低频标准振动台系统和振动校准技术研究

校准是保证传感器测量数据准确的前提。低频振动传感器在地震观测、土木水利与建筑工程、机械与运载工程、能源与矿业工程等领域愈来愈获得广泛应用。这些传感器都需要在低频振动标准装置上进行校准,而低频标准振动台是低频振动标准装置的关键设备,低频标准振动台的设计和制造技术通常决定了一个国家低频振动校准的水平。振动台在校准中用于产生标准振动信号,通常情况下是正弦信号,但校准激励信号有从稳态正弦信号向随机信号发展的趋势。目前,低频振动传感器的校准通常是在实验室进行的,但是一些在线监测系统对传感器的现场校准提出了要求。本文重点研究了以下3方面内容:(1)低频标准振动台的控制技术。建立了低频标准振动台的数学模型,并实际设计了一种便携式的低频标准振动台,对设计的低频振动台进行了测试。测试结果表明,该振动台加速度信号可以低至0.5Hz,速度信号可以低至0.1 Hz,能够满足一般低频振动传感器的校准需要,可满足省一级的计量机构、振动传感器生产商以及大量使用低频振动传感器单位的校准需求。(2)对以地震波作为激励信号的校准方法进行了研究。探索了在低频标准振动台上产生地震波的方法,在中国地震局工程力学研究所的低频标准振动台上实现了地震波复现,大部分情况下复现的地震波与原始地震波记录的相关系数可以达到0.95以上。随后以地震波作为校准激励信号,对传感器进行了校准,将校准结果与激光干涉法振动绝对校准方法的校准结果进行了比较,获得了理想的结果。(3)对振动传感器的现场校准方法进行了探讨。虽然以往自标定(校准)方法一直在使用,但并未对系统进行详细的分析研究。本文针对4种类型的内置校准线圈传感器,分别利用自校准方法和激光干涉法振动绝对校准方法进行校准。2种校准方法的校准结果表明,低频段(10Hz以下)结果一致,高频段有偏差。以无源伺服式振动传感器为例,对自校准下的传感器数学关系进行了系统的分析,自校准时的反感应电动势、感抗(自感和互感)是造成这种偏差的原因。本文第一章阐述文章的背景,第二、三、四、五章是文章的主体,对本文重点研究的问题进行了阐述。第六章对未来的工作进行了展望,提出了低频标准振动台的发展方向和实用的现场校准系统实现的方法。     

振动台导轨不平顺对地震计低频测试结果的影响

对振动台在大行程移动过程中导轨不平顺引起的倾斜效应进行了理论分析，选择0.1 Hz及以下频点开展振动台导轨不平顺引起的台面倾斜对测试结果影响的定量化分析。结果表明，振动台面在移动过程中的不确定倾斜对地震计水平分量灵敏度的影响大于对垂直分量灵敏度的影响。采用高精度水平仪获取水平振动台在不同行程下的运动轨迹起伏变化，并基于倾斜效应的影响机制，用Labview语言实现补偿系统，在地震计的振动测试中对测试结果进行动态补偿。测试结果表明，经过动态补偿，导轨不平顺不再对灵敏度校准结果存在明显制约，可大幅提高地震计的低频测试精度。     

低频标准振动台技术指标测试方法探讨

根据国际标准(ISO 16063-11.1999)和国家标准对激光干涉法绝对校准中所用标准振动台的技术要求,以及这些指标在校准不确定度中所起的作用,就低频标准振动台的特点,对某些技术指标进行了讨论和实验研究,并对业内目前存在的一些问题,提出了规范低频标准振动台技术指标测试中部分技术指标科学、合理的测试方法,给出了测量仪器连线图和一些实测数据.     

低频振动台主要性能指标测试分析

为了更好满足地震计的振动测试需求,对振动台的波形失真度、横向运动比、台面不均匀度及稳定性等主要性能指标进行了测试分析.测试结果表明:该振动台具有较好的低频振动特性.利用低频标准套组对该振动台和中国计量科学研究院标准振动台进行比对分析,测试结果存在较小偏差.     

