比较法相位型振动校准系统的研究和实现

　　1　引　言

　　随着国民经济和科学技术的快速发展,在测试振动传感器幅频特性的同时,相频特性的测试已经显得越来越重要了。目前,ISO 16063-11“激光干涉绝对法振动校准”能够实现1 Hz~10 kHz宽频带范围内振动传感器相频特性的绝对测量。2003年3月,全国机械振动与冲击标准化技术委员会第三分委会(SAC/TC53/SC3),对ISO 16063-21(FDIS)“比较法振动校准”最终的审定稿投票并通过,该国际标准不久将颁布执行。在ISO 16063-21中,明确建议采用比较法测试振动传感器幅频特性的同时,需增加相频特性测试(20Hz~5 kHz),并给出系统实现的一种方案。而,ISO 16063-21并不排斥其它的实现方案,在满足精度要求的前提下,可以采用其它类型的两通道仪器配置来替代由电压表、相位计、选择开关及示波器、失真度仪等所组成的传统系统构架。作者将ISO 16063-11中描述的用于绝对法校准的正弦逼近算法应用于比较法的测量中,实现了1 Hz~10 kHz宽频带范围内振动传感器幅相特性的精确测量。系统采用双通道同步数据采集卡及高档微机的虚拟仪器架构,取代分离仪器组合成系统的传统实现方案,试验结果完全满足ISO1 6063-21(FDIS)对幅相校准用仪器要求的技术指标(电压幅值偏差小于0.1%、相位不确定度小于0.2°)及系统在不同频段的不确定度要求,并且在小相位差的测量上实现了小数点后第二位无误差、与相位标准同等级的精确测量。

　　2　比较法振动幅相特性测量原理

　　在比较法振动幅相特性测量系统中,信号源产生一定频率的标准正弦激励信号,经功率放大器放大后推动振动台运动。参考加速度计和被校加速度计以背靠背的方式安装在振动台上,两路信号经前置放大器放大后由选择开关分别连接电压表、相位计、示波器及失真度仪。在选定校准频率及加速度下,由数字电压表读出参考传感器和被校传感器的电压幅值,相位计读出两个传感器的相位差[1]。被校加速度传感器的灵敏度幅值S2及相位移φ2的计算公式如下:

　　其中,S1和φ1为参考加速度传感器加速度复合灵敏度的幅值和相位移,一般由绝对校准法标定;X1和X2分别为参考传感器及被校传感器的电压幅值;φ2,1为两个传感器输出之间的相位差。由此,可进一步计算出速度复合灵敏度Sv、φv及位移复合灵敏度Ss、φs的幅值和相位移:

　　其中,f为振动频率;Sa和φa分别为被校传感器的加速度复合灵敏度幅值和相位移。

　　3　基于虚拟仪器技术的比较法振动幅相特性测量系统

　　3·1　系统组成

　　图1所示为基于虚拟仪器技术的比较法振动幅相特性测量系统的实现方案。计算机通过GPIB卡控制信号源产生一定频率的标准正弦激励信号,经功率放大器放大后推动振动台运动。参考加速度计和被校加速度计输出的两路包含幅相信息的信号经前置放大器放大后,由高速同步数据采集卡完成信号同步采集并输入计算机,供软件进行数据处理。软件通过数学解算得出参考加速度计和被校加速度计的幅值和初相位,从而得到给定频率下的被校加速度计幅值灵敏度和相位移。