磁電式振動(dòng)速度傳感器靈敏度校準(zhǔn)的測量不確定度研究

張強(qiáng) 王亦涵

摘要：磁電式振動(dòng)速度傳感器的主要作用是測量軸承或者機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)情況，為確保測量結(jié)果準(zhǔn)確，應(yīng)對其靈敏度進(jìn)行測量。本文就磁電式振動(dòng)速度傳感器靈敏度校準(zhǔn)的測量不確定度進(jìn)行探究，詳細(xì)闡述測量計(jì)算原理和測量計(jì)算不確定度的具體方法，旨在為相關(guān)人員提供有益參考。

關(guān)鍵詞：磁電式振動(dòng)速度傳感器;靈敏度校準(zhǔn);測量不確定度

中圖分類號：TP2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）06-0121-02

1? 振動(dòng)速度傳感器與測量不確定度

1.1 振動(dòng)速度傳感器

振動(dòng)速度傳感器的工作原理是利用磁電感應(yīng)來將振動(dòng)的信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，改變成為電信號，使其能夠通過電信號的改變來對機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)或軸承等部位發(fā)生的振動(dòng)進(jìn)行感應(yīng)。在信號的變化過程中能夠了解到設(shè)備的狀態(tài)，在發(fā)生故障時(shí)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行維修。振動(dòng)速度傳感器的靈敏度具有非常重要的指示作用，其為故障件檢測的核心構(gòu)件，一旦出現(xiàn)故障或靈敏度失效，則實(shí)際的監(jiān)測效果的準(zhǔn)確率將會(huì)不斷下降，無法顯示出結(jié)構(gòu)狀況。在發(fā)生問題后無法及時(shí)解決，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成較大的安全事故[1]。因此，相關(guān)的設(shè)備維修人員應(yīng)加強(qiáng)對傳感器靈敏度的重視，加強(qiáng)對傳感器的監(jiān)測。磁電式振動(dòng)速度傳感器的輸出信號受到的阻抗較小，在實(shí)際的使用過程中能夠測量中頻和高頻的領(lǐng)域，能夠及時(shí)、準(zhǔn)確的將振動(dòng)速度表現(xiàn)出來。在信號輸出的過程中，其受到的影響較小，信噪比良好，應(yīng)用范圍較為廣泛，對設(shè)備內(nèi)部具有摩擦力的元件進(jìn)行合理調(diào)整，因此受到影響較小，同時(shí)設(shè)備測量效果較為靈敏，能夠?qū)ξ⑿〉恼駝?dòng)進(jìn)行捕獲，使整體設(shè)備的使用壽命延長。

1.2 測量不確定度? 測量不確定度是一個(gè)參數(shù)，其與測量結(jié)果有關(guān)，主要表示標(biāo)準(zhǔn)偏差，在對測量不確定度進(jìn)行定義時(shí)，可能會(huì)有所不同，但其表示的意義是相近的。在對靈敏度進(jìn)行測量時(shí)，其結(jié)果經(jīng)常不是同一數(shù)值，但會(huì)在某一定區(qū)域內(nèi)分散，在區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)概率分布，這種在區(qū)域內(nèi)的分散結(jié)果即為不確定度。在不確定度變大時(shí)，其結(jié)果的分散程度也越大，可信賴程度變小;在測量不確定數(shù)值在變小時(shí)其結(jié)構(gòu)的可信性較高，同時(shí)根據(jù)數(shù)值變化，可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行合理的分析和調(diào)整。

2? 測量原理和方法

2.1 測量模型? 磁電式振動(dòng)速度傳感器中的傳輸電壓與振動(dòng)的速度成正比關(guān)系，因此可以得到測量模型：

其中：SV表示磁電式振動(dòng)速度傳感器的靈敏度計(jì)算測量數(shù)值;I表示運(yùn)行過程中測得的設(shè)備中的電流數(shù)值;V振動(dòng)實(shí)驗(yàn)中的標(biāo)準(zhǔn)速度數(shù)值;I1穩(wěn)定變化對電流產(chǎn)生的影響數(shù)值;I2安裝變化對電流產(chǎn)生的影響數(shù)值;I3橫向振動(dòng)使電流發(fā)生的變化數(shù)值;I4磁場對運(yùn)行中電流產(chǎn)生的影響。

通過上述的測量數(shù)值，可以通過計(jì)算公式來對不確定度進(jìn)行計(jì)算：

2.2 不確定度分析與評定? 現(xiàn)設(shè)定設(shè)備運(yùn)行的頻率為160Hz，振動(dòng)速度值為10mm/s，在該條件下對不確定度進(jìn)行評定，根據(jù)計(jì)算模型可知，其受到I1、I2、I3、I4等因素影響，因此可以對其進(jìn)行分別的評定，進(jìn)而得到完整的測量不確定度。不確定度的評定標(biāo)準(zhǔn)有A類和B類以及合成標(biāo)準(zhǔn)，對于A類不確定度進(jìn)行評定時(shí)，一般使用觀測列和相關(guān)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方式進(jìn)行計(jì)算和評定，其得到的結(jié)果使用uA來表示，在計(jì)算時(shí)，通常使用標(biāo)準(zhǔn)偏差來進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算的公式為：

