一種弦式接收儀頻率參量計量校準方法研究

李紹輝，張樂暉，曹媛媛

(交通運輸部天津水運工程科學研究所 國家水運工程檢測設備計量站, 天津 300000)

0 引言

弦式接收儀是一種通過感知振弦式傳感器固有頻率變化來測量應變、應力、位移、溫度等參量的儀器，以其測量精度高、環境適應性好等特點廣泛應用于大壩、橋梁、水工建筑物等交通水運工程“建、管、養、用”全壽命周期健康監測中。弦式接收儀的頻率參量是其重要的計量技術參數，國內已發布的GB/T 3412.1-2009《大壩監測儀器檢測儀第一部分：振弦式儀器檢測儀》、JJF 1401-2013《振弦式頻率讀數儀校準規范》、JJG(交通)156-2020《振弦式應變測量系統》等標準及計量技術規范，對其頻率計量技術指標給出了規定并提供了計量測試方法。目前，交通水運領域常用的弦式接收儀按激振信號形式可分為脈沖高壓式、低壓式及掃頻式。其中，脈沖高壓式頻率讀數儀激振脈沖幅值高達(120～150)V，而用于校準的標準信號發生裝置如信號發生器輸入電壓范圍上限通常在(12～18)V左右，若將兩者直接相連，將導致標準信號發生裝置因輸入電壓過高而損壞，造成不可避免的損失和事故。

該文提出一種弦式接收儀計量校準方法，通過設計對稱式信號調理模塊，解決了弦式接收儀與標準信號發生裝置間的信號匹配問題，且對標準信號發生裝置產生的標準信號測量準確度無明顯降低，集成度高，易于實現，對于提升弦式接收儀的校準效率、數據穩定性、安全性具有重要意義。

1 工作特性分析

1.1 工作原理

弦式接收儀一般以間歇激勵方式工作，如圖1所示，每間隔1 s～2 s激勵信號發生電路發送周期性脈沖信號(脈沖式)或掃頻信號(掃頻式)至振弦式傳感器線圈，根據電磁感應原理，一部分電能轉化為鋼弦的彈性勢能和動能，當線圈上激勵信號消失時，鋼弦做有阻尼振蕩，振蕩過程中切割磁感線，使線圈中產生交變的感應電動勢，鋼弦振蕩頻率與自身受到的應力有關，而線圈中感應電動勢與鋼弦振動頻率相同。在激勵信號產生間隙，檢測電路測量出線圈中感應電動勢的頻率，便可得知鋼弦的振蕩頻率，從而計算出振弦式傳感器所受應變、應力值的大小，如圖1所示。由于信號線由激勵信號產生電路和檢測電路復用，在計量校準時，脈沖高壓式頻率讀數儀會向標準信號發生裝置間歇發送激振信號，若此信號不能衰減或消除，將造成標準信號發生裝置異?；驌p壞。

圖1 弦式接收儀工作原理

1.2 計量技術指標

GB/T 3412.1-2009中規定弦式接收儀的測量范圍應滿足(400～6000)Hz，準確度應≤0.5 Hz，測量分辨力應≤0.1 Hz；JJF 1401-2013中規定弦式接收儀的測量范圍應滿足(300～6000)Hz，頻率最大允許誤差±0.5 Hz，測量分辨力≤0.1 Hz，時基準確度≤1×10-4；JJG(交通)156-2020中規定頻率最大允許誤差為±0.3 Hz。

目前，國內弦式接收儀的主要供應商如基康儀器股份有限公司、南京葛南實業有限公司，其產品頻率測量范圍通常在(400～6000)Hz，頻率最大允許誤差在±0.1 Hz左右。結合水運工程中對振弦式測量儀器的實際需求，本研究主要針對測量范圍(400～6000)Hz，最大允許誤差為±0.3 Hz的弦式接收儀計量校準方法展開研究。

2 計量校準方法

2.1 方法概述

提出一種弦式接收儀計量校準方法，由數字示波器測量弦式接收儀的激勵信號，確定激勵信號形式(脈沖高壓式、脈沖低壓式或掃頻式)，設計多級對稱式信號調理模塊，將激勵信號幅度調整至標準信號發生裝置允許的輸入范圍內。以低頻信號發生器為標準信號發生裝置，在弦式接收儀標稱量程上下限位置附近，設定判定準則，通過改變低頻信號發生器輸出信號頻率，確定弦式接收儀量程范圍，在其量程范圍內設定多個頻率測量點，各測量點處由低頻信號發生器輸出標準頻率信號(可為正弦波、脈沖波、三角形波等形式)，弦式接收儀測量接收到的頻率信號值，與設定的標準頻率值進行比對，并對測量結果進行不確定度評定，實現頻率參量的計量校準，方法基本結構框圖如圖2所示，方法流程如圖3所示。

圖2 弦式接收儀校準方法結構框圖

2.2 信號調理模塊設計

信號調理模塊由電阻R1～R8、開關S1～S7組成，以10 dB為步進值，可實現0～30 dB的衰減，結構設計為對稱形式，保證激振信號型式判別的準確性，開關S1～S7閉合與斷開狀態對應表如表1所示。

