振动变送器测试方法研究
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摘 要：振动变送器测试需求随着其应用的增加而不断增多，为了解决振动变送器针对性测试方法缺乏的问题，开展对其测试方法的研究。给出常用振动变送器的安装方式，重点介绍其测试方法及数据验证结果。按照文中给出的方法，通过测试多个厂家不同型号的振动变送器得到统计数据，并分析给出振动变送器的误差判别方法，该方法能较好地满足振动变送器测试需求。
关键词：振动变送器;测试方法;数据统计;安装方式;误差分析;信号调理
中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2020）02-00-02
0 引 言
在生产过程的自动检测和控制中，随着计算机分散控制系统（DCS）的普及和工艺自动化程度的提高，振动变送器的应用越来越广泛。智能振动变送器在动力机械运行状况的在线检测、振动对象的振动特性研究或振动模式判定等方面都有着非常广泛的应用前景[1]。
在工业生产过程中，测量和控制始终贯穿于试验、开发和生产的全过程。各种参数的测量结果是判断生产是否正常、质量是否可靠的科学依据[2]。但振动变送器目前还没有专门的测量依据，因此开展对振动变送器测量方法的研究具有现实意义。
1 振动变送器
GB/T7665—2005传感器通用术语中对传感器、变送器、振动传感器都做了相应的定义。其中传感器[3]是能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换单元组成。当输出为规定的标准信号时，则称为变送器。振动传感器是能感受机械运动振动参量（机械振动速度、频率、加速度等）并转换成可用输出信号的传感器。因此，振动变送器是一种将机械运动振动参量（机械振动速度、频率、加速度等）转换成规定的标准输出信号的器件或装置。
振动变送器通常由两部分组成：振动传感器和信号调理单元。振动传感器主要是由振动敏感单元组成;信号调理单元主要由测量单元、信号处理和转换单元组成，有些振动变送器具备显示单元。振动变送器原理框图如图1所示。
2 测试方法
对振动变送器的测试项目主要包括频率响应、幅值非线性度、安全性能（绝缘电阻、绝缘强度），并且应该约定测试环境条件、测试标准装置精度、安装方式等。由于在工业过程控制应用中，最常见的振动变送器为压电式、磁电式和电涡流式，本节重点介绍这三种振动变送器的安装方式及关键参数测量误差判定。
2.1 安装
安装方式的好坏直接影响测量结果的精度，压电式、磁电式的振动变送器因为传感器和变送器封装在一起，可以采用螺钉加油脂[4]的方式与标准加速度计背靠背地安装在振动台面中心。电涡流式的振动变送器动态测量安装相对复杂，主要步骤为：
（1）选择与被测工况相同的金属感应盘，并确保两者材料（45钢、钛合金等）相同，确保感应盘的直径大于
3.5倍变送器探头直径，厚度大于0.2 mm，并安装到振动台面中心[5];
（2）选择合适的夹具固定变送器探头，使之保持与感应盘相垂直，通过监测前置器输出电压，调节变送器探头与感应盘之间的间隙，找到线段中点;
（3）安装应确保传感器线圈周围，除被测感应盘外应尽可能避开其他导体，否则将降低灵敏度和缩小线性范围。
变送器安装完成后，线缆应尽可能固定，以减小振动、弯曲等原因所造成的分布电容的变化。
2.2 关键参数测量误差判定
2.2.1 误差测量方法
安装完成后，采用符合JJG 298—2015[6]技术指标的标准振动台，参考JJG 676—2000、JJG 134—2003、JJG 233—2008[7-9]采用比较法对振动变送器进行测量。
（1）频率响应误差
在振动变送器工作频率范围内，均匀地或按倍频程选取至少7个频率值（其中包含参考点，推荐80 Hz或40 Hz），由振动标准装置给出适当的振动幅值，分别测量各频率点的输出值。振动变送器频率按式（1）计算其测量误差。
式中：Ai为振动变送器各测量点实际输出值，单位为mA或V;Ar为振动变送器在参考点实际输出值，单位为mA或V。
（2）幅值非线性度
以振动变送器工作频率范围内的某一频率点（推荐80 Hz或40 Hz），在其测量范围内均匀选取包括上限值、下限值在内不少于6个测量点。选取某一频率点，在该频率不变的情况下，由振动标准装置给出适当的振动幅值，分别测量振动变送器在不同幅值下的输出值，振动变送器幅值非线性度按式（2）计算其测量误差。
式中：Ai为振动变送器各测量点实际输出值，单位为mA或V;Aj为振动变送器各测量点理论输出值，单位为mA或V。
2.2.2 结果验证
取一只扬州巨丰科技生产的型号为JF-SD-20振动变送器，测量范围为0～20 mm/s，对应输出信号4～20 mA。采用无锡市计量测试院振动标准装置按上述方法进行测量计算，得到结果见表1、表2。
通过上述测试数据，结合振动速度变送器灵敏度测量结果的不确定度评定[10]中给出的扩展不确定度Urel=2.3% （k=2）以及振动测量的特殊性，可以得到此振动变送器符合±5%测量误差要求。参考JJG 676—2000《工作测振仪检定规程》中对计量性能的要求，认为振动变送器的最大允许误差按传感器工作原理划分，应符合表3规定。
3 结 语
本文提出一种振动变送器的测量方法，给出常用振动变送器的安装方式，重点介绍其测试方法及数据验证结果。按照文中给出的方法，通过测试多个厂家不同型号的振动变送器得到统计数据，并分析给出振动变送器的误差判别方法。通过测试数据验证该方法可行，对振动变送器的测量具有现实指导意义。
参 考 文 献
[1]贺升平，李爱国，张鑫.智能振动变送器系统研究[J].声学技术，2013，32（4）：120-122.
[2]张军.基于EPA工业以太网的智能变送器研究[D].重庆：重庆大学，2006.
[3]中国国家标准化管理委员会.传感器通用术语：GB/T 7665—2005[S].北京：中国国家标准化管理委員会，2005.
[4]于雪莲.加速度传感器安装方式对灵敏度的影响[J].中国计量，2017（2）：114-116.
[5]李科杰.新编传感器技术手册[M].北京：国防工业出版社，2002.
[6]中国计量科学研究院.标准振动台检定规程：JJG 298—2015[S].北京：中国质检出版社，2015.
[7]中国测试技术研究院.工作测振仪检定规程：JJG 676—2000[S].北京：中国测试技术研究院，2000.
[8]北京市计量科学研究院.磁电式速度传感器检定规程：JJG 134—2003[S].北京：北京市计量科学研究院，2003.
[9]中国计量科学研究院.压电加速度计检定规程：JJG 233—2008[S].北京：中国计量科学研究院，2008.
[10]贾小冬.振动速度变送器灵敏度测量结果的不确定度评定[J].轻工标准与质量，2016（1）：41-42.
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