在對B類不確定度進(jìn)行評定時(shí)，會(huì)通過其他的統(tǒng)計(jì)方式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化評定，得到的計(jì)算評定結(jié)果為uB，該結(jié)果在使用過程中會(huì)根據(jù)相關(guān)的信息進(jìn)行評估和鑒別，含有一定的主觀成分。

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度在測量的過程中，其結(jié)果是通過方差等計(jì)算方式測量值經(jīng)過計(jì)算得到，使用uC表示，在計(jì)算后得到的方差是標(biāo)準(zhǔn)偏差的平方，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度在一定程度上體現(xiàn)出了不確定度的分散性，而合成的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法能夠標(biāo)志設(shè)備的靈敏系數(shù)。

擴(kuò)展不確定度是一個(gè)區(qū)間，其通常使用U表示，在測量結(jié)果區(qū)間，能夠標(biāo)注出不確定度與包含因子的積，通過區(qū)間的劃定，能夠?qū)y量結(jié)果的取值區(qū)間進(jìn)行劃分，提供測量可能值。

①在標(biāo)準(zhǔn)速度條件下測量不確定度。使用urel（v）來表示不確定度，使用B類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評定，在計(jì)算中引入不同的影響因素進(jìn)行計(jì)算。

首先在標(biāo)準(zhǔn)加速度中引入不確定度，并對其進(jìn)行合理計(jì)算，將標(biāo)準(zhǔn)加速度下的不確定度Urel設(shè)定為1%，包含因子k的值為2，對設(shè)備的測量不確定度進(jìn)行計(jì)算：

2.3 不確定度產(chǎn)生原因? 使磁電式振動(dòng)速度傳感器的靈敏度產(chǎn)生不確定度有非常多的原因，其中主要影響因素有以下幾點(diǎn)：①測量和被測量的標(biāo)準(zhǔn)可能與真實(shí)情況存在一定偏差，由于目前的科學(xué)對其認(rèn)識(shí)尚不完善，導(dǎo)致對實(shí)際的測試和測量的方法設(shè)計(jì)不夠理想化，導(dǎo)致對靈敏度測量不夠精準(zhǔn)，存在不確定度;②在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程中，會(huì)在實(shí)驗(yàn)的過程中測量多組數(shù)據(jù)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)選擇時(shí)，可能會(huì)由于被選擇的數(shù)據(jù)不具有代表性，使整體的計(jì)算數(shù)值出現(xiàn)一定偏差，進(jìn)而產(chǎn)生不確定度;③在實(shí)驗(yàn)的過程中，溫度和磁場等微弱因素都會(huì)對傳感器的靈敏度產(chǎn)生影響，因此，實(shí)驗(yàn)室中可能存在一定的影響因素，目前無法將所有的干擾因素了解全面并排除干凈，使得在不同因素影響下，靈敏度受到影響，不然與實(shí)際的數(shù)據(jù)中存在不同，導(dǎo)致出現(xiàn)不確定度;④實(shí)驗(yàn)室中，需要使用測量儀器對實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的測量，但目前的儀器設(shè)備的研發(fā)速度還需要提升，儀器設(shè)備中本身存在一定的合理范圍內(nèi)的誤差，同時(shí)認(rèn)為讀數(shù)的過程中會(huì)對存在主觀意向中的偏移，導(dǎo)致不確定度的產(chǎn)生;⑤在對測量得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要借助一定的常量，如包含因子等參與計(jì)算，但常數(shù)的設(shè)置和選擇中存在一定的誤差，使整體的計(jì)算重存在近似值和假定性，進(jìn)而存在不確定度;⑥在重復(fù)測量的過程中，每一次測量都是在前一次設(shè)備運(yùn)行的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，但測量數(shù)值發(fā)生重復(fù)后，其計(jì)算數(shù)值會(huì)受到重復(fù)測量值的影響，使整體的數(shù)據(jù)發(fā)生偏差，出現(xiàn)不確定度[3]。

3? 結(jié)論

綜上所述，在對磁電式振動(dòng)速度傳感器靈敏度的不確定度進(jìn)行計(jì)算和測量時(shí)，會(huì)通過不同的類型和標(biāo)準(zhǔn)來對不同影響因素進(jìn)行計(jì)算，常用的標(biāo)準(zhǔn)為A類和B類標(biāo)準(zhǔn)，其中A類標(biāo)準(zhǔn)更加客觀，并且具有加強(qiáng)的嚴(yán)密性，B類的基于對事件發(fā)生的信任程度，二者都具有一定的嚴(yán)謹(jǐn)性。在進(jìn)行不確定度測量計(jì)算時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際的情況來選擇合適的評定方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]寇利霞，王虎成.振動(dòng)傳感器橫向靈敏度對發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測量的影響[J].中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，2020（012）：11.

[2]孫京生，李國豪，甘智勇，等.磁電式速度傳感器故障導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組跳機(jī)分析[J].自動(dòng)化與儀表，2019，034（003）：55-57.

[3]魏天舒.間接標(biāo)準(zhǔn)電流源法校準(zhǔn)數(shù)字式靜電計(jì)直流電流的測量不確定度評定[J].品牌與標(biāo)準(zhǔn)化，2020（03）：18-21.