振動(dòng)傳感器隨機(jī)校準(zhǔn)方法和正弦校準(zhǔn)方法的比較

付茂岳，郭 凱

（北京東方計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100029）

0 引言

振動(dòng)傳感器的校準(zhǔn)方法分為絕對(duì)法和相對(duì)法[1-2]，絕對(duì)法主要應(yīng)用于量值傳遞和少數(shù)對(duì)精度要求較高的計(jì)量機(jī)構(gòu)。在日常的校準(zhǔn)工作中，相對(duì)校準(zhǔn)方法的應(yīng)用是比較廣泛的；其中隨機(jī)校準(zhǔn)方法和正弦校準(zhǔn)方法是應(yīng)用比較多的兩種方法，而前者較后者為新。目前，一些比較權(quán)威的計(jì)量機(jī)構(gòu)和軍工實(shí)驗(yàn)室在校準(zhǔn)振動(dòng)傳感器時(shí)都采用這兩種校準(zhǔn)方法，而在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較為廣泛的則是相對(duì)傳統(tǒng)的正弦校準(zhǔn)方法。

正弦校準(zhǔn)方法是在同一時(shí)間內(nèi)獲得某一固定頻率點(diǎn)上的靈敏度值，然后把這些單點(diǎn)的靈敏度值連接成靈敏度曲線；而隨機(jī)校準(zhǔn)方法是同時(shí)在整個(gè)頻段范圍上進(jìn)行校準(zhǔn)，通過(guò)多次平均的方法得到整個(gè)頻段范圍上振動(dòng)傳感器的靈敏度值。

1 本實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)傳感器校準(zhǔn)設(shè)備及相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)

本實(shí)驗(yàn)室在實(shí)現(xiàn)振動(dòng)、沖擊等參數(shù)的校準(zhǔn)方面有著先進(jìn)的技術(shù)手段。現(xiàn)有SPEKTRA振動(dòng)傳感器校準(zhǔn)設(shè)備一套，包括能夠校準(zhǔn)超低頻設(shè)備的低頻校準(zhǔn)系統(tǒng)CS18 VLF（如圖1所示），該系統(tǒng)能夠覆蓋的頻率范圍為0.2～200 Hz：當(dāng)頻率低于63 Hz時(shí)，示值重復(fù)性誤差小于±0.1%；當(dāng)頻率高于63 Hz時(shí)，示值重復(fù)性誤差小于±0.5%。還包括能夠校準(zhǔn)高頻設(shè)備的高頻校準(zhǔn)系統(tǒng)CS18 HF（如圖2所示），該系統(tǒng)能夠覆蓋的頻率范圍為5Hz～20 kHz：當(dāng)頻率低于5kHz時(shí)，示值重復(fù)性誤差小于±0.1%；當(dāng)頻率高于5Hz時(shí)，示值重復(fù)性誤差小于±0.5%。

圖1 CS18 VLF振動(dòng)臺(tái)Fig.1 CS18 VLF shaking table

圖2 CS18 HF振動(dòng)臺(tái)Fig.2 CS18 HF shaking table

2 正弦校準(zhǔn)方法和隨機(jī)校準(zhǔn)方法的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)比較

首先，對(duì)某批可能存在問(wèn)題的傳感器之一（傳感器a）進(jìn)行正弦校準(zhǔn)[3-4]，在5Hz～10 kHz的頻段范圍內(nèi)取54個(gè)頻率點(diǎn)，得到靈敏度曲線，如圖3所示。然后，用隨機(jī)校準(zhǔn)方法校準(zhǔn)[3-5]傳感器a，得到靈敏度曲線（如圖4所示）。本實(shí)驗(yàn)室隨機(jī)校準(zhǔn)方法校準(zhǔn)的頻帶范圍為16 Hz～5kHz，共4985個(gè)頻率點(diǎn)，頻率分辨率為1 Hz。再分別用正弦校準(zhǔn)方法和隨機(jī)校準(zhǔn)方法對(duì)傳感器b進(jìn)行校準(zhǔn)，得到正弦校準(zhǔn)靈敏度曲線和隨機(jī)校準(zhǔn)靈敏度曲線（如圖5、圖6所示）。因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)室隨機(jī)校準(zhǔn)方法的最低頻率點(diǎn)是16 Hz，所以把該次正弦校準(zhǔn)的頻率下限設(shè)置為16 Hz，以便更好地進(jìn)行比較。

