□何卓?jī)x

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院　上?！?00070

無(wú)線(xiàn)遙測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定的研究

□何卓?jī)x

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院上海200070

采用各頻率的音叉多套試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集設(shè)備，測(cè)試信號(hào)通過(guò)無(wú)線(xiàn)遙測(cè)系統(tǒng)后的輸出信號(hào)是否產(chǎn)生較大的誤差。通過(guò)各套測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果的相互對(duì)比，以及與標(biāo)準(zhǔn)值的對(duì)比，驗(yàn)證了無(wú)線(xiàn)遙測(cè)系統(tǒng)傳輸信號(hào)的可靠性。

在大型汽輪機(jī)葉片動(dòng)頻率測(cè)試技術(shù)中，無(wú)線(xiàn)電遙測(cè)技術(shù)占主導(dǎo)地位。其原理是利用粘貼在被測(cè)葉片上的電阻應(yīng)變片作為傳感元件，通過(guò)微型發(fā)射機(jī)將葉片受到激振力作用而產(chǎn)生的應(yīng)變阻值變化量，經(jīng)過(guò)變換電路產(chǎn)生電壓變化信號(hào)，經(jīng)發(fā)射機(jī)調(diào)制成射頻信號(hào)并發(fā)射，再通過(guò)接收天線(xiàn)環(huán)接收并由高頻電纜送至接收機(jī)。無(wú)論從效率角度還是安全角度講，末級(jí)長(zhǎng)葉片都是大容量核電汽輪機(jī)的關(guān)鍵部件。所以各大汽輪機(jī)制造企業(yè)都在不斷完善自己的長(zhǎng)葉片體系，不斷開(kāi)發(fā)新型的長(zhǎng)葉片，以適應(yīng)不同機(jī)組的要求。開(kāi)發(fā)具有世界先進(jìn)水平和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核電長(zhǎng)葉片系列是發(fā)展我國(guó)獨(dú)立自主重大裝備制造業(yè)的關(guān)鍵之一。縱觀國(guó)際和國(guó)內(nèi)任何一家汽輪機(jī)制造企業(yè)，無(wú)線(xiàn)電遙測(cè)技術(shù)應(yīng)用在長(zhǎng)葉片動(dòng)頻率試驗(yàn)都是長(zhǎng)葉片開(kāi)發(fā)體系的重要一環(huán)。采用葉片無(wú)線(xiàn)電遙測(cè)技術(shù)的葉片動(dòng)頻率試驗(yàn)，是長(zhǎng)葉片開(kāi)發(fā)過(guò)程中最終保證葉片安全運(yùn)行最直觀也是最有說(shuō)服力的環(huán)節(jié)［1］，因此對(duì)無(wú)線(xiàn)遙測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性提出了較高要求。信號(hào)處理的準(zhǔn)確性是測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵，決定了試驗(yàn)?zāi)芊窀咝?zhǔn)確得到葉片的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，判斷葉片能否安全運(yùn)行［2］。由于信號(hào)經(jīng)過(guò)了無(wú)線(xiàn)發(fā)射和接收的過(guò)程，相比有線(xiàn)傳輸增加了一些不確定因素，故信號(hào)的準(zhǔn)確性值得確認(rèn)和研究。筆者旨在研究無(wú)線(xiàn)遙測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)定方法，通過(guò)數(shù)據(jù)的分析，得到系統(tǒng)存在的誤差，驗(yàn)證無(wú)線(xiàn)遙測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。

1　無(wú)線(xiàn)遙測(cè)標(biāo)定系統(tǒng)的組成及標(biāo)定方法

無(wú)線(xiàn)遙測(cè)標(biāo)定系統(tǒng)的組成如下。

①datatel的無(wú)線(xiàn)收發(fā)報(bào)系統(tǒng)由dt1001T-D無(wú)線(xiàn)發(fā)報(bào)機(jī)、dt1001R1-D接收機(jī)、dt8111z放大器、天線(xiàn)環(huán)、KVB415F四進(jìn)一出射頻分配器及dt114C高頻電纜組成。

②數(shù)據(jù)采集設(shè)備由小野DS3200頻譜分析儀、SKF頻率采集儀組成。

③試驗(yàn)對(duì)象為440 Hz、512 Hz標(biāo)準(zhǔn)音叉［3］。

標(biāo)定方法則是采用多套系統(tǒng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量?jī)x器（音叉）測(cè)量所得到的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比分析，并結(jié)合各套系統(tǒng)不同特征的對(duì)比方式，驗(yàn)證無(wú)線(xiàn)遙測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，主要包括以下系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（1）標(biāo)準(zhǔn)音叉—無(wú)線(xiàn)發(fā)報(bào)系統(tǒng)—DS3200頻譜分析儀；

