2.5　振动系统主要配置和要素

1. 系统配置

振动系统的主要配置和要素如表2-12所示。

2. 关键参数与说明

1）振动台体

振动台体的关键参数和要求如表2-13所示。

以上的性能参数在验收报告的图谱中通常需要包含驱动线。

2）功率放大器

功率放大器的关键参数和要求（通常由供应商推荐）如表2-14所示。

3）冷却装置

（1）冷却风机（风冷台）

风冷振动台冷却风机的关键参数和要求（通常由供应商推荐）如表2-15所示。

（2）冷却机组（水冷台）

水冷振动台冷却机组的关键参数和要求（通常由供应商推荐）如表2-16所示。

4）水平滑台

振动台水平滑台的关键参数和要求（通常由供应商推荐）如表2-17所示。

5）垂直扩展台

振动台选配的垂直扩展台的关键参数和要求（通常由供应商推荐）如表2-18所示。

3. 安全要素

1）安全要求与承诺

（1）符合安全标准要求

振动试验系统属于实验室用仪器，必须符合GB 4793.1—2007《测量、控制和实验室用电气设备的安全要求　第1部分：通用要求》规定的要求。

（2）安全保障原理图

系统应配备安全保障原理图，说明功率放大器、振动台体、上励磁、下励磁、动圈、消磁线圈及其他全部大功率发热部件的安全保护原理。

（3）安全承诺

振动系统需确保在任何情况下都能实现自动保护，必须在所有的安全问题发生之前切断信号和电源。万一振动系统仍然发生了冒烟、火灾等安全问题，触动了操作方的烟感报警和喷淋装置喷水，造成了操作方的设备损坏、建筑受损、人员伤害等问题，系统制造方必须在第一时间给出书面解释，分析造成该安全问题的原因，给出解决方案和措施，以保证不会再出现类似的安全问题，同时承担由此造成的一切后果并赔偿全部的损失。

2）系统控制、监控及保护

（1）热保护功能

功率放大器、振动台体、消磁线圈、冷却装置等大功率发热部件，均需采取相应可靠的温度保护措施，如风压不足、台体过热、动圈过热、励磁过热等的报警和停机。

水冷台还需具有外循环水及台体（动圈、上励磁、下励磁）每一分路的内循环水的温度、流量、压力等的保护，以防任何一路循环水出现堵塞或因电化学腐蚀等造成的循环水泄漏，系统均有流量不足、压力不足、水位过低、水温过高等的报警和停机保护措施。

