激光测振仪校准装置的设计和应用

激光测振仪校准装置的设计和应用
贺芳琪;周伦彬;蔡晋辉;吕林华
【摘要】针对激光测振仪校准中存在自动化程度低的问题，设计激光测振仪的校准装置。

介绍装置的硬件、软件设计，进行校准实验验证，测得实验数据并计算校准装置的不确定度。

该装置通过所测量的实际值与理论值比较来校准激光测振仪。

装置包含激励源部分、测量仪器部分、通信仪器部分和PC机，其中激励源提供标准振动信号和标准频率信号，测量仪器测得输出电压和波形，以GPIB接口作为通信仪器将PC机与激励源和测量仪器相连，PC机以虚拟仪器软件为开发平台，控制输入标准频率信号，采集和显示输出电压数据和波形结果，实现激光测振仪的自动化校准。

实验证明装置性能良好，数据真实可靠，误差低于1%，符合规程要求。

%For the problem on low degree of automation in laser vibrometer calibration , the laser vibrometer calibration device is designed. Design of the device's hardware and software is introduced. Calibration experiment and verification are conducted. Experimental data is obtained and the uncertainty of the calibration device is calculated. The device is used for calibrating the laser vibrometer by comparing the actual measured value with the theoretical value. The device includes excitation source section, measuring instrument section, communicated instrument section and PC, wherein the excitation source provides standard vibration signal and standard frequency signal and the measuring instruments measures output voltage and waveform. GPIB interface is taken as communication instrument to connect PC with the excitation source and measuring instruments. For the PC, LabVIEW is taken as development platform to
control the standard frequency signal input, collect and display voltage data and waveform result, so as to achieve automated calibration of the laser vibrometer. Experiment results show that the device features good performance; data is reliable and error rate is less than 1%. Thus the device meets the regulation requirements.
【期刊名称】《中国测试》
【年(卷),期】2017(043)001
【总页数】5页(P74-77,83)
【关键词】激光测振仪;自动化校准;灵敏度;频率特性;LabVIEW
【作者】贺芳琪;周伦彬;蔡晋辉;吕林华
【作者单位】中国计量大学计量测试工程学院，浙江杭州 310018;苏州赛宝校准技术服务有限公司，江苏苏州 215100;中国计量大学计量测试工程学院，浙江杭州 310018;苏州赛宝校准技术服务有限公司，江苏苏州 215100
【正文语种】中文
激光测振仪是一类非接触式、高准确度的振动测量仪器，以多普勒效应和干涉现象为测量原理，可应用于轻质结构、精巧结构等接触式测振仪无法测量的机械结构[1]，在振动幅值的准确测量和位移、速度和加速度计量的溯源问题中发挥着重要作用。

随着激光测振仪在航空航天、建筑交通、机械制造等领域的广泛应用，对激光测振仪的周期性校准，保证其测量准确性和稳定性，受到国内外众多计量机构的重视。

在国外关于振动传感器校准装置的研制起步较早，美国ENDEVCO公司推出的正
弦扫描全自动振动传感器校准系统[2]和丹麦B&K公司设计的9610型振动传感器校准系统[3]，仅适用于接触式测振仪的校准。

德国物理技术研究院（PTB）2011
年编写实施的国际标准ISO 16043-41《激光测振仪校准》提出了激光测振仪的校准方法[4]，却没有提出装置设计思路。

在我国2009年生效的JJF 1219——2009《激光测振仪校准规范》同样未给出校准装置的设计思想，仅提出激光测振仪的校准参数要求和校准项目[5]。

张合富等[6]在理论层面总结了振动校准法、冲击校准
法和调频信号校准法3种激光测振仪的校准方法，但未能从实践角度设计校准系统。

由此可见，激光测振仪的校准仍处于手工校准的阶段，不仅工作强度大、效率低下，检定准确度也受到人为因素的影响。

基于此，本文设计一套激光测振仪自动校准装置，以提高激光测振仪校准装置的自动化程度。

激光测振仪一般基于光干涉原理和多普勒效应实现振动的测量，包括激光干涉测量和信号采集、处理两个部分。

在激光干涉测量部分中，氦氖（HeNe）激光器发出一束激光通过分光镜分为测量光与参考光，测量光投射到振动表面并反射回来与参考光进行干涉，由光电探测器接收并获得多普勒频移，通过多普勒频移与振动速度之间的线性关系测量振动物体表面的速度幅值[7]。

