2.5　振動系統(tǒng)主要配置和要素

1. 系統(tǒng)配置

振動系統(tǒng)的主要配置和要素如表2-12所示。

2. 關(guān)鍵參數(shù)與說明

1）振動臺體

振動臺體的關(guān)鍵參數(shù)和要求如表2-13所示。

以上的性能參數(shù)在驗收報告的圖譜中通常需要包含驅(qū)動線。

2）功率放大器

功率放大器的關(guān)鍵參數(shù)和要求（通常由供應(yīng)商推薦）如表2-14所示。

3）冷卻裝置

（1）冷卻風(fēng)機（風(fēng)冷臺）

風(fēng)冷振動臺冷卻風(fēng)機的關(guān)鍵參數(shù)和要求（通常由供應(yīng)商推薦）如表2-15所示。

（2）冷卻機組（水冷臺）

水冷振動臺冷卻機組的關(guān)鍵參數(shù)和要求（通常由供應(yīng)商推薦）如表2-16所示。

4）水平滑臺

振動臺水平滑臺的關(guān)鍵參數(shù)和要求（通常由供應(yīng)商推薦）如表2-17所示。

5）垂直擴展臺

振動臺選配的垂直擴展臺的關(guān)鍵參數(shù)和要求（通常由供應(yīng)商推薦）如表2-18所示。

3. 安全要素

1）安全要求與承諾

（1）符合安全標(biāo)準(zhǔn)要求

振動試驗系統(tǒng)屬于實驗室用儀器，必須符合GB 4793.1—2007《測量、控制和實驗室用電氣設(shè)備的安全要求　第1部分：通用要求》規(guī)定的要求。

（2）安全保障原理圖

系統(tǒng)應(yīng)配備安全保障原理圖，說明功率放大器、振動臺體、上勵磁、下勵磁、動圈、消磁線圈及其他全部大功率發(fā)熱部件的安全保護原理。

（3）安全承諾

振動系統(tǒng)需確保在任何情況下都能實現(xiàn)自動保護，必須在所有的安全問題發(fā)生之前切斷信號和電源。萬一振動系統(tǒng)仍然發(fā)生了冒煙、火災(zāi)等安全問題，觸動了操作方的煙感報警和噴淋裝置噴水，造成了操作方的設(shè)備損壞、建筑受損、人員傷害等問題，系統(tǒng)制造方必須在第一時間給出書面解釋，分析造成該安全問題的原因，給出解決方案和措施，以保證不會再出現(xiàn)類似的安全問題，同時承擔(dān)由此造成的一切后果并賠償全部的損失。

2）系統(tǒng)控制、監(jiān)控及保護

（1）熱保護功能

功率放大器、振動臺體、消磁線圈、冷卻裝置等大功率發(fā)熱部件，均需采取相應(yīng)可靠的溫度保護措施，如風(fēng)壓不足、臺體過熱、動圈過熱、勵磁過熱等的報警和停機。

水冷臺還需具有外循環(huán)水及臺體（動圈、上勵磁、下勵磁）每一分路的內(nèi)循環(huán)水的溫度、流量、壓力等的保護，以防任何一路循環(huán)水出現(xiàn)堵塞或因電化學(xué)腐蝕等造成的循環(huán)水泄漏，系統(tǒng)均有流量不足、壓力不足、水位過低、水溫過高等的報警和停機保護措施。

（2）電沖擊防護功能

突然停電或突然上電不應(yīng)導(dǎo)致系統(tǒng)熔絲燒損、機械結(jié)構(gòu)沖擊破壞等事故，同時由于控制儀驅(qū)動電纜或傳感器電纜松動帶來的信號沖擊均不應(yīng)造成系統(tǒng)失效性故障。

（3）電網(wǎng)異常保護

振動臺在電網(wǎng)缺相、電網(wǎng)過壓、電網(wǎng)欠壓等情況下不能繼續(xù)振動，應(yīng)自動切斷振動信號并啟動相應(yīng)保護。

（4）動圈過限位保護功能

動圈具有可靠的上下限位移保護裝置，功率放大器上應(yīng)顯示“位移過限”報警且系統(tǒng)不能啟動，直到該報警解除。

（5）水平滑臺油泵運轉(zhuǎn)聯(lián)鎖

振動系統(tǒng)處于水平方向時，如果水平滑臺的供油油泵沒有開啟或供油壓力過低，則功率放大器上應(yīng)顯示“滑臺油泵”報警且振動臺不能啟動，直到油泵開啟后該報警才自動關(guān)閉。

