測量傳感器 [4] 。

3 關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

上述基本方案能夠?qū)崿F(xiàn)加速度傳感器、磁電式速度傳感器全自動(dòng)校準(zhǔn)，很大程度上提高了工作效率，針對引言中提出的需求，本文將從研究方案中以下四個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行闡述：

①智能壓力變送器靜態(tài)指標(biāo)全自動(dòng)快速校準(zhǔn)；

②多支傳感器同時(shí)校準(zhǔn)、多種安裝角度工況模擬、溫度工況模擬，全自動(dòng)校準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn) [5] ；

③不同類型傳感器混合校準(zhǔn)；

④降低標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)套組靈敏度誤差引入的不確定度分量，提高系統(tǒng)測量精度。

3.1 智能壓力變送器靜態(tài)指標(biāo)全自動(dòng)快速校準(zhǔn)

全自動(dòng)智能壓力變送器靜態(tài)校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。計(jì)算機(jī)作為中央控制單元，將輸入的測量點(diǎn)信號輸出至驅(qū)動(dòng)電機(jī)以控制其旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)精密絲杠螺旋傳動(dòng)副轉(zhuǎn)動(dòng)，使得動(dòng)光柵移動(dòng)，從而得到光柵位移信號。存儲數(shù)據(jù)采集器采集的被校準(zhǔn)傳感器電壓信號、光柵位移信號和壓電傳感器接觸信號，將位移信號和壓電傳感器接觸信號反饋給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，以控制其減速和停止 [6] 。電壓信號在計(jì)算機(jī)中參與#小二乘法計(jì)算得到零值誤差、傳感器靈敏度、重復(fù)性、線性度和回程誤差。

被檢傳感器安裝在夾持架上，點(diǎn)擊開始校準(zhǔn)后，計(jì)算機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，使得測量盤靠近傳感器，接觸時(shí)，測桿輕微的機(jī)械變形會觸發(fā)壓電元件產(chǎn)生電信號，計(jì)算機(jī)監(jiān)測到此電信號，即停止測桿移動(dòng)，測出傳感器的輸出信號，再與滿量程時(shí)傳感器的輸出信號（測量盤距離傳感器足夠遠(yuǎn)時(shí)測得的電壓信號）之比，即為傳感器的零值誤差 [7] 。

零值誤差、靜態(tài)靈敏度、靜態(tài)幅值線性度、回程誤差、幅值重復(fù)性校準(zhǔn)過程均為全自動(dòng)模式。按照 JJG 644—2003《智能壓力變送器檢定規(guī)程》相關(guān)要求 [8] ，將公式寫入軟件計(jì)算，僅需安裝好傳感器，在計(jì)算機(jī)中輸入所需校準(zhǔn)的項(xiàng)目和對應(yīng)的測量點(diǎn)，點(diǎn)擊開始按鈕后，計(jì)算機(jī)即可發(fā)出移動(dòng)信號指令，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，帶動(dòng)精密絲杠傳動(dòng)副旋轉(zhuǎn)，通過光柵尺測得的位移量反饋至計(jì)算機(jī)軟件，進(jìn)而控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，目標(biāo)值后停止轉(zhuǎn)動(dòng)，采集位移傳感器輸出電壓值。#后所得的所有數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)軟件中自動(dòng)計(jì)算并輸出報(bào)告。

整個(gè)過程自動(dòng)化程度非常高，且采用的光柵位移測量裝置精度較傳統(tǒng)的千分尺精度高出幾個(gè)數(shù)量級，能有效降低標(biāo)準(zhǔn)器及人為因素引入的測量不確定度。

3.2 不同類型、多支傳感器同時(shí)校準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)

新型測試分析系統(tǒng)硬件示意圖如圖 4 所示，本設(shè)計(jì)方案所述的校準(zhǔn)裝置包括頻率發(fā)生器、功率放大器、多通道電荷放大器、多通道數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)、被校準(zhǔn)位移傳感器、位移傳感器測量板面、被校加速度或速度傳感器、標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器、位移傳感器固定支架、校準(zhǔn)振動(dòng)臺、機(jī)柜，此外還包括外置的恒溫恒濕箱。本裝置還可通過傾角傳感器及控制器自動(dòng)調(diào)節(jié)振動(dòng)臺角度，從水平至垂直任意方向模擬現(xiàn)場任意安裝角度。

當(dāng)裝置開始工作時(shí)，頻率發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)正弦振動(dòng)量經(jīng)過功率放大器將信號放大后傳遞到校準(zhǔn)振動(dòng)臺，使得校準(zhǔn)振動(dòng)臺按照設(shè)定的頻率和幅值沿著垂直方向振動(dòng)。標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器內(nèi)置安裝在臺面的中心和周圍間隔 90度均布的四個(gè)位置，在臺面上對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)位置設(shè)置 5個(gè)傳感器安裝孔，在 4 個(gè) 90 度傳感器安裝孔間隔 45 度方向設(shè)置 4 個(gè)位移測量板面安裝孔。

