無線遙測系統標定的研究

□何卓儀

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院　上海　200070

無線遙測系統標定的研究

□何卓儀

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院上海200070

采用各頻率的音叉多套試驗數據采集設備，測試信號通過無線遙測系統后的輸出信號是否產生較大的誤差。通過各套測試系統測試結果的相互對比，以及與標準值的對比，驗證了無線遙測系統傳輸信號的可靠性。

在大型汽輪機葉片動頻率測試技術中，無線電遙測技術占主導地位。其原理是利用粘貼在被測葉片上的電阻應變片作為傳感元件，通過微型發射機將葉片受到激振力作用而產生的應變阻值變化量，經過變換電路產生電壓變化信號，經發射機調制成射頻信號并發射，再通過接收天線環接收并由高頻電纜送至接收機。無論從效率角度還是安全角度講，末級長葉片都是大容量核電汽輪機的關鍵部件。所以各大汽輪機制造企業都在不斷完善自己的長葉片體系，不斷開發新型的長葉片，以適應不同機組的要求。開發具有世界先進水平和自主知識產權的核電長葉片系列是發展我國獨立自主重大裝備制造業的關鍵之一。縱觀國際和國內任何一家汽輪機制造企業，無線電遙測技術應用在長葉片動頻率試驗都是長葉片開發體系的重要一環。采用葉片無線電遙測技術的葉片動頻率試驗，是長葉片開發過程中最終保證葉片安全運行最直觀也是最有說服力的環節［1］，因此對無線遙測系統的準確性提出了較高要求。信號處理的準確性是測試系統的關鍵，決定了試驗能否高效準確得到葉片的各項數據，判斷葉片能否安全運行［2］。由于信號經過了無線發射和接收的過程，相比有線傳輸增加了一些不確定因素，故信號的準確性值得確認和研究。筆者旨在研究無線遙測系統的標定方法，通過數據的分析，得到系統存在的誤差，驗證無線遙測系統的準確性和可靠性。

1　無線遙測標定系統的組成及標定方法

無線遙測標定系統的組成如下。

①datatel的無線收發報系統由dt1001T-D無線發報機、dt1001R1-D接收機、dt8111z放大器、天線環、KVB415F四進一出射頻分配器及dt114C高頻電纜組成。

②數據采集設備由小野DS3200頻譜分析儀、SKF頻率采集儀組成。

③試驗對象為440 Hz、512 Hz標準音叉［3］。

標定方法則是采用多套系統對標準計量儀器（音叉）測量所得到的數據與標準值對比分析，并結合各套系統不同特征的對比方式，驗證無線遙測系統的準確性和可靠性，主要包括以下系統的試驗數據。

（1）標準音叉—無線發報系統—DS3200頻譜分析儀；

（2）標準音叉—加速度傳感器—DS3200頻譜分析儀；

（3）標準音叉—SKF頻率采集儀。

2　各試驗系統組成、數據及分析

2.1試驗環境

電源：為避免普通電源帶來的干擾，試驗中選擇UPS（不間斷電源系統）對所有儀器設備進行供電。

溫度：室溫23℃能滿足所有儀器設備及傳感器的使用。

磁場：無強磁對無線遙測系統發射的信號產生巨大的干擾。

試驗環境有利于無線遙測系統的正常運行，適于驗證其準確性及可靠性。

2.2系統結構（標準音叉—無線發報系統—DS3200

頻譜分析儀）

該系統主要由音叉、應變片、無線遙測系統、頻譜分析儀和計算機組成，連接方式及工作場景如圖1、圖2所示。

圖1　無線發報系統+音叉結構連接示意圖

圖2　無線發報系統+音叉結構連接工作場景

2.2.1試驗步驟

（1）在被測兩種音叉的根部粘貼應變片，應變片阻值為350 Ω，靈敏度因數為2.08，使用常溫非抗電磁。在粘貼前對音叉根部粘貼的位置進行清理，先使用酒精棉球對根部表面進行除塵，然后使用1 000目砂紙對粘貼表面進行打磨光潔，最后使用應變片專用膠水將應變片粘貼在音叉根部，用浴霸燈烘烤12 h，使其固化。