圖4 傳感器a的隨機(jī)校準(zhǔn)靈敏度曲線Fig.4 Random calibration sensitivity curve for vibration sensor a

圖6 傳感器b的隨機(jī)校準(zhǔn)靈敏度曲線Fig.6 Random calibration sensitivity curve for vibration sensor b

如圖3所示，傳感器a靈敏度曲線正常。按照試驗(yàn)數(shù)據(jù)，該傳感器靈敏度誤差在±5%以內(nèi)的頻帶范圍約為5Hz～5.5kHz。但是，從圖4中可以看到該傳感器存在嚴(yán)重問(wèn)題，應(yīng)該立即停止使用。

如圖5所示，傳感器b的靈敏度曲線基本正常。按照試驗(yàn)數(shù)據(jù)，該傳感器靈敏度誤差不超過(guò)±5%的頻帶范圍約為16 Hz～5.5kHz。但是，從圖6中可以看到傳感器b的靈敏度曲線存在波動(dòng)，即傳感器b存在問(wèn)題。

分析圖3～圖6可知，在振動(dòng)傳感器的校準(zhǔn)中，隨機(jī)校準(zhǔn)方法發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的能力要優(yōu)于正弦校準(zhǔn)方法。

對(duì)上述兩個(gè)傳感器進(jìn)行正弦校準(zhǔn)時(shí)，取50個(gè)點(diǎn)左右進(jìn)行單點(diǎn)校準(zhǔn)，單個(gè)傳感器的校準(zhǔn)時(shí)間約在5min左右；而進(jìn)行隨機(jī)校準(zhǔn)時(shí)，設(shè)置平均次數(shù)為30次，校準(zhǔn)頻率點(diǎn)個(gè)數(shù)5000左右，頻率分辨率為1 Hz，單個(gè)傳感器的校準(zhǔn)時(shí)間約在4.5min左右，所需時(shí)間大致相當(dāng)。

在對(duì)圖6和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的觀察、分析中，可以發(fā)現(xiàn)傳感器b的靈敏度曲線在2.5kHz以上存在波動(dòng)，這些波動(dòng)在圖5中沒(méi)有得到特別清晰的體現(xiàn)。在進(jìn)行正弦校準(zhǔn)時(shí)，所選頻率單點(diǎn)的跨度是比較大的，那么是否因?yàn)樗x頻率單點(diǎn)跨度較大而略過(guò)了這些波動(dòng)呢？下面，通過(guò)在某一固定頻段范圍內(nèi)多取頻率點(diǎn)的方法來(lái)探討這個(gè)問(wèn)題。

對(duì)傳感器b重新進(jìn)行正弦校準(zhǔn)試驗(yàn)，在2.5～3.5kHz之間取90個(gè)點(diǎn)，通過(guò)多取頻率點(diǎn)減少單點(diǎn)跨度的方式重新進(jìn)行試驗(yàn)，得到靈敏度曲線如圖7所示。

如圖7所示，經(jīng)過(guò)增加正弦校準(zhǔn)的被校頻率點(diǎn)數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)該傳感器在某個(gè)頻段范圍內(nèi)靈敏度存在大的波動(dòng)，確實(shí)存在嚴(yán)重問(wèn)題，應(yīng)該立即停止使用。

圖7 傳感器b的正弦校準(zhǔn)靈敏度曲線（增加頻率點(diǎn)）Fig.7 Sine calibration sensitivity curve of vibration sensor b(by adding more points)

在3200～3220 Hz頻段范圍內(nèi)針對(duì)傳感器b進(jìn)行的隨機(jī)校準(zhǔn)結(jié)果和正弦校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示。

