徐愛(ài)華,王健,許穎
(湖北省計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院,湖北武漢430223)
基樁動(dòng)測(cè)儀在工作中是利用傳感器連接在待測(cè)樁上,給樁頭一個(gè)激勵(lì)信號(hào),產(chǎn)生入射波及缺陷(包括樁底)的反射波,基樁動(dòng)測(cè)儀會(huì)顯示出采集的波形信號(hào),測(cè)樁人員根據(jù)波形特征對(duì)樁的特點(diǎn)缺陷進(jìn)行判定。日常校準(zhǔn)時(shí)通常使用比較法,用比較法中頻振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行,測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。
圖1 振動(dòng)比較法測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
傳感器與標(biāo)準(zhǔn)傳感器背靠背地安裝于標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)中心,基樁動(dòng)測(cè)儀進(jìn)行正確設(shè)置后,采集到信號(hào)波形,人工讀取動(dòng)測(cè)儀信號(hào)的幅值和頻率,判斷是否符合規(guī)程要求。
傳統(tǒng)校準(zhǔn)利用中頻振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置給出標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào),動(dòng)測(cè)儀采集到的是連續(xù)的正弦信號(hào),而現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)測(cè)儀測(cè)樁的過(guò)程中,采集到的是沖擊波形,實(shí)現(xiàn)了基樁動(dòng)測(cè)儀的自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)后,標(biāo)準(zhǔn)裝置既可以給出連續(xù)的正弦振動(dòng)又可以給出模擬現(xiàn)場(chǎng)測(cè)樁時(shí)的沖擊信號(hào)。
自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的主要框架就是以計(jì)算機(jī)為核心,利用數(shù)采設(shè)備(集成了信號(hào)發(fā)生器、多通道同步數(shù)據(jù)采集卡)、適調(diào)放大器、標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)和功率放大器搭建一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),計(jì)算機(jī)發(fā)出指令讓振動(dòng)臺(tái)起振,起振波形模擬基樁動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x實(shí)際測(cè)試時(shí)的振動(dòng)波形,標(biāo)準(zhǔn)傳感器檢測(cè)輸出振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)物理信息,計(jì)算機(jī)采集到標(biāo)準(zhǔn)傳感器的信號(hào),得到振動(dòng)臺(tái)的實(shí)時(shí)振動(dòng)狀態(tài)。同時(shí),基樁動(dòng)測(cè)儀進(jìn)行正確設(shè)置后,采集到信號(hào)波形,并輸入計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)對(duì)采集到的振動(dòng)波形與標(biāo)準(zhǔn)傳感器采集的波形進(jìn)行比較分析運(yùn)算,測(cè)得系統(tǒng)的靈敏度、頻率響應(yīng)、幅值非線性度、時(shí)間示值誤差、頻率示值誤差、系統(tǒng)噪聲電壓、通道一致性、通道干擾等指標(biāo),實(shí)現(xiàn)基樁動(dòng)測(cè)儀的自動(dòng)校準(zhǔn),校準(zhǔn)示意圖如圖2。
圖2 基樁動(dòng)測(cè)儀的自動(dòng)校準(zhǔn)示意圖
根據(jù)基樁動(dòng)測(cè)儀的校準(zhǔn)過(guò)程,標(biāo)準(zhǔn)裝置輸出正弦振動(dòng),標(biāo)準(zhǔn)加速度為(有效值)10.0 m/s2,被校基樁動(dòng)測(cè)儀的系統(tǒng)靈敏度為10.0mV/(m/s2),基樁動(dòng)測(cè)儀幅值相應(yīng)指示值為ax,被測(cè)幅值與各分量的函數(shù)關(guān)系為
式中:an為動(dòng)測(cè)儀應(yīng)輸出的標(biāo)準(zhǔn)值;ax為被校基樁動(dòng)測(cè)儀的幅值示值。式(1)中各分量互不相關(guān)。
檢定證書(shū)給出了傳感器套組的不確定度160 Hz時(shí),U=0.5%,k=2,通頻帶時(shí)U=1%,k=2,則
160 Hz時(shí),u11=0.5%/2×141.4=0.354(mV)
其余頻點(diǎn)時(shí),u12=1%/2×141.4=0.707(mV)
用B類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定。
上一級(jí)檢定給出的測(cè)量結(jié)果不確定度為U=0.1%,k=2,則
用A類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定。
由基樁動(dòng)測(cè)儀的非線性、零點(diǎn)漂移引起的誤差,可從重復(fù)性測(cè)量中的數(shù)據(jù),采用統(tǒng)計(jì)分析的方法,計(jì)算其實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差作為其標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量。
對(duì)被檢基樁動(dòng)測(cè)儀在其頻響范圍內(nèi)在全頻段選擇不少于7個(gè)頻率點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè),找出某一頻率點(diǎn)上其變化較大,對(duì)該頻率點(diǎn)進(jìn)行多次重復(fù)檢測(cè),得到一組數(shù)據(jù)如表1。
表1 單次測(cè)量數(shù)據(jù)
表2 測(cè)量平均值的不確定度
干擾噪聲會(huì)對(duì)振動(dòng)臺(tái)和信號(hào)采集的數(shù)值影響引入的誤差為±0.2%,認(rèn)為是均勻分布,故引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定分量為
標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)收到計(jì)算機(jī)給出的指令后,不會(huì)馬上產(chǎn)生純正正弦振動(dòng),存在諧波失真,加速度諧波失真度小于5%,均勻分布,因此標(biāo)準(zhǔn)不確定分量為
扭矩、電纜的固定以及剛性連接等安裝參數(shù)對(duì)輸出測(cè)量的影響而引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為
由此,得到其他影響量的不確定度
以上分析的各分量相互獨(dú)立,可計(jì)算出合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度,見(jiàn)表3。
根據(jù)JJG 930-1998《基樁動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x檢定規(guī)程》中頻率響應(yīng)特性的規(guī)定,通常在20~2000 Hz頻率范圍內(nèi)對(duì)基樁動(dòng)測(cè)儀頻率響應(yīng)特性進(jìn)行校準(zhǔn),其測(cè)量不確定度見(jiàn)表4。
表3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度
表4 頻響范圍內(nèi)的擴(kuò)展不確定度
在基樁動(dòng)測(cè)儀的檢定校準(zhǔn)中,傳統(tǒng)的手工校準(zhǔn)不能滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的工作需要,自動(dòng)化校準(zhǔn)代替手工校準(zhǔn)可減少計(jì)量人員的工作量,提高工作效率,測(cè)試自動(dòng)化已成必然趨勢(shì),建立基樁動(dòng)測(cè)儀自動(dòng)校準(zhǔn)裝置不僅可以校準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng),也可以校準(zhǔn)軟件分析系統(tǒng),為產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)?;鶚秳?dòng)測(cè)儀幅值不確定度的評(píng)定是對(duì)校準(zhǔn)值的補(bǔ)充,基樁動(dòng)測(cè)儀的頻響范圍內(nèi),給出不同誤差值,對(duì)用戶(hù)根據(jù)不同的檢測(cè)環(huán)境分析動(dòng)測(cè)儀的采樣值有現(xiàn)實(shí)意義。
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