（2）將應變片引腳與引出導線焊在連接片上，確保引腳分開及固定，并做好應變片與音叉的絕緣工作。

（3）打開所有儀器設備進行預熱。

（4）將引出導線連接至發報機的應變信號接收端口。

（5）用臨時導線連通發報機電源。

（6）將接收機的輸出信號連接至FFT頻譜分析儀的1通道，設置FFT頻譜分析儀參數，采樣頻率4 096 Hz，頻率范圍0～800 Hz。

（7）音叉插于共鳴箱基座上并固定基座，用橡膠小錘敲擊音叉頂部，信號通過發報機送至接收機，再送予FFT頻譜分析儀得出頻率曲線。

2.2.2試驗數據

通過無線遙測系統及FFT頻譜分析儀，分析得到的敲擊440 Hz及512 Hz音叉的頻域圖，在442 Hz及510.5 Hz處有明顯的電壓信號反應，且有明顯的曲線突起。

2.3系統結構（標準音叉—加速度傳感器—DS3200

頻譜分析儀）

該系統主要由音叉、加速度傳感器、頻譜分析儀和計算機組成，結構的連接方式及工作場景如圖3、圖4所示。

圖3　加速度傳感器+音叉結構示意圖

圖4　加速度傳感器+音叉結構工作場景

2.3.1試驗步驟

（1）連接加速度傳感器在磁性底座上，吸附于音叉的根部或平置在共鳴箱上，若吸附在音叉頂部會抵消振動而無法進行測試，平置在共鳴箱上時須將加速度傳感器固定在其垂直平面上。加速度傳感器靈敏度系數為10.504 mV/（m·s-2），可測頻率范圍0.0005～8 kHz，出廠時間2015-5-28，在標定使用年限范圍1年內，故確定加速度傳感器精度可靠，符合使用指標。

（2）開啟FFT頻譜分析儀進行預熱，將加速度傳感器信號連接至通道1，對FFT軟件參數進行設置，包括供電形式、加速度傳感器靈敏度系數、采樣頻率及頻率范圍，其中采樣頻率及頻率范圍不變。

（3）音叉插在共鳴箱基座上并固定基座，用橡膠小錘敲擊音叉頂部，信號通過加速度傳感器感知并送至FFT頻譜分析儀，得出頻率曲線。

2.3.2試驗數據

通過inv9822加速度傳感器及FFT頻譜分析儀，分析得到敲擊440 Hz及512 Hz音叉時的頻域圖，在442 Hz及510.5 Hz處有明顯的電壓信號反應，且有明顯的曲線突起。

2.4 系統結構（標準音叉—SKF頻率采集儀）

該系統主要由音叉和SFK頻率采集儀組成，結構的連接方式如圖5所示。

圖5　標準音叉—SKF頻率采集儀結構示意圖

2.4.1試驗步驟

（1）將頂針式加速度傳感器頂在音叉的共鳴箱上。

（2）設置SKF頻率采集儀相關參數。

（3）音叉插在共鳴箱上并與底座固定夾緊，用橡膠小錘敲擊音叉頂部，儀器屏幕顯示頻率圖。

2.4.2試驗數據

通過SFK頻率分析儀分析得到敲擊440 Hz及512 Hz音叉時的頻域圖，在443 Hz及510 Hz處有明顯的電壓信號反應，且有明顯的曲線突起。

2.5測試數據

對以上三種系統結構進行數據測試，見表1。

表1　測試數據　Hz

2.6數據分析

2.6.1誤差分類

系統誤差又稱可測誤差，是由于一些比較確定的因素而引起的，性質為：在多次測定中重復出現；所有測定都偏高或者都偏低，即具有單向性；數值基本是恒定不變的。

偶然誤差是由某些無法控制的因素隨機波動而形成的。在多次測定中可以減小偶然誤差。

粗大誤差由操作者誤操作引起，此過失數據一律舍棄［4］。

2.6.2誤差排除

首先在人為操作過程中未出現不合規范操作，且在所有測得的數據中未發現與其它數據相差極大的奇異值，故排除了人為因素所造成粗大誤差的可能性。其次每套系統的每次試驗都進行了10次數據采集，確保了數據的準確性，降低了發生偶然誤差的概率。

