检波器校准系统的自动化设计

Automated Design of the Detector Calibration System

摘要: 结合“高精度振动校准系统的研制”项目展开研究，致力于建立一个自动化的地震检波器振动校准平台，让检定人员只需设定好试验的频率和振级等参数，就可以完成复杂而繁重的振动校准工作。另外，对地震检波器某些重要指标的校准方法问题进行研究，在自动校准系统的基础上提出一些切实可行的方法，以增强系统功能和提高振动校准的效率。自动校准系统的建立不仅减轻检定人员的工作强度，而且能够消除由于人工操作带来的误差，提高校准的精度，使得校准的过程更加规范化。

Abstract: This study, conducted in conjunction with the project “Development of a High-Precision Vibration Calibration System”, aims to establish an automated vibration calibration platform for seismic detectors. This platform allows calibration personnel to complete complex and demanding vibration calibration work simply by setting parameters such as the test frequency and vibration level. Furthermore, the calibration methods for certain important indicators of seismic detectors are investigated, and practical methods are proposed based on the automated calibration system to enhance system functionality and improve vibration calibration efficiency. The establishment of the automated calibration system not only reduces the workload of calibration personnel but also eliminates errors caused by manual operation, improves calibration accuracy, and standardizes the calibration process.

1. 引言

地震检波器的振动校准，如果通过手动的方式进行，操作人员首先要设置信号发生器的频率和幅值，手动调整功率放大器的增益旋钮，将振动台调整到预设振级；然后启动数据采集卡和频比计数器，测量被校检波器的输出幅值和振动台在一个周期内干涉条纹数，再根据相应的公式计算振动台的振级，并且手动记录这些测量值；最后，计算检波器的灵敏度等指标。如果测试的频率和振级有多个，还要重复上面的步骤，校准的过程十分复杂。因此，需要设计一套自动化的校准系统，以减轻操作人员的劳动强度。

2. 校准系统自动化的实现方法

自动校准系统是测量技术、控制技术和计算机技术的结合，其中测量技术指的是如何对系统中的各个参数进行测量，例如传感器的输出电压、振级的大小等；控制技术包括系统中程控仪器的控制、振动台振级控制算法及设计一种控制方式使得振动台按照预定的方式运动；计算机技术是指利用计算机的数据处理功能完成试验数据的处理、分析、显示和保存，并且设计校准软件，协调系统各个部分的工作。

地震检波器自动化校准系统如图1所示，该系统能够完成地震检波器的绝对法校准和相对法校准。

Figure 1. Automated calibration system for seismic detectors

图1. 地震检波器自动化校准系统

根据系统中各部分的功能不同，可以把系统分为三个单元：控制单元、测试单元和执行单元。控制单元是系统的核心，它包括计算机、程控信号源、功率放大器及校准软件，主要完成仪器控制，振级控制和信号的分析处理等；测试单元包括数据采集卡、频比计数器、标准传感器套组和激光测振仪，它主要完成检波器输出幅值和振级大小的测量[1]；执行单元是指标准振动台，包括水平振动台和垂直振动台，它们用于激励检波器。

系统的工作原理是：先将功率放大器增益打开，并旋到一个合适的位置，计算机通过RS-422总线控制测控仪中的信号源产生一个一定频率一定幅值的正弦信号并接到功率放大器上，功率放大器将信号放大驱动标准振动台，根据所设计的振级调整算法将振动台调整到预定振级。固联在标准振动台上的地震检波器和标准传感器与振动台有着相同的运动规律，地震检波器的输出信号通过测控仪中的多通道数据采集卡采集并传送给计算机，计算机通过校准软件对该信号进行分析，得出信号幅值和相位等参数[2]。振动台振级大小在绝对法时通过激光测振仪来测量，在相对法时通过标准传感器来测量，这个过程也需要采用计算机软件来完成。计算机根据这些数据计算检波器的性能指标。试验结束后，测试结果将以报表的形式保存为Excel文件，完成检波器的自动校准。

从自动化校准的原理中可以看出，实现自动校准的关键在于找到一个可控的信号源，可控的频比计数器和可控的数据采集卡，实现它们的控制；并且设计一种振级调整的控制算法自动调整振动台的振级；然后开发一套能够完成仪器控制、数据处理和分析以及结果显示和保存的校准软件。

3. 自动化校准系统的硬件组成

地震检波器自动化校准系统的硬件包括：中频标准振动台系统(包括垂直向和水平向振动台、功率放大器)、激光测振仪、VCS-III振动校准装置测控仪、标准传感器套组、计算机。各硬件的技术要求和选择依据如下：