小型伺服式电动振动台

本文介绍一种用于标定（超）低频振动传感器的小型伺服振动台的原理和性能，振动台采用了闭环伺服技术，降低了低频段的失真度，拓宽了小型电动式振动台的低频使用范围，在小型振动台上实现了低频振动传感器的标定。     

伺服阀对地震模拟振动台控制性能影响及控制参数自整定

振动台控制系统设计时对物理系统进行了两个基本假设:伺服阀线性、台面和负载刚性。这样得到的控制系统频带较窄、时滞大,还有可能出现控制系统不稳定。本文通过系统建模,主要分析了伺服阀对振动台控制性能的影响:伺服阀频率特性限制了其控制精度。设计了前馈补偿环节、控制系统参数自整定算法修正系统控制性能,实例仿真结果表明:修正后的算法扩宽了系统频带,提高了地震记录的再现精度。     

低频标准振动台系统的相对复合自反馈技术

地震计的校准需低频标准振动台系统产生失真度较低的正弦波,速度反馈广泛用于低频标准振动台系统的失真度降低,然而却会提升整个系统的高频共振峰。为了降低该共振峰,文中提出一种不需要传感器就可以提取振动台加速度信号的技术,并将该信号与速度反馈信号叠加从而降低了该共振峰,然后再通过加大电子阻尼的方法来改善振动台的低频特性。仿真结果表明：加速度反馈可以有效降低整个校准系统的高频共振峰,但反馈量过大会增加低频共振峰,选择合适的参数可以避免低频共振峰的产生。通过加大阻尼进一步降低了振动台的低频下限。最后通过实验验证了复合反馈的作用。为进一步改善电动式振动台的低频失真度,研究低频下限与低频失真度的关系打下一定的基础。     

超低频振动校准系统的研究

超低频振动问题在工程实践中广泛存在,并且受到越来越多的关注。本文在分析国内外超低频振动校准系统的研究现状的基础上,以超低频振动校准系统为核心,通过理论分析、程序仿真和实验研究,建立了一套可以有效减小振动台失真的系统,并获得了良好的实际效     

对低频振动台振动波形的超低频失真度量值测试报告

波形的非线性失真度是评定振动台运动精度的一项重要技术指标,而目前国内外还没有直接测量波形频率低于2Hz的失真度仪,这就限制了低频标准振动台的使用范围,而这正是地震系统及其它一些低频测振系统共同关心的部分。本文提出的超低频波形失真度测量法,是应用FFT方法在频域上展示并量取各次谐波幅值,通过简单计算得出超低频失真度量值。我们已用该方法对中国计量科学院生产的垂直向低频标准振动台和水平向振动台作了频率低于2Hz的失真度量值测试,并获得结果。在国内首次扩大了该套振动装置的使用频率下限,为地震仪及低频测振仪的标定工作作出了贡献。该方法也适用于其它如机电转换装置及电信号发生、记录、转换装置的失真度量值测试。     

低频检波器频谱补偿算法建模及仿真

采用数值仿真的方法建立了动圈式检波器的仿真模型,推导检波器传递函数,通过对实际动圈式检波器频率特性的测试,验证了动圈式检波器数值仿真模型的正确性,分析动圈检波器频率响应特性,分别对动圈式检波器的自然频率、灵敏度、阻尼比进行仿真,对不同自然频率、灵敏度、阻尼比对检波器输出频率特性的影响进行了分析,使用二阶二次型反馈补偿方法,设计检波器低频补偿结构,结果表明:数值仿真模型与实际检波器的频率响应一致,补偿结构使检波器自然频率由2 Hz降低至0.2 Hz.     

地震模拟振动台系统频率特性分析方法的研究

本文进行了地震模拟振动台系统频率特性分析方法的研究。简述了振动台系统频率特性的传统分析方法，并指出了它们的不足，提出了确定振动台系统频率特性的新方法。该方法与传统方法有着本质的不同，其基本思想是，先基于输入和输出信号建立系统的数学模型，然后再根据系统的数学模型确定系统的频率特性，给出了分析实例，并验证了本方法的精确性。     

地震模拟振动台试验系统频率特性估计的研究及应用

系统地分析了在地震模拟振动台试验系统频率特性测试过程中，测量误差，环境对振动台驱动信号的干扰噪声及试验系统本身非线性等因素的影响，得到了对指导试验具有重要意义的结论，阐述了应用试验系统频率特性对试验进行数字补偿控制的方法，并列举一些实例。     