（2）標(biāo)準(zhǔn)音叉—加速度傳感器—DS3200頻譜分析儀；

（3）標(biāo)準(zhǔn)音叉—SKF頻率采集儀。

2　各試驗(yàn)系統(tǒng)組成、數(shù)據(jù)及分析

2.1試驗(yàn)環(huán)境

電源：為避免普通電源帶來(lái)的干擾，試驗(yàn)中選擇UPS（不間斷電源系統(tǒng)）對(duì)所有儀器設(shè)備進(jìn)行供電。

溫度：室溫23℃能滿(mǎn)足所有儀器設(shè)備及傳感器的使用。

磁場(chǎng)：無(wú)強(qiáng)磁對(duì)無(wú)線(xiàn)遙測(cè)系統(tǒng)發(fā)射的信號(hào)產(chǎn)生巨大的干擾。

試驗(yàn)環(huán)境有利于無(wú)線(xiàn)遙測(cè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，適于驗(yàn)證其準(zhǔn)確性及可靠性。

2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（標(biāo)準(zhǔn)音叉—無(wú)線(xiàn)發(fā)報(bào)系統(tǒng)—DS3200

頻譜分析儀）

該系統(tǒng)主要由音叉、應(yīng)變片、無(wú)線(xiàn)遙測(cè)系統(tǒng)、頻譜分析儀和計(jì)算機(jī)組成，連接方式及工作場(chǎng)景如圖1、圖2所示。

圖1　無(wú)線(xiàn)發(fā)報(bào)系統(tǒng)+音叉結(jié)構(gòu)連接示意圖

圖2　無(wú)線(xiàn)發(fā)報(bào)系統(tǒng)+音叉結(jié)構(gòu)連接工作場(chǎng)景

2.2.1試驗(yàn)步驟

（1）在被測(cè)兩種音叉的根部粘貼應(yīng)變片，應(yīng)變片阻值為350 Ω，靈敏度因數(shù)為2.08，使用常溫非抗電磁。在粘貼前對(duì)音叉根部粘貼的位置進(jìn)行清理，先使用酒精棉球?qū)Ω勘砻孢M(jìn)行除塵，然后使用1 000目砂紙對(duì)粘貼表面進(jìn)行打磨光潔，最后使用應(yīng)變片專(zhuān)用膠水將應(yīng)變片粘貼在音叉根部，用浴霸燈烘烤12 h，使其固化。

（2）將應(yīng)變片引腳與引出導(dǎo)線(xiàn)焊在連接片上，確保引腳分開(kāi)及固定，并做好應(yīng)變片與音叉的絕緣工作。

（3）打開(kāi)所有儀器設(shè)備進(jìn)行預(yù)熱。

（4）將引出導(dǎo)線(xiàn)連接至發(fā)報(bào)機(jī)的應(yīng)變信號(hào)接收端口。

（5）用臨時(shí)導(dǎo)線(xiàn)連通發(fā)報(bào)機(jī)電源。

（6）將接收機(jī)的輸出信號(hào)連接至FFT頻譜分析儀的1通道，設(shè)置FFT頻譜分析儀參數(shù)，采樣頻率4 096 Hz，頻率范圍0～800 Hz。

（7）音叉插于共鳴箱基座上并固定基座，用橡膠小錘敲擊音叉頂部，信號(hào)通過(guò)發(fā)報(bào)機(jī)送至接收機(jī)，再送予FFT頻譜分析儀得出頻率曲線(xiàn)。

2.2.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)無(wú)線(xiàn)遙測(cè)系統(tǒng)及FFT頻譜分析儀，分析得到的敲擊440 Hz及512 Hz音叉的頻域圖，在442 Hz及510.5 Hz處有明顯的電壓信號(hào)反應(yīng)，且有明顯的曲線(xiàn)突起。

2.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（標(biāo)準(zhǔn)音叉—加速度傳感器—DS3200