表1 傳感器b的正弦校準(zhǔn)結(jié)果和隨機(jī)校準(zhǔn)結(jié)果的比較Table 1 Comparison between sine calibration and random calibration of sensor b

考慮到振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的不確定度和兩種方法準(zhǔn)確度的差異，可以認(rèn)為針對(duì)傳感器b的隨機(jī)校準(zhǔn)結(jié)果和正弦校準(zhǔn)結(jié)果是吻合的。但是這種增加被校點(diǎn)數(shù)的正弦校準(zhǔn)方法需要花費(fèi)大量的時(shí)間。本實(shí)驗(yàn)室通過(guò)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，取150個(gè)被校點(diǎn)需要耗時(shí)15min左右，而且在這150個(gè)被校點(diǎn)中，至少要有100個(gè)集中在可能出現(xiàn)問(wèn)題的頻率范圍內(nèi)，才能較為準(zhǔn)確地反映傳感器存在的問(wèn)題。也就是說(shuō)，必須要對(duì)傳感器出現(xiàn)問(wèn)題的頻率范圍進(jìn)行預(yù)判，然后在該范圍內(nèi)選擇大量的被校點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)。如果無(wú)法預(yù)判該頻率范圍，那么只能在5Hz～20 kHz內(nèi)選擇足夠數(shù)量的頻率點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)，因此在批量校準(zhǔn)傳感器時(shí)單獨(dú)使用此方法顯然不具備很好的可操作性。而利用隨機(jī)校準(zhǔn)方法在同樣的時(shí)間內(nèi)，得出的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)比正弦校準(zhǔn)方法的數(shù)據(jù)點(diǎn)多，即頻率分辨率高，從而能夠發(fā)現(xiàn)被校傳感器出現(xiàn)問(wèn)題的頻段。

依據(jù)上述分析，在這里提出一個(gè)相對(duì)可行、穩(wěn)妥的校準(zhǔn)方法，即：利用隨機(jī)校準(zhǔn)方法在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的能力上要優(yōu)于正弦校準(zhǔn)方法（隨機(jī)校準(zhǔn)方法是在整個(gè)頻段范圍內(nèi)同時(shí)對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)人員可以逐點(diǎn)了解傳感器的靈敏度值），對(duì)未知傳感器先用隨機(jī)校準(zhǔn)方法進(jìn)行校準(zhǔn)；如發(fā)現(xiàn)該傳感器可能存在問(wèn)題，則可以利用正弦校準(zhǔn)方法準(zhǔn)確度較高的優(yōu)勢(shì)，在隨機(jī)校準(zhǔn)方法發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的頻段范圍內(nèi)多設(shè)頻率點(diǎn)進(jìn)行正弦校準(zhǔn)，從而進(jìn)一步詳細(xì)了解問(wèn)題所在并對(duì)隨機(jī)校準(zhǔn)的結(jié)果作出驗(yàn)證。

3 結(jié)論

對(duì)振動(dòng)傳感器來(lái)說(shuō)，隨機(jī)校準(zhǔn)方法無(wú)論從發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的能力、便利程度以及可操作性方面都優(yōu)于傳統(tǒng)的正弦校準(zhǔn)方法，這也是目前國(guó)際上眾多權(quán)威計(jì)量機(jī)構(gòu)使用隨機(jī)校準(zhǔn)方法的原因。而鑒于正弦校準(zhǔn)方法在準(zhǔn)確度方面的優(yōu)勢(shì)，作者提倡校準(zhǔn)振動(dòng)傳感器時(shí)首先運(yùn)用隨機(jī)校準(zhǔn)方法進(jìn)行校準(zhǔn)，判斷傳感器有無(wú)問(wèn)題；如果存在問(wèn)題，再利用正弦校準(zhǔn)方法作進(jìn)一步的驗(yàn)證。

在此，建議計(jì)量機(jī)構(gòu)和重要試驗(yàn)室在條件允許的情況下，在校準(zhǔn)振動(dòng)傳感器時(shí)將隨機(jī)校準(zhǔn)方法和正弦校準(zhǔn)方法相結(jié)合，從而保證校準(zhǔn)的有效性。

（References）

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