测试仪器及其系统的标定

9.3　测试仪器及其系统的标定

闸门动力测试系统中各种仪器设备的性能参数对实验结果的可靠性及精度具有很重要的意义。在仪器出厂前，生产厂家对各种仪器的性能指标参数进行过校准测试。为了确保实验的质量，需要对新买回的或用了较长时间的实验仪器设备的主要性能参数进行定期标定或检验。

9.3.1　仪器、系统标定的种类

实验仪器的标定一般可分为分部标定和系统标定两种。

9.3.2　分部标定

所谓分部标定就是分别对实验系统中的传感器、放大器、记录仪等进行各种性能参数的标定。

9.3.2.1　压电式加速度计的标定

例如某测试系统包括YD-1型压电式加速度计、3109电荷放大器以及JH-2磁带记录仪。在测试前需对YD-1加速度计的电荷灵敏度予以标定。

标定系统所用的仪器有JX-1(振动台)加速度校准仪、3109电荷放大器以及交流电压表，如图9-1所示。

JX-1加速度校准仪实际上是一台标准振动台，它能产生1g的谐振动。YD-1加速度计拾振后，将该振动信号输入3109电荷放大器的任一通道的INPUT插孔，并将OUTV/g输出旋钮置于第三挡位置，面板上指示“100”，再将OUTPUT1(输出1)与交流电压表的输入连接。然后，调整多圈电位器的指示度盘，使其电压表的峰值读数为1伏，这时多圈电位器指示度盘上的读数就是压电加速度计的电荷灵敏度。依次可对各通道进行标定。

图9-1　电压传感器的标定系统

例如，这时小窗口中出现4，圆盘刻度指示15，根据面板指示值的倍乘系数为0.01，即可判断本传感器的灵敏度范围为10～100，故该加速度计的电荷灵敏度为41.5pC/g。

9.3.2.2　动态应变仪的标定

例如某测试系统包括应变计式传感器(含应变片)、动态电阻应变仪及磁带记录仪(或光线示波仪)等。在测试前需对动态电阻应变仪的各项技术指标予以校验。

1.振幅特性误差的标定

振幅特性误差表征在最大输出范围内输出电流与输入应变之间偏离线性关系的程度。

标定系统所用的仪器有标准应变模拟仪、动态应变仪和标准电流表，如图9-2所示。

图9-2　动态应变仪振幅特性误差标定系统

在标定系统上将最大线性输出电流A _max所对应的应变分为5等份，然后模拟仪以5等份逐级给出标准应变ε_n(n= 1，2，…，5)，并读取相应的输出电流值A_n，则其振幅特性误差δ_z为:

将测出误差中的最大值定为应变仪的振幅特性误差，并在标准应变为正或负的两个方向进行标定。当测量出来的振动特性误差为δ_z≤±0.5%、±1.0%及5.0%时，就分别定为A级、B级和C级动态电阻应变仪。

2.频率响应误差的标定

频率响应误差是指电阻应变仪在工作频率范围内输入动应变信号的振幅一定，而频率不同时输出端输出电流振幅数值的差异。

标定系统所用的仪器有振荡器、数字表、动态特性校验仪、动态应变仪、负载电阻及失真仪等，如图9-3所示。

图9-3　动态应变仪频率特性误差标定系统

在标定系统中用振荡器输入给动态特性校验仪固定幅值的电压信号，波形的失真由失真度仪测量，原则上不得大于(含等于)1%。然后在应变仪工作频率范围内改变振荡器的输出频率，从20Hz直到工作频率的上限，用数字表I观察使振荡器的输出恒等，用数字表Ⅱ读取不同频率时应变仪的输出电压，测量点10个左右，频率响应误差δ_p为:

式中:U_f1为频率20Hz时的输出电压;U_fx为各频率测量点的输出电压。

3.稳定度标定

稳定度包括静态稳定度(零漂)与动态稳定度(动漂或称灵敏度变化)。动态稳定度的标定系统如图9-2所示。其标定方法是，将仪器预热，用标准应变模拟仪给出一定数值的标准应变，使应变仪得到最大线性输出，并记录这时应变仪的输出电流，在4小时内每隔半小时读取输出电流一次，然后按下式计算:

式中:A_m为多次观测中出现的电流读数最大值，应从中扣除零偏值。

A₁为第一次观测的电流读数。

4.标定误差的标定

标定误差是指标定装置所给出的标准应变值存在的误差。

标定系统如图9-4所示。

图9-4　标定误差的标定系统图

在标定系统中，由标准应变模拟仪给出各标定挡的正负应变值，从指示仪表读取读数，再由标定旋钮给出应变并记下读数，两者加以比较，标定误差n_mn≤±0.5%，≤±1.0%，≤±5.0%时，分别定为A级、B级、C级动态应变仪。

式中:A_mn、a_mn分别为标准应变模拟仪输入时的读数、零读数;

B_mn、b_mn分别为仪器内标定旋钮给出应变时的读数、零读数。

9.3.3　测试系统的标定

将所用的传感器、放大器和记录仪组成的测试系统进行全系统的联机标定，得到输入的量与输出的记录量之间的定量关系。这个关系是属于整个测试系统的。在闸门动测中，常遇到非动应变测试与动应变测试两种测试方法。因此，两种系统的标定方法也不同，在此分别介绍。