頻譜分析儀）

該系統(tǒng)主要由音叉、加速度傳感器、頻譜分析儀和計(jì)算機(jī)組成，結(jié)構(gòu)的連接方式及工作場(chǎng)景如圖3、圖4所示。

圖3　加速度傳感器+音叉結(jié)構(gòu)示意圖

圖4　加速度傳感器+音叉結(jié)構(gòu)工作場(chǎng)景

2.3.1試驗(yàn)步驟

（1）連接加速度傳感器在磁性底座上，吸附于音叉的根部或平置在共鳴箱上，若吸附在音叉頂部會(huì)抵消振動(dòng)而無(wú)法進(jìn)行測(cè)試，平置在共鳴箱上時(shí)須將加速度傳感器固定在其垂直平面上。加速度傳感器靈敏度系數(shù)為10.504 mV/（m·s-2），可測(cè)頻率范圍0.0005～8 kHz，出廠(chǎng)時(shí)間2015-5-28，在標(biāo)定使用年限范圍1年內(nèi)，故確定加速度傳感器精度可靠，符合使用指標(biāo)。

（2）開(kāi)啟FFT頻譜分析儀進(jìn)行預(yù)熱，將加速度傳感器信號(hào)連接至通道1，對(duì)FFT軟件參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括供電形式、加速度傳感器靈敏度系數(shù)、采樣頻率及頻率范圍，其中采樣頻率及頻率范圍不變。

（3）音叉插在共鳴箱基座上并固定基座，用橡膠小錘敲擊音叉頂部，信號(hào)通過(guò)加速度傳感器感知并送至FFT頻譜分析儀，得出頻率曲線(xiàn)。

2.3.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)inv9822加速度傳感器及FFT頻譜分析儀，分析得到敲擊440 Hz及512 Hz音叉時(shí)的頻域圖，在442 Hz及510.5 Hz處有明顯的電壓信號(hào)反應(yīng)，且有明顯的曲線(xiàn)突起。

2.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（標(biāo)準(zhǔn)音叉—SKF頻率采集儀）

該系統(tǒng)主要由音叉和SFK頻率采集儀組成，結(jié)構(gòu)的連接方式如圖5所示。

圖5　標(biāo)準(zhǔn)音叉—SKF頻率采集儀結(jié)構(gòu)示意圖

2.4.1試驗(yàn)步驟

（1）將頂針式加速度傳感器頂在音叉的共鳴箱上。

（2）設(shè)置SKF頻率采集儀相關(guān)參數(shù)。

（3）音叉插在共鳴箱上并與底座固定夾緊，用橡膠小錘敲擊音叉頂部，儀器屏幕顯示頻率圖。

2.4.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)SFK頻率分析儀分析得到敲擊440 Hz及512 Hz音叉時(shí)的頻域圖，在443 Hz及510 Hz處有明顯的電壓信號(hào)反應(yīng)，且有明顯的曲線(xiàn)突起。

2.5測(cè)試數(shù)據(jù)

對(duì)以上三種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試，見(jiàn)表1。

表1　測(cè)試數(shù)據(jù)　Hz

2.6數(shù)據(jù)分析

2.6.1誤差分類(lèi)

系統(tǒng)誤差又稱(chēng)可測(cè)誤差，是由于一些比較確定的因素而引起的，性質(zhì)為：在多次測(cè)定中重復(fù)出現(xiàn)；所有測(cè)定都偏高或者都偏低，即具有單向性；數(shù)值基本是恒定不變的。

偶然誤差是由某些無(wú)法控制的因素隨機(jī)波動(dòng)而形成的。在多次測(cè)定中可以減小偶然誤差。

粗大誤差由操作者誤操作引起，此過(guò)失數(shù)據(jù)一律舍棄［4］。

2.6.2誤差排除

首先在人為操作過(guò)程中未出現(xiàn)不合規(guī)范操作，且在所有測(cè)得的數(shù)據(jù)中未發(fā)現(xiàn)與其它數(shù)據(jù)相差極大的奇異值，故排除了人為因素所造成粗大誤差的可能性。其次每套系統(tǒng)的每次試驗(yàn)都進(jìn)行了10次數(shù)據(jù)采集，確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，降低了發(fā)生偶然誤差的概率。

由表1三次試驗(yàn)可以看出，當(dāng)使用上述三套系統(tǒng)，以不同的音叉作為試驗(yàn)對(duì)象組成了6套不同的系統(tǒng)時(shí)，這6套系統(tǒng)所測(cè)得的所有數(shù)據(jù)都重復(fù)出現(xiàn)了比標(biāo)準(zhǔn)值偏高及偏低的現(xiàn)象，其中無(wú)線(xiàn)遙測(cè)系統(tǒng)及加速度傳感器系統(tǒng)測(cè)量440 Hz音叉所有數(shù)值都偏高2 Hz，SKF（頻率采集儀系統(tǒng)）則偏高3 Hz；測(cè)量512 Hz音叉，無(wú)線(xiàn)遙測(cè)系統(tǒng)及加速度傳感器系統(tǒng)所有數(shù)值都偏低1.5 Hz，SKF（頻率采集儀系統(tǒng)）則偏低2 Hz?？梢钥闯?，6套系統(tǒng)試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)都出現(xiàn)了單向性偏差且恒定不變，且此6套系統(tǒng)在試驗(yàn)過(guò)程中處于相同環(huán)境，故可判斷此項(xiàng)誤差來(lái)源于某個(gè)固定因素，即實(shí)驗(yàn)儀器及實(shí)驗(yàn)對(duì)象組成的系統(tǒng)所形成的系統(tǒng)誤差。