干涉后的光信号由光电探测器
转换成调频信号，经过信号采集、处理部分解调输出测量值。

根据JJF 1219——2009《激光测振仪校准规范》需要对激光测振仪进行量程测试、灵敏度测试和频率特性测试等，本文设计装置满足校准要求的参数指标，以下从硬件和软件两个部分介绍装置的设计思路和实现方式。

1.1 激光测振仪校准装置的硬件设计
本文设计的激光测振仪校准装置包含激励源、测量仪器、通信仪器和PC机。

激励源部分产生标准信号输入被校激光测振仪，测量仪器部分测量输出结果，通信仪器部分分别将激励源、测量仪器与PC机相连，PC机利用LabVIEW软件开发平台
对各仪器进行设置并控制仪器的输入、传输和显示，结构框图如图1所示，所用
主要仪器设备见表1。

激励源包括标准振动信号发生器和调频信号发生器，分别通过量程测试和灵敏度、频率特性测试的标准激励。

标准振动发生装置用于产生按正弦规律变化的振动位移、速度、加速度标准信号，根据规范其产生的信号幅度范围应覆盖被校准仪器相应量值的校准范围，且满足加速度的总谐波失真度不超过2%，加速度幅值稳定性在测量期间不超过读数的±0.05%。

选用JX-3B型振动传感器校准仪，内部可产生10，20，40，80，160，320，640，1280 Hz共8种频率的标准正弦信号，输出位移、速度及加速度3种振动幅值，谐波失真和稳定性均符合激光测振仪校准的标
准信号输入要求。

调频信号发生仪器用于模拟激光干涉仪部分的信号输入，实现对激光测振仪信号采集、处理电路部分的电校准。

选用RIGOL生产的DG5252型双通道信号发生器，可调测量范围1 Hz～100 MHz，测量不确定度仅为0.002%，
能提供功能完全相同的两通道标准正弦波形激励，保证输入示波器和信号采集、分析电路的相位准确。

测量仪器由电压测量仪器和数字存储示波器组成，测量被校仪器的电压数据和波形数据。

规范要求仪器测量幅度最大允许误差应不大于被校激光测振仪幅度最大允许误差的1/3。

电压测量仪器选用量程为-20～20 V，采用八位半分辨率的KEITHLEY2002型数字多用表，其基本准确度是0.0006%。

数字存储示波器选用
美国Tektronix公司的TDS3052数字示波器，能够同时显示两个通道信号，每条通道取样速率5GS/s，带宽为500MHz，垂直分辨率是9位，垂直灵敏度是
1mV～10V。

激光测振仪校准装置要实现自动化，需要通过一定的总线协议将多台仪器有机集成。

本装置利用GPIB总线协议作为测试系统中仪器之间的通信接口协议，其数据传输的速率达到1Mb/s，起主要作用的信号线有 8条数据线 DIO1-DIO8，3条挂钩线
（DAV，NRFD，NDAC）、5条接口管理线（ATN，IFC，REN，SRQ，EOI），其中的3条挂钩线采用三线互锁联络技术来保证数据完全接收并且稳定、有效。

GPIB接口可以实现和多台仪器的听、讲、控功能，并组成仪器测控系统。

在本校准装置中PC机、信号发生器、数字多用表和数字示波器分别担任多个角色，如
PC机是控制器，但同时也可以作为听者或讲者。

GPIB接口控制卡采用AXIOM公司的AX5488型GPIB接口控制卡。

该控制卡采用NEC-μPD7210GPIB控制芯片，具有TLC（talker/listener/controller）功能，可提供IEEE488接口，具有6个中断优先级和3各DMA通道，可接入计算机。

1.2 激光测振仪校准装置的软件设计
本装置在LabVIEW的软件环境下进行开发[8]。

基于LabVIEW的GPIB独立仪器
集成测试平台软件包括GPIB的接口驱动程序、仪器驱动程序和集成测试平台主控程序3部分。

GPIB接口程序和各仪器驱动程序是接口和检测仪器进行控制和通信的模块集，每个模块集都有自己的仪器驱动程序，由制造商提供[9]。

主控程序调
用 LabVIEW 函数模板中Instrument I/O子模板下的VISA函数进行开发。

本装置软件的整体结构在while循环中，设置了4个case结构，分别对电源、信号发生器、数字多用表和数字示波器实现控制。

首先启动配置工具MAX对仪器进行正确配置，使之与PC机的通信保持在正常状态。

通信正常后，VISA初始化首
先运行，在用户前面板上分别对各个仪器进行设置，电源设置仪器输出电压、电流，信号发生器采集信号类型、单位、偏移量、频率和幅值，数字多用表设置信号类型，数字示波器设置仪器检测通道和扫频精度。