9.3.3.1　在非动应变动力测试系统中的标定

在钢闸门非动应变动力测试中，如果要对该系统进行标定，常用的标定方法是在标准振动台(JX-1)上进行。测试系统标定装置示意图如图9-5所示。

标定的目的是检查传感器的非线性、灵敏度及频率响应等情况，判断其是否满足试验精度要求。

图9-5　测试系统标定装置示意图

标定的主要内容有频率响应，灵敏度及线性度等。下面分别介绍。

1.频率响应的标定

频率响应标定包括幅频特性和相频特性两种。其中幅频特性标定较多。幅频特性标定是检验闸门动力测试系统所测量的振动量随频率变化的关系，它可决定测试仪器系统的工作频率范围。标定的方法是固定振动台本身的振动量幅值(如位移或加速度)，改变振动台的振动频率，在测试仪器中读出各频率对应的振动输出量幅值，就可以得到系统的振动幅值随频率变化的关系。以标定的频率作为横坐标，以测得的系统振动量幅值为纵坐标，便得到系统幅频特性曲线图，如图9-6所示。

图中特性曲线的平直区即为动力测试系统的使用频率范围。幅频特性曲线的纵坐标也可用无量纲相对比值β表示，即把测的振动量幅值除以振动台的标准振动量幅值。用β表示纵坐标所得的幅频特性曲线的适应性比较广泛，并且在曲线上能直接看出误差。如β= 1.04，其误差即为+ 4%，如β= 0.98，则误差为－2%。

图9-6　系统幅频特性标定曲线图

2.灵敏度的标定

闸门动力测试系统的灵敏度是指仪器的输出信号(电压、电荷、电感等)与相应的输入信号(位移、速度、加速度)之比。

标定时可在被标定的闸门动力测试系统频率响应曲线的平直区内任选一频率为标定频率，使振动台在该频率下按已知振动量(如位移d、速度v、加速度a)振动。若用光线示波仪记录，则其记录下来的幅值即为表征动力测试系统的灵敏度。例如:

位移灵敏度　　　　S_d= A/d(mm/mm);

速度灵敏度　　　　S_v= A/v(mm/(cm·s^－1));

加速度灵敏度　　　S_a= A/a(mm/(m·s^－2))。

式中:A为光线示波仪记录波形的峰值;d、v、a分别为振动台输入的位移、速度、加速度量值。有时也可用输出信号的电压值来表征其灵敏度，电压值通常以毫伏计，如mV/mm、mV/(cm·s^－1)、mV/(m·s^－2)。

3.线性度的标定

闸门动力测试系统的线性标定是表示系统的灵敏度随输入振动量大小而变化的关系。线性度标定的目的是确定闸门动力测试系统的动态幅值工作范围及其在不同幅值时的误差。标定的方法是:固定振动台的振动频率、从小到大逐点改变振动量幅值，相应地测出仪器输出量。以振动台输入的标准振动量为横坐标轴，仪器输出量为纵坐标轴，就可以绘出线性度标定曲线，如图9-7所示。

线性度标定时振动台所用的频率可取自频率响应曲线的平直区内的任一频率。

图9-7　线性度标度曲线

此外，在闸门动力测试系统的标定中要注意以下两个问题:

(1)标定试验中，振动台应为标准振动台，以保证其振动量(加速度、位移等)、振动频率的精度。

(2)经过标定后的动力测试系统不能再随意组合。即进行闸门动力测试时的测试系统要与标定实验时的系统组合相同，做到定仪器、定放大倍数、定振子(光线示波仪)、定通道、定电缆线等五定。如果要更换原系统的组合，则需要重新标定。

9.3.3.2　动应变动力测试系统的标定

动应变测试结果得到一个代表各测点应变的波形图。必须通过将所测应变波形图与一个振幅和频率均已知的波形相比较，才能知道某瞬时的应变状态、最大应变值及其频率。一般把获得这个标准波形的方法过程称为动应变测试系统的标定。动应变测试系统标定内容有幅值标定及频率标定两种情况。

1.幅值标定

标定仪器是装在应变仪上的电标定装置。

标定时，只需拨动“标定开关”输进不同的应变信号，便可以从记录器上给出一个相应的标准方波——参考波，如图9-8所示。

图9-8　动应变记录波形图

图中的应变标定线是动态应变仪上的电标定装置输出的一定数值标准应变时所得到的记录线，其作用是使应变记录图中有一标准应变的尺度来衡量所记录的实测动应变的幅值大小，相当于在应变记录中对应变ε坐标画出应变刻度。即如果某瞬时应变曲线的幅高为h，则该瞬时的被测应变ε_t为:

式中:ε₀为额定的标定应变值(με)，即拨动“标定开关”输进的应变信号值。

2.频率标定

标定仪器与幅值标定的仪器相同。

标定时，将时标信号输入记录器中即可得到图9-8中所示的时标。这相当于在时间坐标t上画出了时间刻度。由此可确定被测应变的周期T或频率f:

式中:b——被测应变信号在记录中的周期，s;

B——与b相应的两相邻时标线的间距，s;

T_b——与B对应的时间间隔，s;

f_b——时标序号频率，Hz。