振動變送器測試方法研究

劉陸燕 袁雪松

摘 要：振動變送器測試需求隨著其應用的增加而不斷增多，為了解決振動變送器針對性測試方法缺乏的問題，開展對其測試方法的研究。給出常用振動變送器的安裝方式，重點介紹其測試方法及數據驗證結果。按照文中給出的方法，通過測試多個廠家不同型號的振動變送器得到統計數據，并分析給出振動變送器的誤差判別方法，該方法能較好地滿足振動變送器測試需求。

關鍵詞：振動變送器;測試方法;數據統計;安裝方式;誤差分析;信號調理

中圖分類號：TP212文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）02-00-02

0 引 言

在生產過程的自動檢測和控制中，隨著計算機分散控制系統（DCS）的普及和工藝自動化程度的提高，振動變送器的應用越來越廣泛。智能振動變送器在動力機械運行狀況的在線檢測、振動對象的振動特性研究或振動模式判定等方面都有著非常廣泛的應用前景[1]。

在工業生產過程中，測量和控制始終貫穿于試驗、開發和生產的全過程。各種參數的測量結果是判斷生產是否正常、質量是否可靠的科學依據[2]。但振動變送器目前還沒有專門的測量依據，因此開展對振動變送器測量方法的研究具有現實意義。

1 振動變送器

GB/T7665—2005傳感器通用術語中對傳感器、變送器、振動傳感器都做了相應的定義。其中傳感器[3]是能感受被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換單元組成。當輸出為規定的標準信號時，則稱為變送器。振動傳感器是能感受機械運動振動參量（機械振動速度、頻率、加速度等）并轉換成可用輸出信號的傳感器。因此，振動變送器是一種將機械運動振動參量（機械振動速度、頻率、加速度等）轉換成規定的標準輸出信號的器件或裝置。

振動變送器通常由兩部分組成：振動傳感器和信號調理單元。振動傳感器主要是由振動敏感單元組成;信號調理單元主要由測量單元、信號處理和轉換單元組成，有些振動變送器具備顯示單元。振動變送器原理框圖如圖1所示。

2 測試方法

對振動變送器的測試項目主要包括頻率響應、幅值非線性度、安全性能（絕緣電阻、絕緣強度），并且應該約定測試環境條件、測試標準裝置精度、安裝方式等。由于在工業過程控制應用中，最常見的振動變送器為壓電式、磁電式和電渦流式，本節重點介紹這三種振動變送器的安裝方式及關鍵參數測量誤差判定。

2.1 安裝

安裝方式的好壞直接影響測量結果的精度，壓電式、磁電式的振動變送器因為傳感器和變送器封裝在一起，可以采用螺釘加油脂[4]的方式與標準加速度計背靠背地安裝在振動臺面中心。電渦流式的振動變送器動態測量安裝相對復雜，主要步驟為：

（1）選擇與被測工況相同的金屬感應盤，并確保兩者材料（45鋼、鈦合金等）相同，確保感應盤的直徑大于

3.5倍變送器探頭直徑，厚度大于0.2 mm，并安裝到振動臺面中心[5];

（2）選擇合適的夾具固定變送器探頭，使之保持與感應盤相垂直，通過監測前置器輸出電壓，調節變送器探頭與感應盤之間的間隙，找到線段中點;

（3）安裝應確保傳感器線圈周圍，除被測感應盤外應盡可能避開其他導體，否則將降低靈敏度和縮小線性范圍。

變送器安裝完成后，線纜應盡可能固定，以減小振動、彎曲等原因所造成的分布電容的變化。

2.2 關鍵參數測量誤差判定

2.2.1 誤差測量方法

安裝完成后，采用符合JJG 298—2015[6]技術指標的標準振動臺，參考JJG 676—2000、JJG 134—2003、JJG 233—2008[7-9]采用比較法對振動變送器進行測量。

（1）頻率響應誤差

在振動變送器工作頻率范圍內，均勻地或按倍頻程選取至少7個頻率值（其中包含參考點，推薦80 Hz或40 Hz），由振動標準裝置給出適當的振動幅值，分別測量各頻率點的輸出值。振動變送器頻率按式（1）計算其測量誤差。

式中：Ai為振動變送器各測量點實際輸出值，單位為mA或V;Ar為振動變送器在參考點實際輸出值，單位為mA或V。

（2）幅值非線性度

以振動變送器工作頻率范圍內的某一頻率點（推薦80 Hz或40 Hz），在其測量范圍內均勻選取包括上限值、下限值在內不少于6個測量點。選取某一頻率點，在該頻率不變的情況下，由振動標準裝置給出適當的振動幅值，分別測量振動變送器在不同幅值下的輸出值，振動變送器幅值非線性度按式（2）計算其測量誤差。

式中：Ai為振動變送器各測量點實際輸出值，單位為mA或V;Aj為振動變送器各測量點理論輸出值，單位為mA或V。

2.2.2 結果驗證

取一只揚州巨豐科技生產的型號為JF-SD-20振動變送器，測量范圍為0～20 mm/s，對應輸出信號4～20 mA。采用無錫市計量測試院振動標準裝置按上述方法進行測量計算，得到結果見表1、表2。

通過上述測試數據，結合振動速度變送器靈敏度測量結果的不確定度評定[10]中給出的擴展不確定度Urel=2.3% （k=2）以及振動測量的特殊性，可以得到此振動變送器符合±5%測量誤差要求。參考JJG 676—2000《工作測振儀檢定規程》中對計量性能的要求，認為振動變送器的最大允許誤差按傳感器工作原理劃分，應符合表3規定。

3 結 語

本文提出一種振動變送器的測量方法，給出常用振動變送器的安裝方式，重點介紹其測試方法及數據驗證結果。按照文中給出的方法，通過測試多個廠家不同型號的振動變送器得到統計數據，并分析給出振動變送器的誤差判別方法。通過測試數據驗證該方法可行，對振動變送器的測量具有現實指導意義。

參 考 文 獻

[1]賀升平，李愛國，張鑫.智能振動變送器系統研究[J].聲學技術，2013，32（4）：120-122.

[2]張軍.基于EPA工業以太網的智能變送器研究[D].重慶：重慶大學，2006.

[3]中國國家標準化管理委員會.傳感器通用術語：GB/T 7665—2005[S].北京：中國國家標準化管理委員會，2005.

[4]于雪蓮.加速度傳感器安裝方式對靈敏度的影響[J].中國計量，2017（2）：114-116.

[5]李科杰.新編傳感器技術手冊[M].北京：國防工業出版社，2002.

[6]中國計量科學研究院.標準振動臺檢定規程：JJG 298—2015[S].北京：中國質檢出版社，2015.

[7]中國測試技術研究院.工作測振儀檢定規程：JJG 676—2000[S].北京：中國測試技術研究院，2000.

[8]北京市計量科學研究院.磁電式速度傳感器檢定規程：JJG 134—2003[S].北京：北京市計量科學研究院，2003.

[9]中國計量科學研究院.壓電加速度計檢定規程：JJG 233—2008[S].北京：中國計量科學研究院，2008.

[10]賈小冬.振動速度變送器靈敏度測量結果的不確定度評定[J].輕工標準與質量，2016（1）：41-42.