(1) 中频标准振动台系统

标准振动台系统是整个系统的基础，它用来产生一个机械振动以激励检波器。标准振动台主要的技术指标是失真度和横向比，它们主要取决于振动台机械部分的设计与制造精度和功率放大器的性能。这里我们设计的是中频标准振动台，包括水平振动台和垂直振动台，水平振动台主要用于检波器假频的检测，垂直振动台主要用于检波器幅相特性的校准。它们的主要技术指标如下表1：

Table 1. Main technical specifications of the shaking table

表1. 振动台主要技术指标

名称	垂直台	水平台
频率范围	1~2000 Hz	1~500 Hz
最大位移	5 mm (p-p)	5 mm (p-p)
最大速度(峰值)	0.2 m/s	0.2 m/s
满载最大加速度(峰值)	100 m/s^2	40 m/s^2
失真度	≤1% (5~1000 Hz)	≤1% (5~200 Hz)
加速度横向振动比	≤3% (5~1000 Hz)	≤3% (5~200 Hz)

(2) 激光测振仪

激光测振仪是用于测量振动台振级大小的精密设备，我们采用的是中国计量院研制的HQLV-02型零差正交激光测振仪，它的主要性能指标如下：

① 测试频率：0.1~3000 Hz

② 最大速度：0.2 m/s (单峰值)

(3) VCS-III振动校准装置测控仪

VCS-III振动校准装置测控仪(简称测控仪)是我研究室研发的专用仪器，可通过RS-422总线与计算机通信，实现远程控制。该仪器有四个模块：通信模块、频比计数模块、数据采集模块和正弦信号产生模块，能够实现三个功能：频比计数器、数据采集卡和正弦信号发生器。仪器的各个功能需要计算机进行远程控制才能实现，这需要制定一套针对该仪器的通信协议。计算机通过RS-422总线向测控仪的通信模块发送协议中的指令，通信模块根据指令控制仪器实现相应功能。仪器的通信协议将在下面的章节中介绍，各个功能的主要性能指标如下：

① 频比计数器

• 频比计数范围：1~10⁹

• 计数上限频率：>3 MHz

• 输入电压范围：0~±5 V

② 数据采集卡

• 最高采样率：100 kHz

• 模拟输入通道数：8通道并行采集

• 分辨率：24位

• 输入幅值范围：±10 V

③ 正弦信号发生器

• 频率范围：0.01~100 kHz

• 幅值范围：0~5 V

(4) 标准传感器套组

标准传感器套组用于相对法校准检波器，一般在中频校准时常选择压电式加速度传感器和配套的电荷放大器作为标准传感器套组，因为这类传感器的工作频率范围很宽。我们选择B&K公司的8305型加速度传感器和2525型电荷放大器作为标准传感器套组，8305型加速度传感器的主要性能指标如下：

① 工作频率：0.2~4400 Hz

② 共振频率：38 kHz

③ 最大测量范围：1000 g

4. 系统中仪器控制的方法

仪器控制是指通过计算机上的软件远程控制总线上的一台或多台仪器。将仪器与计算机连接起来协同工作，可以拓展和延伸仪器的功能，搭建自动化的测控系统。地震检波器自动校准系统正是利用了仪器控制技术，通过对测控仪的远程控制，改变信号发生器的幅值和频率，设置数据采集卡和频比计数器的参数，实现系统的自动化。仪器控制的实现，需要选择一个合适的软件开发平台、合适的总线、合适的仪器驱动程序。如果是自行开发的仪器和设备，还需制定一套仪器与计算机之间的通信协议。

LabVIEW是专门针对仪器控制开发的平台，它支持多种仪器的驱动和总线，能够十分方便地进行仪器控制，因此我们选择LabVIEW作为软件开发平台，基于LabVIEW的仪器控制系统构架如图2所示。LabVIEW中提供了许多种类的仪器驱动程序，这些仪器驱动程序用LabVIEW和LabWindows/CVI编写，并使用了虚拟仪器软件构架(VISA)或可交换虚拟仪器协议(IVI)。值得一提的是，通过VISA用户能够与大多数仪器总线连接，包括BPIB、USB和串口等，而无论底层是何种硬件接口，用户只需要面对统一的编程接口。由于系统中的可编程仪器测控仪是自行研发的，所以我们选择VISA为仪器控制的驱动程序[3]。在整个系统中，可以实现程控的设备是测控仪。

