基樁動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x的校準(zhǔn)及不確定度的評(píng)定

徐愛華，王健，許穎

(湖北省計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院，湖北武漢430223)

1 基樁動(dòng)測(cè)法的工作原理

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。

2 動(dòng)測(cè)儀自動(dòng)校準(zhǔn)方法設(shè)計(jì)

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

3 基樁動(dòng)測(cè)儀幅值不確定度的評(píng)定

根據(jù)基樁動(dòng)測(cè)儀的校準(zhǔn)過程，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)。

3.1 由標(biāo)準(zhǔn)傳感器套組和振動(dòng)臺(tái)引入的不確定度u1

檢定證書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)

3.2 由信號(hào)采集模塊引入的測(cè)量不確定度分量u2

用B類標(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

3.3 基樁動(dòng)測(cè)儀示值誤差引入的測(cè)量結(jié)果不確定度分量u3

用A類標(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

3.4 噪聲、諧波失真、安裝參數(shù)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u4

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

3.5 擴(kuò)展不確定度的計(jì)算

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

4 結(jié)論

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)品的開發(fā)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。基樁動(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。

［1］中華人民共和國建設(shè)部.JG/T 3055-1999基樁動(dòng)測(cè)儀［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

［2］劉愛東，于梅.振動(dòng)自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的研究及實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)量學(xué)報(bào)，2009，30(2):141-143.

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