（6）急停開關(guān)

系統(tǒng)在醒目位置有紅色急停開關(guān)，以便在發(fā)生突發(fā)事件時可以立即切斷系統(tǒng)信號和電源。

（7）其他保護

系統(tǒng)還需具有輸出過載、輸出過電流、輸出過電壓、振動控制儀輸出“0”位、時序、驅(qū)動電源、模塊直通、箱體故障、邏輯故障、控制量級、外部聯(lián)鎖、門開關(guān)、漏電等保護。

（8）臺體/滑臺防止水、油、氣進入

系統(tǒng)需確保工作環(huán)境中的水、油、氣等可燃物不會進入振動臺的動圈與繞組之間，也不會進入水平滑臺的潤滑油中。

（9）警告標(biāo)示

系統(tǒng)上所有可能導(dǎo)致設(shè)備損壞或人員傷害的操作部位都應(yīng)有明顯的警告標(biāo)示，如功率放大器上有系統(tǒng)允許最大電壓、最大電流參數(shù)標(biāo)識及重要參數(shù)量程百分比顯示等。

4. 質(zhì)量要素

1）系統(tǒng)符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求

系統(tǒng)必須符合JJG 948—2018《數(shù)字式電動振動試驗系統(tǒng)檢定規(guī)程》各項指標(biāo)中的A級要求；

系統(tǒng)必須符合JJG 1000—2005《電動水平振動試驗臺檢定規(guī)程》各項指標(biāo)中的要求。

2）系統(tǒng)持續(xù)運行能力

在80%的額定載荷下，系統(tǒng)可以連續(xù)進行3個24h的試驗，每個試驗持續(xù)運行24h，中途系統(tǒng)不能停下來冷卻，每個試驗的間隔不超過1h。

在50%的額定載荷下，系統(tǒng)可持續(xù)運行的時間大于200h。

5. 相關(guān)要素

1）職業(yè)健康

系統(tǒng)必須符合GB/T 28001—2001《職業(yè)健康安全管理體系規(guī)范》規(guī)定的要求，以避免職業(yè)安全衛(wèi)生造成的直接、間接損失。

2）環(huán)境

（1）符合電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)要求

系統(tǒng)必須符合GB 8702—2014《電磁環(huán)境控制限值》對電磁輻射規(guī)定的要求，以避免對周邊設(shè)備或環(huán)境造成影響。

振動臺電源與樣品加載用電源之間有干擾隔離。

（2）符合環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)要求

振動系統(tǒng)（含冷卻風(fēng)機、功率放大器）產(chǎn)生的振動、噪聲必須符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB 3096—2008《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》對振動、噪聲規(guī)定的要求，以避免對周邊環(huán)境造成影響。

原則上系統(tǒng)全頻段、全負(fù)荷工作時，產(chǎn)生的振動、噪聲不會對外界產(chǎn)生明顯的干擾，周圍房間和樓層應(yīng)無振感且不會使在周圍房間和區(qū)域工作的人員感到明顯不適；必要時可采用降噪處理，如隔音處理、采用低噪聲風(fēng)機等。

3）干擾

主要的干擾源有振動臺面對振動控制的干擾、振動臺面對樣品/樣品加載設(shè)備的干擾、功率放大器對樣品/樣品加載設(shè)備的干擾。

在加速度傳感器上加裝絕緣座、采用低輻射功率放大器等方法可以解決以上問題。

4）節(jié)能

系統(tǒng)具有自動定時關(guān)機功能，能在試驗后自動切斷信號和延時切斷電源；系統(tǒng)可根據(jù)需要調(diào)節(jié)高低勵磁控制，從而減少勵磁能耗。

5）聯(lián)動

系統(tǒng)可實現(xiàn)與三綜合溫濕度箱、樣品加載等設(shè)備的信號對接。在試驗過程中，當(dāng)某一設(shè)備停止工作時能夠自動停止試驗，以避免試驗過程中某設(shè)備已停止工作，而試驗繼續(xù)進行的情況發(fā)生，否則將導(dǎo)致試驗結(jié)果出錯。