綜合三次試驗(yàn)得到的所有數(shù)據(jù)，各套系統(tǒng)測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)音叉頻率值與標(biāo)準(zhǔn)值的對(duì)比見(jiàn)表2，表中的數(shù)據(jù)均為測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值。

表2　測(cè)試數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比表Hz

2.6.3誤差計(jì)算

系統(tǒng)準(zhǔn)確度：表示測(cè)定值與真實(shí)值接近的程度，分為絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差，見(jiàn)表3。

表3　各系統(tǒng)絕對(duì)誤差表

式中：Xi為測(cè)定值；Xt為真實(shí)值。

絕對(duì)誤差表示測(cè)定值與真實(shí)值之間的差，具有與測(cè)定值相同的量綱；相對(duì)誤差表示絕對(duì)誤差與真實(shí)值之比，一般用百分率表示，無(wú)量綱。絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差都有正值和負(fù)值。

由6套系統(tǒng)試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)可見(jiàn)，在規(guī)避了一些可能產(chǎn)生誤差的因素，如環(huán)境、人為、測(cè)量次數(shù)等，無(wú)線(xiàn)遙測(cè)系統(tǒng)所測(cè)得數(shù)據(jù)與使用經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)符合測(cè)試條件的加速度傳感器的有線(xiàn)系統(tǒng)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)無(wú)差異，且都存在一定的恒定系統(tǒng)誤差；與使用完全不同的儀器測(cè)量得到的數(shù)據(jù)也非常接近，且系統(tǒng)誤差小于SKF頻率采集儀的值。由此證明了相較于有線(xiàn)傳輸類(lèi)測(cè)試系統(tǒng)及其它成套的測(cè)頻儀器設(shè)備，使用無(wú)線(xiàn)遙測(cè)系統(tǒng)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)并未受到無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)挠绊?，具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。

3　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)使用無(wú)線(xiàn)遙測(cè)系統(tǒng)、inv9822加速度傳感器、SFK頻率分析儀對(duì)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量?jī)x器（440 Hz及512 Hz音叉）的測(cè)量，以及對(duì)數(shù)據(jù)的分析，得出結(jié)論：無(wú)線(xiàn)遙測(cè)系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果相較于有線(xiàn)傳輸系統(tǒng)及其它測(cè)頻儀器所得的試驗(yàn)結(jié)果差異小，具有良好的準(zhǔn)確性和可靠性，可以應(yīng)用到日趨要求嚴(yán)格和準(zhǔn)確的葉片動(dòng)頻率試驗(yàn)中。

［1］鐘小萍，危奇，蔡步君.300 MW汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子葉片動(dòng)頻試驗(yàn)［J］.熱力透平，2007，36（1）：15-18，23.

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［3］肖俊峰，趙毅，朱寶田，等.汽輪機(jī)葉片動(dòng)頻率測(cè)試及動(dòng)態(tài)調(diào)頻技術(shù)應(yīng)用研究［C］.中國(guó)動(dòng)力工程學(xué)會(huì)透平專(zhuān)業(yè)委員會(huì)，2008年學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集，2008：116-122.

［4］張志杰.動(dòng)態(tài)測(cè)試的誤差分析方法研究 ［J］.測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)，2004，18（2）：139-143.

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Used tuning fork with varied frequencies as the acquisition equipment to obtain multiple sets of test data to test whether or not the output signal will bring large errors as the signals go through wireless radiotelemetry system.When the results from each set of test system are compared to each other and compared with the standard value，the reliability of the transmission signals of radiotelemetry systemis verified.

無(wú)線(xiàn)遙測(cè)系統(tǒng)；應(yīng)變片；準(zhǔn)確性；可靠性

Radiotelemetry System；Strain Gauges；Accuracy；Reliability

TP212.9

A

1672-0555（2016）01-029-04

2015年9月

何卓?jī)x（1991—），男，本科，助理工程師，主要從事測(cè)試技術(shù)研究