（2）电冲击防护功能

突然停电或突然上电不应导致系统熔丝烧损、机械结构冲击破坏等事故，同时由于控制仪驱动电缆或传感器电缆松动带来的信号冲击均不应造成系统失效性故障。

（3）电网异常保护

振动台在电网缺相、电网过压、电网欠压等情况下不能继续振动，应自动切断振动信号并启动相应保护。

（4）动圈过限位保护功能

动圈具有可靠的上下限位移保护装置，功率放大器上应显示“位移过限”报警且系统不能启动，直到该报警解除。

（5）水平滑台油泵运转联锁

振动系统处于水平方向时，如果水平滑台的供油油泵没有开启或供油压力过低，则功率放大器上应显示“滑台油泵”报警且振动台不能启动，直到油泵开启后该报警才自动关闭。

（6）急停开关

系统在醒目位置有红色急停开关，以便在发生突发事件时可以立即切断系统信号和电源。

（7）其他保护

系统还需具有输出过载、输出过电流、输出过电压、振动控制仪输出“0”位、时序、驱动电源、模块直通、箱体故障、逻辑故障、控制量级、外部联锁、门开关、漏电等保护。

（8）台体/滑台防止水、油、气进入

系统需确保工作环境中的水、油、气等可燃物不会进入振动台的动圈与绕组之间，也不会进入水平滑台的润滑油中。

（9）警告标示

系统上所有可能导致设备损坏或人员伤害的操作部位都应有明显的警告标示，如功率放大器上有系统允许最大电压、最大电流参数标识及重要参数量程百分比显示等。

4. 质量要素

1）系统符合质量标准要求

系统必须符合JJG 948—2018《数字式电动振动试验系统检定规程》各项指标中的A级要求；

系统必须符合JJG 1000—2005《电动水平振动试验台检定规程》各项指标中的要求。

2）系统持续运行能力

在80%的额定载荷下，系统可以连续进行3个24h的试验，每个试验持续运行24h，中途系统不能停下来冷却，每个试验的间隔不超过1h。

在50%的额定载荷下，系统可持续运行的时间大于200h。

5. 相关要素

1）职业健康

系统必须符合GB/T 28001—2001《职业健康安全管理体系规范》规定的要求，以避免职业安全卫生造成的直接、间接损失。

2）环境

（1）符合电磁辐射标准要求

系统必须符合GB 8702—2014《电磁环境控制限值》对电磁辐射规定的要求，以避免对周边设备或环境造成影响。

振动台电源与样品加载用电源之间有干扰隔离。

（2）符合环境标准要求

振动系统（含冷却风机、功率放大器）产生的振动、噪声必须符合国家标准GB 3096—2008《声环境质量标准》对振动、噪声规定的要求，以避免对周边环境造成影响。

原则上系统全频段、全负荷工作时，产生的振动、噪声不会对外界产生明显的干扰，周围房间和楼层应无振感且不会使在周围房间和区域工作的人员感到明显不适；必要时可采用降噪处理，如隔音处理、采用低噪声风机等。

3）干扰

主要的干扰源有振动台面对振动控制的干扰、振动台面对样品/样品加载设备的干扰、功率放大器对样品/样品加载设备的干扰。

在加速度传感器上加装绝缘座、采用低辐射功率放大器等方法可以解决以上问题。

4）节能

系统具有自动定时关机功能，能在试验后自动切断信号和延时切断电源；系统可根据需要调节高低励磁控制，从而减少励磁能耗。

5）联动

系统可实现与三综合温湿度箱、样品加载等设备的信号对接。在试验过程中，当某一设备停止工作时能够自动停止试验，以避免试验过程中某设备已停止工作，而试验继续进行的情况发生，否则将导致试验结果出错。

6）操作

系统上所有的阀门、按钮、量程表等都需要贴有名称标识。

振动台体水平和垂直互换时使用的手柄应处于操作人员方便操作的位置。

振动台体水平和垂直互换时水平滑台和牛头的对接方式应简单且易于操作。

风冷台台体转换冷却风管应设计为不需要人为拆装。

在滑台启动后，水平滑台底部与花岗岩之间溢出的润滑油应方便观察。

功率放大器的报警声音可通过手动操作强制静音，但下次重启后，静音功能应自动取消，报警功能自动恢复。

在功率放大器的控制面板中选择了一个选项，其他选项在系统开启后需显示为灰色，不允许再更改。

功率放大器的功能还包括历史报警记录回放、系统运行历程记录、系统工作时间累积、系统权限管理、无人值守运行状态监测。

6. 安装要素

系统所有的外表面平整，油漆良好，所有的金属零部件、工装夹具外表面都必须防锈、防湿，如果材质本身没有这样的功能，则必须进行防锈、防湿和隐蔽处理。

1）安装任务与参数要求

供应商必须事先到现场了解情况，以便更好地进行安装与调试。

（1）系统对环境和动力设施的要求

振动系统对环境和动力设施的要求（通常由供应商推荐）如表2-19所示。

（2）系统安装任务分工

振动系统设备安装任务分工（通常由供需双方协商）如表2-20所示。

（3）系统安装要求

① 底座与地面的配合：安装需符合地平图纸和安装位置尺寸要求。

② 电缆布置：要求设备所有连接电缆布置合理、整洁，必要时需增加走线槽或套管。电缆布置不允许有交叉、与其他物品发生摩擦和经过设备的导轨等情况发生。

③ 隔振气囊的保护：振动台体底部的隔振气囊进气口需采取保护措施或进行隐蔽处理，以避免发生人为损坏。

④ 风冷冷却风管位置布置需合理。

⑤ 水冷台冷却水管的布置：冷却抽风管的管路不宜过长，以避免台体散热效率降低；另外，抽风管的管口需避免有应力。要求冷却水管布置合理、整洁，没有交叉等情况，必要时增加保护罩。