6）操作

系統(tǒng)上所有的閥門、按鈕、量程表等都需要貼有名稱標(biāo)識。

振動臺體水平和垂直互換時使用的手柄應(yīng)處于操作人員方便操作的位置。

振動臺體水平和垂直互換時水平滑臺和牛頭的對接方式應(yīng)簡單且易于操作。

風(fēng)冷臺臺體轉(zhuǎn)換冷卻風(fēng)管應(yīng)設(shè)計為不需要人為拆裝。

在滑臺啟動后，水平滑臺底部與花崗巖之間溢出的潤滑油應(yīng)方便觀察。

功率放大器的報警聲音可通過手動操作強制靜音，但下次重啟后，靜音功能應(yīng)自動取消，報警功能自動恢復(fù)。

在功率放大器的控制面板中選擇了一個選項，其他選項在系統(tǒng)開啟后需顯示為灰色，不允許再更改。

功率放大器的功能還包括歷史報警記錄回放、系統(tǒng)運行歷程記錄、系統(tǒng)工作時間累積、系統(tǒng)權(quán)限管理、無人值守運行狀態(tài)監(jiān)測。

6. 安裝要素

系統(tǒng)所有的外表面平整，油漆良好，所有的金屬零部件、工裝夾具外表面都必須防銹、防濕，如果材質(zhì)本身沒有這樣的功能，則必須進行防銹、防濕和隱蔽處理。

1）安裝任務(wù)與參數(shù)要求

供應(yīng)商必須事先到現(xiàn)場了解情況，以便更好地進行安裝與調(diào)試。

（1）系統(tǒng)對環(huán)境和動力設(shè)施的要求

振動系統(tǒng)對環(huán)境和動力設(shè)施的要求（通常由供應(yīng)商推薦）如表2-19所示。

（2）系統(tǒng)安裝任務(wù)分工

振動系統(tǒng)設(shè)備安裝任務(wù)分工（通常由供需雙方協(xié)商）如表2-20所示。

（3）系統(tǒng)安裝要求

① 底座與地面的配合：安裝需符合地平圖紙和安裝位置尺寸要求。

② 電纜布置：要求設(shè)備所有連接電纜布置合理、整潔，必要時需增加走線槽或套管。電纜布置不允許有交叉、與其他物品發(fā)生摩擦和經(jīng)過設(shè)備的導(dǎo)軌等情況發(fā)生。

③ 隔振氣囊的保護：振動臺體底部的隔振氣囊進氣口需采取保護措施或進行隱蔽處理，以避免發(fā)生人為損壞。

④ 風(fēng)冷冷卻風(fēng)管位置布置需合理。

⑤ 水冷臺冷卻水管的布置：冷卻抽風(fēng)管的管路不宜過長，以避免臺體散熱效率降低；另外，抽風(fēng)管的管口需避免有應(yīng)力。要求冷卻水管布置合理、整潔，沒有交叉等情況，必要時增加保護罩。

⑥ 水冷臺冷凝水的防護：所有冷卻水管等低溫部件的外部都需要增加保溫棉，以防止系統(tǒng)在工作中產(chǎn)生冷凝水。

⑦ 系統(tǒng)接地：系統(tǒng)安裝完畢后需進行接地處理。

7. 驗收要素

1）預(yù)驗收

驗收地點：在供應(yīng)商處進行。

驗收參與人員：設(shè)備供應(yīng)商、用戶公司技術(shù)人員。

技術(shù)指標(biāo)：按上述第1～5項逐個驗收，要求設(shè)備所有的生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)完成，系統(tǒng)所有的功能都能夠?qū)崿F(xiàn)。

2）終驗收

① 驗收地點：在用戶公司現(xiàn)場安裝、調(diào)試完成后進行驗收。

② 驗收參與人員：有標(biāo)定資質(zhì)的標(biāo)定機構(gòu)、用戶公司技術(shù)人員、設(shè)備供應(yīng)商。

③ 技術(shù)指標(biāo)：由用戶公司技術(shù)人員、設(shè)備供應(yīng)商根據(jù)上述第1～6項逐個驗收，以確保系統(tǒng)所有的功能都能夠?qū)崿F(xiàn)。

④ 振動臺標(biāo)定：由有標(biāo)定資質(zhì)的標(biāo)定機構(gòu)按JJG 948—2018《數(shù)字式電動振動試驗系統(tǒng)檢定規(guī)程》、JJG 1000—2005《電動水平振動試驗臺檢定規(guī)程》進行各項指標(biāo)的驗收。

⑤ 培訓(xùn)：必要時設(shè)備供應(yīng)商應(yīng)對用戶公司的操作人員進行相關(guān)的培訓(xùn)。

⑥ 資料：振動系統(tǒng)供應(yīng)商需要向用戶提供的資料如表2-21所示。

8. 售后服務(wù)

