本次主要介紹的一種自主研發(fā)的振動校準分析系統(tǒng)，可完成對加速度傳感器、振動速度傳感器以及智能壓力變送器的校準工作。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，針對測量疑難點進行了縝密的分析及改進，非常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確度，同時也能夠大幅降低勞動強度，提高智能壓力變送器的校準工作效率。
2 智能壓力變送器校準裝置原理
2.1 硬件基本結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)基本設(shè)計方案由標準加速度計、電荷放大器、激振器、功率放大器、激勵控制器（數(shù)據(jù)采集器）和計算機等組成。裝置的基本原理包括：以比較法進行檢定，將被檢傳感器與標準加速度計背靠背螺栓剛性連接，通過在計算機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，推動標準振動臺產(chǎn)生相應(yīng)幅值和頻率的振動 [1] 。臺面上安裝的標準加速度計監(jiān)測振動信號，經(jīng)過電荷放大器將電荷轉(zhuǎn)換成振動值，輸出至控制器，以深度負反饋放大電路實現(xiàn)振動量級和頻率的閉環(huán)控制[2] 。振動幅值穩(wěn)定后，被檢智能壓力變送器輸出值與標準加速度計輸出值經(jīng)計算機計算得出示值誤差。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)采用全自動校準，預(yù)先輸入標準加速度計、被校準傳感器參考靈敏度，校準點頻率、幅值等相關(guān)標準參數(shù)，采集標準加速度計測得的振動信號，通過計算機 PID 閉環(huán)控制激振器振幅、頻率，達到目標值范圍內(nèi)，保持動態(tài)平衡 [3] 。此時，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集器測得的被校準傳感器將輸出至中計算，得到幅值靈敏度、頻率響應(yīng)、幅值線性度等參數(shù)，非常后自動輸出報告。系統(tǒng)能自動存儲相關(guān)校準參數(shù)選項卡，根據(jù)儀表的出廠編號，下次校準時能直接調(diào)用，并能存儲單個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校準，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關(guān)鍵技術(shù)點進行闡述：
①智能壓力變送器靜態(tài)指標全自動快速校準；
②多支傳感器同時校準、多種安裝角度工況模擬、溫度工況模擬，全自動校準的實現(xiàn) [5] ；
③不同類型傳感器混合校準；
④降低標準加速度計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)指標全自動快速校準
全自動智能壓力變送器靜態(tài)校準裝置結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。計算機作為中央控制單元，將輸入的測量點信號輸出至驅(qū)動電機以控制其旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動電機帶動精密絲杠螺旋傳動副轉(zhuǎn)動，使得動光柵移動，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)動電機，以控制其減速和停止 [6] 。電壓信號在計算機中參與非常小二乘法如下：
計算得到零值誤差、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，點擊開始校準后，計算機控制驅(qū)動電機工作，使得測量盤靠近傳感器，接觸時，測桿輕微的機械變形會觸發(fā)壓電元件產(chǎn)生電信號，計算機監(jiān)測到此電信號，即停止測桿移動，測出傳感器的輸出信號，再與滿量程時傳感器的輸出信號（測量盤距離傳感器足夠遠時測得的電壓信號）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)性校準過程均為全自動模式。按照 JJG 644—2003《智能壓力變送器檢定規(guī)程》相關(guān)要求 [8] ，將公式寫入軟件計算，僅需安裝好傳感器，在計算機中輸入所需校準的項目和對應(yīng)的測量點，點擊開始按鈕后，計算機即可發(fā)出移動信號指令，控制驅(qū)動電機工作，帶動精密絲杠傳動副旋轉(zhuǎn)，通過光柵尺測得的位移量反饋至計算機軟件，進而控制驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速降低，目標值后停止轉(zhuǎn)動，采集位移傳感器輸出電壓值。非常后所得的所有數(shù)據(jù)在計算機軟件中自動計算并輸出報告。
整個過程自動化程度非常高，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數(shù)量級，能有效降低標準器及人為因素引入的測量不確定度。
3.2 不同類型、多支傳感器同時校準的實現(xiàn)
新型測試分析系統(tǒng)硬件示意圖如圖 4 所示，本設(shè)計方案所述的校準裝置包括頻率發(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、計算機、被校準位移傳感器、位移。
傳感器測量板面、被校加速度或速度傳感器、標準加速度傳感器、位移傳感器固定支架、校準振動臺、機柜，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調(diào)節(jié)振動臺角度，從水平至垂直任意方向模擬現(xiàn)場任意安裝角度。
當裝置開始工作時，頻率發(fā)生器產(chǎn)生一個正弦振動量經(jīng)過功率放大器將信號放大后傳遞到校準振動臺，使得校準振動臺按照設(shè)定的頻率和幅值沿著垂直方向振動。標準加速度傳感器內(nèi)置安裝在臺面的中心和周圍間隔 90度均布的四個位置，在臺面上對應(yīng)標準加速度計位置設(shè)置 5個傳感器安裝孔，
其中標準加速度傳感器中，僅中心位置的一支傳感器作為“監(jiān)測、控制、計算”傳感器，即在系統(tǒng)運行期間，該傳感器功能為：
①監(jiān)測校準振動臺振動幅值；
②到達設(shè)定點有效范圍內(nèi)時，以該傳感器輸出值為反饋，通過計算機控制振動臺振動幅值；
③與安裝在中心位置的被校準傳感器輸出信號進行計算。周圍均布的 4 支標準加速度傳感器只作為“監(jiān)測、計算”傳感器。
在智能壓力變送器校準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顯著，本文介紹的標準加速度傳感器分布、工作方式，由于每支被校準傳感器軸線均在標準傳感器軸線上，標準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臺臺面均勻度誤差引入的測量不確定度分量。
3.3 降低標準加速度計套組靈敏度誤差引入的不確定度分量
標準加速度計套組的靈敏度作為重要參數(shù)，直接決定了校準結(jié)果的準確度。國內(nèi)傳統(tǒng)的校準裝置中，將檢定證書提供的標準加速度計套組參考點靈敏度輸入計算機中，作為計算標準，進行參考靈敏度、頻率響應(yīng)、幅值線性度項目校準。顯然，標準加速度計也有頻率響應(yīng)誤差、幅值線性度誤差，在計算不確定度分量時，并沒有將檢定證書給出的各校準點靈敏度帶入計算式中，純以參考點靈敏度作為計算標準，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)計修正使之有效降低：預(yù)先在計算機中輸入檢定證書中給出的標準加速度計套組參考靈敏度、各頻率響應(yīng)校準點靈敏度、各幅值線性度校準點靈敏度。在校準過程中，以非常接近各校準點的靈敏度作為計算標準，帶入計算式中。該方法能夠獲得標準傳感器在非常接近每個測點的真實靈敏度，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比對
在線智能壓力變送器現(xiàn)場工作時，現(xiàn)場溫度與實驗室校準溫度差別較大，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，實現(xiàn)了振動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)計了儲存功能，對同一出廠編號的探頭進行數(shù)據(jù)跟蹤，可在下次校準時導(dǎo)出，進行振動探頭的誤差表現(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智能壓力變送器的方案，可以實現(xiàn)不同類型、多支傳感器同時校準，在相同工況下比對若干數(shù)量的被測智能壓力變送器。通過若干專利裝置能夠大幅提高校準效率、提高校準精度。該套系統(tǒng)功能覆蓋了大部分類型振動測量儀表的校準需求，應(yīng)用前景較為廣闊。
標明，上海自動化儀表文章均為原創(chuàng)，轉(zhuǎn)載請標明本文地址