调用VISA打开函数，打开相应仪器VISA资源的会话。

使用VISA写入函数，对电源和信号发生写入标准频率信号数据。

调用等待函数，等待制定的间隔，以便各仪器状态稳定。

使用VISA读取函数读取数据，数字多用表和数字示波器分别进行数据采集和波形显示。

调用VISA关闭函数关闭会话，释放资源。

存储数据，回到打开会话进行下一个测试点的测试，
直至达到上限值。

测试流程如图2所示。

在动态情况下，振幅、频率、电压3个输出量始终在波动，也必然引起采样不同步的现象。

为保证采样数据的准确性，一方面调用VISA等待函数；另一方面可加入延时算法，保证在一次传输和采样结束后再进入下一次循环。

2.1 激光测振仪校准装置的实验测试
利用所设计的装置，进行激光测振仪校准实验测试。

量程测试中，振动传感器校准仪输入标准振动信号，测量被校激光测振仪测量范围的上限值νH和下限值νL得到实际量程为
式中是被校光测振仪的实际输出上限值和下限值。

灵敏度是指在规定的频率范围和周围环境条件下输出信号（电压）与输入信号的比值。

本装置的灵敏度测试中，在测量范围[νL，νH]内选取待测幅值为
计算νi对应的理论多普勒频移作为信号发生器信号激励，数字多用表测量输出电压yij（j=1，2，…，n），计算灵敏度G：
其中为信号输入值和电压输出值的算术平均值。

频率特性一般用仪器的幅频特性或相频特性表示。

幅频特性就是传感器灵敏度随频率变化的关系；而相频响应则是输入量与输出量的相位差随频率变化的关系。

本装置频率特性测试中，用幅频特性表示被校仪器的频率特性。

信号发生器提供输入频率fi∈[fL，fH]（i=1，2，…，m），选定被校激光测振仪的中间速度值νm，读取电压测量值转化为速度输出值yij（j=1，2，…，n），被校激光测振仪的幅频特性由增益Gi（fi）随频率fi变化的特性表示：
选取频率测量范围中间值为参考频率点f0，则参考频率点的增益是G0（f0），被校激光测振仪的频率特性由增益平坦度即幅值偏差δν表示：
2.2 激光测振仪校准装置的实验数据
以舜宇仪器公司 LV-S01型激光多普勒测振仪为被校仪器进行测试实验。

被校仪器
使用了632.8nm波长的氦氖激光器，共有6个档位，输出电压范围为±10V，实验数据如表2所示。

以灵敏度档位500mm/（s·V）为例，频率信号对应速度输入为νi（i=1，2，…，m），输出电压测量值的算术平均值为灵敏度为G。

令参考频率点f0=1kHz，选取速度中间值νm=250 mm/s，输入激励信号1，2，…，m），读取电压测量均值转换为速度值幅值偏差为δν。

2.3 不确定度评定
根据激光测振仪的测振原理，激光器采集的信号质量和信号采集、处理系统是影响振动测量不确定度的主要因素[10]，包括环境温度的变化、输入信号和测量重复性等，分析如下：
1）温度变化引起的不确定度u1：速度幅值随温度变化量为0.015%/℃，按照最大室温变化为±3℃计算，影响量为：σ=±0.015%×3=±0.045%，可视为均匀分布，即
2）标准振动信号发生装置引入的标准不确定度分量u2：已知所选振动传感器标准仪不确定度U= 0.108%（k=2），故引入标准不确定分量u2=0.054%。

3）测量重复性引入的不确定度分量 u0：采用A类方法进行评定，根据3次重复测量的数据计算均值实验方差和均值实验标准差如表3所示。

以实验标准差作为装置的测量重复性[11]即u0=0.05%。

合成不确定度uc为扩展不确定度U[12]为：U=kuc=0.16%。

根据JJF 1219——2009《激光测振仪校准规范》，校准误差要求不高于1%，本装置符合误差规范要求。

本文开发了一套完整的激光测振仪校准的校准装置，论述了校准装置的设计思路，使用该装置实现了激光测振仪自动化校准，以被校仪器500mm/（s·V）灵敏度档位为例计算了激光测振仪的不确定度。

本次设计装置在LabVIEW的环境下利用
GPIB接口作为通信仪器实现激光测振仪的输入控制、自动化采集、数据和波形显示，提高了激光测振仪校准的效率，为激光测振仪的校准工作提供支持和保障。

【相关文献】
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