系統(tǒng)提供免費的保修期，保修期自計量合格起開始計算。

當(dāng)振動臺系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，供應(yīng)商應(yīng)能快速做出反應(yīng)和解決故障。

在設(shè)備的整個使用期內(nèi)，設(shè)備供應(yīng)商必須提供終身的修理維護服務(wù)。

本技術(shù)要求可作為合同的附件執(zhí)行，所述指標(biāo)要求若高于國家標(biāo)準(zhǔn)，則按本技術(shù)要求執(zhí)行；若低于國家標(biāo)準(zhǔn)，則按國家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

9. 加速度傳感器

1）選用的主要因素

選用加速度傳感器需要考慮的主要因素如表2-22所示。

2）壓電式加速度傳感器的基本原理

壓電式加速度傳感器簡稱壓電加速度計，當(dāng)它與結(jié)構(gòu)一起振動時，傳感器內(nèi)質(zhì)量塊在加速度的作用下將產(chǎn)生慣性力而使晶體片加壓，由于晶體片的壓電效應(yīng)而產(chǎn)生電荷，在一定壓力范圍內(nèi)，輸出電荷與加速度成正比。所以通過測量壓電加速度計輸出的電荷即可確定加速度的大小。壓電式加速度傳感器的基本原理如圖2-16所示。

3）恒流源

恒流源供電電流為2～20mA，供電電壓為15～35V DC。這是IEPE傳感器正常工作需要的電壓/電流的范圍，可以匹配大部分的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

4）ICP與IEPE

常規(guī)ICP傳感器滿量程輸出的模擬電壓大小為±5V。

ICP傳感器采用2～20mA的恒流源進行供電，常規(guī)電流大小為2mA。當(dāng)電纜長度長于30m時，恒流源的電流則需要調(diào)大，因為電流的大小影響高頻數(shù)據(jù)。恒流源計算圖如圖2-17所示。

ICP是PCB PIEZOTRONICS INC.公司的注冊專利；其他公司通常使用IEPE來表述這一概念。

5）電壓型/電荷型傳感器的優(yōu)缺點

電壓型和電荷型加速度傳感器的優(yōu)缺點比較如表2-23所示。

6）靈敏度的意義

傳感器在把物理量轉(zhuǎn)換為電信號的過程中的比例系數(shù)稱為靈敏度。例如，PCB的高溫單軸ICP加速度傳感器320C18的靈敏度為10mV/g，則當(dāng)輸入1g的振動量時，輸出10mV的電壓信號；PCB的高溫單軸電荷加速度傳感器357B03的靈敏度為10pC/g（注意pC是電荷的單位），則當(dāng)輸入1g的振動量時，輸出10pC的電荷信號。

其中，1g=9.8m/s2。英制單位中用g表達(dá)，公制單位中用m/s2進行表達(dá)，所以在傳感器的Datasheet中的靈敏度有兩種表達(dá)方式，320C18和357B03英制（English）和公制（SI）靈敏度如圖2-18所示。

7）靈敏度的選用

電荷輸出型加速度傳感器的輸出形式為電荷，其單位為pC/g；電壓輸出型加速度傳感器的輸出形式為電壓，其單位為mV/g。

（1）電壓型加速度傳感器

電壓型加速度傳感器會受到電壓輸出的限制，常規(guī)的電壓型傳感器滿量程輸出的模擬電壓信號為±5V，而輸出電壓=靈敏度×輸入的振動量，所以靈敏度和輸入的振動量（量程）成反比關(guān)系。例如，靈敏度為1mV/g的加速度傳感器，其量程為5000g；靈敏度為10mV/g的加速度傳感器，其量程為500g；靈敏度為100 mV/g的加速度傳感器，其量程為50g；靈敏度為1000 mV/g的加速度傳感器，其量程則為5g。

（2）電荷型加速度傳感器

電荷型加速度傳感器的靈敏度推薦使用10 pC/g±2%。但進行很低量級試驗時，宜用較高靈敏度的傳感器，信噪比較高。例如，進行一個0.1g峰值加速度的正弦掃頻試驗，傳感器靈敏度為10 pC/g時，產(chǎn)生1pC的電荷；而傳感器靈敏度為100 pC/g時，產(chǎn)生的電荷為10pC。任何事情總是一分為二的，傳感器靈敏度的增加會造成可用頻率范圍的減小，原因在于靈敏度增加會造成傳感器諧振頻率的降低。通常靈敏度為10 pC/g的傳感器，使用頻率上限為5000Hz，此頻率處的響應(yīng)偏差為±5%。靈敏度越低的傳感器，其靈敏度通常隨頻率的變化越大。