力平衡加速度计在线动态测试方法的实验研究

为了提高强震观测系统中力平衡加速度计动态测试的效率并降低成本，本文提出了利用力平衡加速度计内的自标定机构进行在线动态测试的方法。通过对比力平衡加速度计的绝对测试和在线测试实验结果，证明自标定机构可以代替超低频标准振动台来进行力平衡加速度计的动态测试。     

对比法测试地震计传感参数

笔者提出使用对比法测试地震计传感参数,即灵敏度、敏感轴方向角和倾角等的方案,包括测试数据采集、测试频带选择、传感参数计算方法等,并给出参数结果误差估计方法。为了满足斜轴悬挂、UVW输出地震计参数测试需要,给出此类地震计传感参数测试方案。通过合成数据、振动台检验验证,批量地震计参数重复测试证明该测试方法精度高、可信、可靠。对比法既适用于大批量地震仪器参数测试,也适用于地震台站现场,在不影响台站日常观测情况下,对单个地震计参数进行测试,其测试条件要求不高,操作简单、快捷,是测试生产、观测中地震计传感参数的一种可行办法。     

地震计传递函数的精确测定研究

数字地震观测系统中地震计传递函数的测定对于观测数据在地震学中的解释和应用是非常重要的。本文详细地研究了对地震计传递函数测定的一些基本问题。具体的内容和结果如下 :分析了 FBS-3 A型等宽频带地震计的基本原理、零极点的分布和频率特性。结果表明FBS-3 A地震计低频段的频率特性主要由机械结构和反馈电路共同决定 ,高频段主要由电子电路来决定。本文对宽频带地震计的频率特性测试是在地震计的低频段进行 ,对于地震计高频段的频率特性采用理论分析计算获得。比较了常用的测试信号 ,如稳态正弦信号、阶跃信号、脉冲信号、高阶脉冲…     

宽频带超低频标准振动台的研究

主要介绍了为中国地震局工程力学研究所振动计量实验室的技术升级项目研制的垂直和水平超低频振动台.水平振动台采用单导轨结构,大大提高了振动位移,达150mm(p-p),同时加宽了使用频率范围,可从0.01～250Hz ,而且加工、安装、调试、维护都十分方便.振动台取消了机械弹簧,代之以自动控制电弹簧,比原振动台的超低频性能大为改善,在控制方面,采用相对速度与绝对速度复合反馈技术.振动台的波形失真度,振级稳定性、横向振动比、低频背景噪声等各项技术指标达到或超过国际标准,为低频、超低频振动传感器的检定提供更精更准确的检定装置.     

低频标准振动台失真度及测量

波形失真度是衡量标准振动台技术性能的一个重要指标,为了规范它的测量方法及所用仪器,对低频标准振动台的低频失真度进行了分析,对失真度测量方法进行了实验研究,提出了低频失真度的表述方法及合格界限.经大量的实验验证,提供了失真度的测量方法及所用仪器.为低频标准振动台技术指标检定规程的制定、规范失真度的测试方法提供了参考依据.     

基于激光干涉的强震动加速度计绝对校准试验

分析了激光干涉校准的基本原理,应用绝对校准法开展强震动加速度计的相位测试,通过振动校准试验,在振动台与强震动加速度计的记录输出波形中找出振幅变化趋势,以叠加两个波形的延时对比推断出强震动加速度计的相位差。实例证明,绝对校准可为标准强震动加速度计的性能校准奠定高精度基础。     

超低频振动测量中振动参量及仪器的选择

本文讨论了超低频振动测量中的参量选择问题,指出以位移和速度参量为宜,同时强调拾振器应采用有源伺服式速度计。文中给出了两种超低频振动测量问题的实例。     

加速度传感器的应用与实验

压电式加速度传感器具有体积小、重量轻、测量精度高、频响范围宽等特点。本文将介绍这一传感器在低频标准振动台上的实验与应用。它为低频标准振动台提供了一个可行的监测系统,对于振动台随机标定及测试数据的联机处理具有一定的实用价值。文章还分析了实验数据的误差及产生误差的原因。