Figure 2. Architecture of a LabVIEW-based virtual instrument control system

图2. 基于LabVIEW的虚拟仪器控制系统构架

5. 振级调整算法的优化

地震检波器的校准系统是个中频校准系统，振级调整算法可以采用逐次逼近法，其基本思想是根据设定步长逐次调节信号源幅值，直到振动台达到设定振级为止。该方法调整时对振动台的冲击小，但用时长，对于只需进行一个频点的试验速度还可以接受。但如果在幅相特性校准和假频检测的时候也采用逐次逼近的方法来调整振级，为了不对振动台产生冲击，每变换一次频率都要经历一次调整过程，非常费时。为了提高校准效率，我们对逐次逼近算法进行改进，提出一种在高频段移频的方法实现振级调整，具体做法是：第一个频点测试，通过逐次逼近法将振动台由静止调整到预定振级，进行测试；接下来的频点测试并不把振动台调到静止状态，而是直接把频率缓慢变换到下一个频点，然后再经过一次粗调和细调将振级调整到设定的大小，进行测试[4]。整个过程的流程图如下图3。

6. 校准方法实验研究

由于采用了正弦逼近法，系统不但能校准检波器的幅频特性，还能校准检波器的相频特性。表2是20DX型地震检波器的实验结果，图4和图5分别是根据表中数据画出的检波器幅频特性曲线和相频特性曲线。这种类型的检波器出厂灵敏度为20% ± 5% mV/mm/s，自然频率为10% ± 5% Hz。实验时一共选择了5 Hz到1000 Hz内的35个频点，振级为10 mm/s。相位差是指检波器的相位与振动台的相位差。表中灵敏度偏差的计算公式为

$e_i=\frac{S_i-S_{\text{r}}}{S_{\text{r}}}\times 100\%$ (1)

式中，S_i为检波器的第i个频点的测试灵敏度；S_r为检波器的出厂灵敏度。

从测试结果中可以看出，检波器的幅相特性曲线的趋势与理论上的基本一致。检波器的灵敏度在20 Hz到600 Hz之间的灵敏度偏差小于5%，这恰是检波器的工作频率段，所以该检波器的灵敏度符合规定的要求。

Figure 3. Flowchart of frequency shift vibration level control algorithm

图3. 移频振级控制算法流程图

Table 2. Results of amplitude and phase characteristic calibration experiments

表2. 幅相特性校准实验结果

频率 (Hz)	振级 (mm/s)	传感器输出 (mVrms)	灵敏度 (mV/mm/s)	相位差 (°)	灵敏度偏差 (%)
5	9.80	33.66	4.87	−43.15	−75.6
10	10.10	103.42	14.44	−89.91	−27.8
15	10.20	135.37	18.74	−120.78	−6.3
20	9.80	138.26	19.93	−137.33	−0.3
25	9.90	142.19	20.22	−147.03	1.1
30	9.90	143.40	20.41	−153.26	2.1
35	9.90	143.65	20.48	−157.62	2.4
40	9.90	143.81	20.47	−161.98	2.3
45	9.90	141.55	20.15	−163.22	0.7
50	9.90	142.34	20.24	−165.19	1.2
60	9.90	142.54	20.37	−168.44	1.8
70	9.90	142.39	20.37	−170.76	1.8
80	9.90	142.15	20.26	−172.53	1.3
90	9.90	142.25	20.26	−173.96	1.3
100	9.90	142.49	20.25	−175.25	1.2
110	9.96	142.60	20.24	−176.26	1.2
120	9.97	142.57	20.22	−177.22	1.1
140	9.94	141.90	20.19	−178.8	0.9
150	9.97	142.21	20.17	−179.54	0.8
200	9.91	140.78	20.09	−177.63	0.4
250	9.94	140.21	19.96	−175.33	−0.2
300	9.96	139.84	19.86	−173.51	−0.7
350	9.96	139.15	19.76	−171.74	−1.2
400	9.97	138.30	19.62	−170.07	−1.9
450	9.98	137.44	19.48	−168.62	−2.6
500	10.00	136.87	19.35	−167.27	−3.2
600	10.31	139.31	19.11	−164.69	−4.4
650	10.02	134.36	18.97	−163.57	−5.1
700	10.01	133.33	18.83	−162.49	−5.8
750	10.16	134.83	18.77	−161.43	−6.2
800	10.03	132.49	18.69	−160.23	−6.5
850	10.03	131.47	18.55	−159.18	−7.2
900	10.03	130.27	18.37	−158.12	−8.1
950	10.08	130.55	18.31	−157.54	−8.4
1000	10.05	129.90	18.28	−156.71	−8.6

Figure 4. Experimental curves of amplitude-frequency response

图4. 幅频特性实验曲线

Figure 5. Experimental curves of phase frequency response

图5. 相频特性实验曲线

实验表明，幅相特性校准模块能够完成地震检波器幅频特性和相频特性的校准，且结果较为理想。

NOTES

^*通讯作者。