表1 開關S1～S7閉合與斷開狀態對應表

在10 dB，20 dB，30 dB激振信號幅值衰減狀態下，令信號調理模塊輸出端電壓穩定在5 V，則根據A=20log(ui/uo)，計算得到對應的信號調理模塊輸入端(弦式接收儀輸出端)的電壓值如表2所示，其中，A為衰減dB值，ui為信號調理模塊輸入端電壓值，uo為信號調理模塊輸出端電壓值。

表2 信號調理模塊輸入-輸出電壓值

電阻R1-R8阻值確定方式如下：

弦式接收儀產生的激振信號通過信號調理模塊輸出至低頻信號發生器，在激振信號間隙，低頻信號發生器產生的標準信號通過信號調理模塊輸出至弦式接收儀，令R1=R2=R，以降低干擾，保證數據雙向傳輸的穩定性。

當弦式接收儀產生的激振信號衰減量為10 dB時，開關S3、S4閉合，有：

R6 =R×(N1-1)=2.162R

(1)

R3+R4+R5 =R÷(N1-1)=0.463R

(2)

當弦式接收儀產生的激振信號衰減量為20 dB時，開關S2、S5閉合，有：

R6 +R7 =R×(N2-1)=9R

(3)

R3+R4 =R÷(N2-1)=0.111R

(4)

當弦式接收儀產生的激振信號衰減量為30 dB時，開關S1、S6閉合，有：

R6 + R7 +R8=R×(N3-1)=30.62R

(5)

R3 =R÷(N3-1)=0.032 7R

(6)

聯立公式(1)至公式(6)，計算得到：R3 = 0.032 7R，R4 = 0.078 3R，R5 = 0.352R，R6 = 2.162R，R7 = 6.838R，R8 = 21.62R

根據表2，通過所述信號調理模塊20的電流為：

當弦式接收儀產生的激振信號衰減量為10 dB時，

I1= (u1-uo)/[R1//(R6+R2)+R3+R4+R5] = 10.81/(1.223R)

(7)

當弦式接收儀產生的激振信號衰減量為20 dB時，

I2= (u2-uo)/[R1//(R6+R7+R2)+R3+R4] = 45/(1.021R)

(8)

當弦式接收儀產生的激振信號衰減量為20 dB時，

I3= (u3-uo)/[R1//(R6+R7+R8+R2)+R3] = 153/(1.001 7R)

(9)

令R=10 kΩ，則I1=0.884 mA，I2=4.407 mA，I3=15.274 mA，同時有：R1 =R=10 kΩ，R2 =R=10 kΩ，R3 = 0.032 7R= 327 Ω，R4 = 0.078 3R= 783 Ω，R5 = 0.352R= 3.52 kΩ，R6 = 2.162R= 21.62 kΩ，R7 = 6.838R= 68.38 kΩ，R8 = 21.62R= 216.2 kΩ。

3 試驗驗證與分析

選取丹東三達傳感器技術研究所的GPC-6型弦式接收儀，按圖3所示校準流程進行校準，低頻信號發生器產生電壓幅值1 V的周期正弦波信號，測量數據及校準結果如表3所示。

表3 弦式接收儀校準數據

以3000 Hz頻率點為例進行不確定度分析，建立數學模型如公式(10)所示。

(10)

式中：fx為弦式接收儀測量頻率值(Hz)；f0為低頻信號發生器輸出的標準頻率值(Hz)；Δ為頻率測量誤差(Hz)；n為弦式接收儀內部計數器所計脈沖數；τ為弦式接收儀內部計數器所用的閘門時間。

閘門時間不準引入的不確定度分量u1為：

(11)

式中：a為弦式接收儀時基準確度，即：

(12)

式中：fHx為弦式接收儀測得的上限頻率平均值(Hz)；FH0位低頻信號發生器輸出的實測頻率范圍上限值(Hz)。

該文中對6000 Hz頻率點重復測量5次，按公式(12)計算時基準確度得到a=2.75×10-5，代入公式(11)中得到u1=0.047 6 Hz。

在3000 Hz頻率點處，低頻信號發生器輸出3000 Hz標準頻率信號，弦式接收儀重復測量10次，由重復性引入的測量不確定度分量u2如表4所示。

則合成標準不確定度uc(fx)為：

(13)

擴展不確定度U為：

U=2×uc(fx)=2×0.11 Hz=0.22 Hz,k=2

(14)

4 結論

提出的弦式接收儀頻率參量計量校準方法，通過設計完成的信號調理模塊，將被檢的弦式接收儀、用作計量標準器的低頻信號發生器及配套的示波器連接起來，在不同的校準階段，通過開關的打開與關閉，實現了激勵信號形式、讀數儀量程上下限的判別及頻率參量的計量校準，解決了弦式接收儀與低頻信號發生器之間的電壓匹配問題，結構簡單，易于實現，為實驗室或現場條件下對多種原理的弦式接收儀的計量校準提供了技術基礎。后續將在信號調理模塊的自適應性、多級匹配衰減等方面開展研究及改進工作，提升校準的準確度和效率。