將被校準(zhǔn)的速度或加速度傳感器安裝在臺面的 5 個(gè)安裝孔，安裝好位移傳感器測量板面，并將位移傳感器安裝在專用固定臺架上。標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器輸入端與多通道電荷放大器連接使得信號放大后再連接到多通道數(shù)據(jù)采集器的地衣至五通道。被校速度或加速度傳感器輸出端與多通道數(shù)據(jù)采集器的第六至十通道連接。將采集到的標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器和被校速度或加速度傳感器電壓信號在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行對比分析和顯示，以得到被速度或校加速度傳感器的靈敏度、頻響曲線和幅值線性度，完成多個(gè)速度或加速度傳感器靈敏度的校準(zhǔn)。

被校準(zhǔn)位移傳感器的輸出端與數(shù)據(jù)采集器的第十一至十五通道連接，數(shù)據(jù)采采集器對被校準(zhǔn)位移傳感器檢測的輸出信號進(jìn)行采集，計(jì)算機(jī)將輸出電信號轉(zhuǎn)化成位移信號，通過計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算，得到被校準(zhǔn)位移傳感器的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)數(shù)據(jù)。

其中標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器中，僅中心位置的一支傳感器作為“監(jiān)測、控制、計(jì)算”傳感器，即在系統(tǒng)運(yùn)行期間，該傳感器功能為：

①監(jiān)測校準(zhǔn)振動(dòng)臺振動(dòng)幅值；

②到達(dá)設(shè)定點(diǎn)有效范圍內(nèi)時(shí)，以該傳感器輸出值為反饋，通過計(jì)算機(jī)控制振動(dòng)臺振動(dòng)幅值；

③與安裝在中心位置的被校準(zhǔn)傳感器輸出信號進(jìn)行計(jì)算。周圍均布的 4 支標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器只作為“監(jiān)測、計(jì)算”傳感器。

在智能壓力變送器校準(zhǔn)測量不確定度分量中，臺面均勻度誤差引入的不確定度分量貢獻(xiàn)顯著，本文介紹的標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器分布、工作方式，由于每支被校準(zhǔn)傳感器軸線均在標(biāo)準(zhǔn)傳感器軸線上，標(biāo)準(zhǔn)傳感器與被測傳感器均為背靠背連接方式，能夠得到有效監(jiān)測，所以能夠有效消除振動(dòng)臺臺面均勻度誤差引入的測量不確定度分量。

3.3 降低標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)套組靈敏度誤差引入的不確定度分量

標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)套組的靈敏度作為重要參數(shù)，直接決定了校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確度。國內(nèi)傳統(tǒng)的校準(zhǔn)裝置中，將檢定證書提供的標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)套組參考點(diǎn)靈敏度輸入計(jì)算機(jī)中，作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行參考靈敏度、頻率響應(yīng)、幅值線性度項(xiàng)目校準(zhǔn)。顯然，標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)也有頻率響應(yīng)誤差、幅值線性度誤差，在計(jì)算不確定度分量時(shí)，并沒有將檢定證書給出的各校準(zhǔn)點(diǎn)靈敏度帶入計(jì)算式中，純以參考點(diǎn)靈敏度作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，因此，在測量結(jié)果中會引入靈敏度誤差。

本方案中，該誤差通過 C++軟件設(shè)計(jì)修正使之有效降低：預(yù)先在計(jì)算機(jī)中輸入檢定證書中給出的標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)套組參考靈敏度、各頻率響應(yīng)校準(zhǔn)點(diǎn)靈敏度、各幅值線性度校準(zhǔn)點(diǎn)靈敏度。在校準(zhǔn)過程中，以#接近各校準(zhǔn)點(diǎn)的靈敏度作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，帶入計(jì)算式中。該方法能夠獲得標(biāo)準(zhǔn)傳感器在#接近每個(gè)測點(diǎn)的真實(shí)靈敏度，從而降低由其引入的不確定度分量。

3.4 不同工況下傳感器的校準(zhǔn)比對

在線智能壓力變送器現(xiàn)場工作時(shí)，現(xiàn)場溫度與實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)溫度差別較大，通過上述外置恒溫恒濕箱，可分析傳感器在不同溫濕度情況下的幅值線性及頻率響應(yīng)特性。通過內(nèi)置的傾角傳感器，實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)臺面傾斜角度的自由控制，適用于現(xiàn)場不同安裝形式的各類傳感器，如 GME 軸振瓦振探頭。此外，該套系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)了儲存功能，對同一出廠編號的探頭進(jìn)行數(shù)據(jù)跟蹤，可在下次校準(zhǔn)時(shí)導(dǎo)出，進(jìn)行振動(dòng)探頭的誤差表現(xiàn)跟蹤，便于鑒別潛在不合格的智能壓力變送器。

4 結(jié)語

本文所述的比較法全自動(dòng)智能壓力變送器的方案，可以實(shí)現(xiàn)不同類型、多支傳感器同時(shí)校準(zhǔn)，在相同工況下比對若干數(shù)量的被測智能壓力變送器。通過若干轉(zhuǎn)li裝置能夠大幅提高校準(zhǔn)效率、提高校準(zhǔn)精度。該套系統(tǒng)功能覆蓋了大部分類型振動(dòng)測量儀表的校準(zhǔn)需求，應(yīng)用前景較為廣闊。