由表1三次試驗可以看出，當使用上述三套系統，以不同的音叉作為試驗對象組成了6套不同的系統時，這6套系統所測得的所有數據都重復出現了比標準值偏高及偏低的現象，其中無線遙測系統及加速度傳感器系統測量440 Hz音叉所有數值都偏高2 Hz，SKF（頻率采集儀系統）則偏高3 Hz；測量512 Hz音叉，無線遙測系統及加速度傳感器系統所有數值都偏低1.5 Hz，SKF（頻率采集儀系統）則偏低2 Hz。可以看出，6套系統試驗得到的數據都出現了單向性偏差且恒定不變，且此6套系統在試驗過程中處于相同環境，故可判斷此項誤差來源于某個固定因素，即實驗儀器及實驗對象組成的系統所形成的系統誤差。

綜合三次試驗得到的所有數據，各套系統測得的標準音叉頻率值與標準值的對比見表2，表中的數據均為測量數據的平均值。

表2　測試數據與標準值對比表Hz

2.6.3誤差計算

系統準確度：表示測定值與真實值接近的程度，分為絕對誤差和相對誤差，見表3。

表3　各系統絕對誤差表

式中：Xi為測定值；Xt為真實值。

絕對誤差表示測定值與真實值之間的差，具有與測定值相同的量綱；相對誤差表示絕對誤差與真實值之比，一般用百分率表示，無量綱。絕對誤差和相對誤差都有正值和負值。

由6套系統試驗得到的數據可見，在規避了一些可能產生誤差的因素，如環境、人為、測量次數等，無線遙測系統所測得數據與使用經過檢驗符合測試條件的加速度傳感器的有線系統測量得到的數據無差異，且都存在一定的恒定系統誤差；與使用完全不同的儀器測量得到的數據也非常接近，且系統誤差小于SKF頻率采集儀的值。由此證明了相較于有線傳輸類測試系統及其它成套的測頻儀器設備，使用無線遙測系統測量得到的數據并未受到無線傳輸的影響，具有較高的準確性和可靠性。

3　結束語

通過使用無線遙測系統、inv9822加速度傳感器、SFK頻率分析儀對標準計量儀器（440 Hz及512 Hz音叉）的測量，以及對數據的分析，得出結論：無線遙測系統的試驗結果相較于有線傳輸系統及其它測頻儀器所得的試驗結果差異小，具有良好的準確性和可靠性，可以應用到日趨要求嚴格和準確的葉片動頻率試驗中。

［1］鐘小萍，危奇，蔡步君.300 MW汽輪機低壓轉子葉片動頻試驗［J］.熱力透平，2007，36（1）：15-18，23.

［2］盧緒祥，唐月清，李錄平，等.某廠汽輪機葉片靜頻率測試及振動安全性分析 ［J］.汽輪機技術，2006，48（5）356-357，326.

［3］肖俊峰，趙毅，朱寶田，等.汽輪機葉片動頻率測試及動態調頻技術應用研究［C］.中國動力工程學會透平專業委員會，2008年學術研討會論文集，2008：116-122.

［4］張志杰.動態測試的誤差分析方法研究 ［J］.測試技術學報，2004，18（2）：139-143.

［5］崔海濤，劉慶明.沖擊波壓力傳感器測試系統的動態標定［J］.流體力學實驗與測量，2004，18（1）：92-96.

Used tuning fork with varied frequencies as the acquisition equipment to obtain multiple sets of test data to test whether or not the output signal will bring large errors as the signals go through wireless radiotelemetry system.When the results from each set of test system are compared to each other and compared with the standard value，the reliability of the transmission signals of radiotelemetry systemis verified.

無線遙測系統；應變片；準確性；可靠性

Radiotelemetry System；Strain Gauges；Accuracy；Reliability

TP212.9

A

1672-0555（2016）01-029-04

2015年9月

何卓儀（1991—），男，本科，助理工程師，主要從事測試技術研究