8）溫度范圍

電荷型加速度傳感器通常最高溫度可達(dá)260℃，而標(biāo)準(zhǔn)的電壓型加速度傳感器最高溫度通常低于185℃。

9）靈敏度與溫度

以某品牌、型號的傳感器為例，在快速升降溫的情況下，傳感器溫度和靈敏度曲線如圖2-19所示。

10）頻響曲線

以某品牌、型號的傳感器為例，常見加速度傳感器的頻響曲線如圖2-20所示。

11）質(zhì)量

加速度傳感器的質(zhì)量會使測試項的質(zhì)量增加，進而影響測試項的動態(tài)性能。

12）偏置電壓

僅適用于電壓型加速度傳感器，它反映了集成電路工作所需的DC電壓。不同的制造商可能差異會比較大，但并不是高的一定比低的好，它只是集成電路的一個特征值。

13）飽和極限

飽和極限指加速度傳感器的峰值測量范圍。

14）基座應(yīng)力/基座彎曲

基座發(fā)生彎曲時會產(chǎn)生額外的應(yīng)力，并對壓電敏感元件產(chǎn)生影響。由于它不是由真實的振動引起的，所以也是一種誤差。該現(xiàn)象一般存在于壓縮型設(shè)計的加速度傳感器中，而在采用剪切設(shè)計和K剪切設(shè)計的加速度傳感器中很少見。該誤差不應(yīng)大于5%。

15）穩(wěn)定時間

這是電壓型加速度傳感器內(nèi)部的電子電路設(shè)置偏置電壓并達(dá)到正常工作條件所需的時間。

16）標(biāo)定

如果使用恰當(dāng)，加速度傳感器正常可工作數(shù)十年。但隨著使用年限的增加，定期的標(biāo)定是必要的。對所有類型、品牌、型號的加速度傳感器推薦每年標(biāo)定一次。標(biāo)定可以檢查加速度傳感器的使用是否正確，并確保日常使用過程中沒有損壞。關(guān)鍵是檢查交叉軸的調(diào)整誤差不能大于5%，且溫度和頻率范圍也是要重點檢查的。最終是要確保標(biāo)定后的加速度傳感器各方面均能滿足實際應(yīng)用需要。

17）交叉軸的調(diào)整誤差

交叉軸的調(diào)整誤差是重新標(biāo)定加速度傳感器時的一個關(guān)鍵參數(shù)。交叉軸的調(diào)整誤差是由交叉軸方向的振動引起的主軸向振動偏差，典型值為5%以下。

18）線纜的選擇

電荷型加速度傳感器必須選擇低噪線纜。低噪的意思是指線纜具有減小摩擦電噪聲的能力，而非電氣噪聲。它是通過在導(dǎo)電內(nèi)芯的外表增加石墨或銀涂層實現(xiàn)的。如果非低噪線纜發(fā)生移動，則會額外增加一個信號，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)分析時產(chǎn)生誤差。

電壓型加速度傳感器對線纜的容忍度較高，幾乎所有的線纜都可以使用。傳統(tǒng)的同軸電纜用得最多。如果實驗室中同時使用電荷型和IEPE型加速度傳感器，為了避免出錯，則最好統(tǒng)一選用低噪線纜。

19）線纜的修復(fù)與測試

線纜是可以修復(fù)再利用的。其實大部分的線纜接頭都是標(biāo)準(zhǔn)的（如10-32UNF微頭BNC），通常傳感器供應(yīng)商對所有型號的線纜都可以提供測試和維修服務(wù)。而且很多線纜都是其中一個接頭損壞，只要更換一個接頭即可修復(fù)，和新的線纜一樣好用，而線纜的長度并沒有縮短。另外，最常用的線纜材料是PTFE塑料，而PTFE塑料在分解后是會產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)的，因此修復(fù)破舊線纜是實實在在的環(huán)保行為。可以通過測量傳感器線纜的電阻來判斷傳感器線纜的好壞，有問題的線纜可能會有噪聲。

20）電荷放大器的基本原理

壓電加速度計配套的二次儀表常用電荷放大器，電荷放大器是一種高增益的帶電容負(fù)反饋且輸入阻抗極高的運算放大器。它的輸出電壓與壓電加速度計發(fā)出的電荷成正比，與反饋電容成反比，它受電纜電容的影響很小，這是電荷放大器的一個主要優(yōu)點。電荷放大器的輸入端一定要很好地加以屏蔽。