⑥ 水冷台冷凝水的防护：所有冷却水管等低温部件的外部都需要增加保温棉，以防止系统在工作中产生冷凝水。

⑦ 系统接地：系统安装完毕后需进行接地处理。

7. 验收要素

1）预验收

验收地点：在供应商处进行。

验收参与人员：设备供应商、用户公司技术人员。

技术指标：按上述第1～5项逐个验收，要求设备所有的生产制造环节完成，系统所有的功能都能够实现。

2）终验收

① 验收地点：在用户公司现场安装、调试完成后进行验收。

② 验收参与人员：有标定资质的标定机构、用户公司技术人员、设备供应商。

③ 技术指标：由用户公司技术人员、设备供应商根据上述第1～6项逐个验收，以确保系统所有的功能都能够实现。

④ 振动台标定：由有标定资质的标定机构按JJG 948—2018《数字式电动振动试验系统检定规程》、JJG 1000—2005《电动水平振动试验台检定规程》进行各项指标的验收。

⑤ 培训：必要时设备供应商应对用户公司的操作人员进行相关的培训。

⑥ 资料：振动系统供应商需要向用户提供的资料如表2-21所示。

8. 售后服务

系统提供免费的保修期，保修期自计量合格起开始计算。

当振动台系统出现故障时，供应商应能快速做出反应和解决故障。

在设备的整个使用期内，设备供应商必须提供终身的修理维护服务。

本技术要求可作为合同的附件执行，所述指标要求若高于国家标准，则按本技术要求执行；若低于国家标准，则按国家标准执行。

9. 加速度传感器

1）选用的主要因素

选用加速度传感器需要考虑的主要因素如表2-22所示。

2）压电式加速度传感器的基本原理

压电式加速度传感器简称压电加速度计，当它与结构一起振动时，传感器内质量块在加速度的作用下将产生惯性力而使晶体片加压，由于晶体片的压电效应而产生电荷，在一定压力范围内，输出电荷与加速度成正比。所以通过测量压电加速度计输出的电荷即可确定加速度的大小。压电式加速度传感器的基本原理如图2-16所示。

3）恒流源

恒流源供电电流为2～20mA，供电电压为15～35V DC。这是IEPE传感器正常工作需要的电压/电流的范围，可以匹配大部分的数据采集系统。

4）ICP与IEPE

常规ICP传感器满量程输出的模拟电压大小为±5V。

ICP传感器采用2～20mA的恒流源进行供电，常规电流大小为2mA。当电缆长度长于30m时，恒流源的电流则需要调大，因为电流的大小影响高频数据。恒流源计算图如图2-17所示。

ICP是PCB PIEZOTRONICS INC.公司的注册专利；其他公司通常使用IEPE来表述这一概念。

5）电压型/电荷型传感器的优缺点

电压型和电荷型加速度传感器的优缺点比较如表2-23所示。

6）灵敏度的意义

传感器在把物理量转换为电信号的过程中的比例系数称为灵敏度。例如，PCB的高温单轴ICP加速度传感器320C18的灵敏度为10mV/g，则当输入1g的振动量时，输出10mV的电压信号；PCB的高温单轴电荷加速度传感器357B03的灵敏度为10pC/g（注意pC是电荷的单位），则当输入1g的振动量时，输出10pC的电荷信号。

其中，1g=9.8m/s2。英制单位中用g表达，公制单位中用m/s2进行表达，所以在传感器的Datasheet中的灵敏度有两种表达方式，320C18和357B03英制（English）和公制（SI）灵敏度如图2-18所示。

7）灵敏度的选用

电荷输出型加速度传感器的输出形式为电荷，其单位为pC/g；电压输出型加速度传感器的输出形式为电压，其单位为mV/g。

（1）电压型加速度传感器

电压型加速度传感器会受到电压输出的限制，常规的电压型传感器满量程输出的模拟电压信号为±5V，而输出电压=灵敏度×输入的振动量，所以灵敏度和输入的振动量（量程）成反比关系。例如，灵敏度为1mV/g的加速度传感器，其量程为5000g；灵敏度为10mV/g的加速度传感器，其量程为500g；灵敏度为100 mV/g的加速度传感器，其量程为50g；灵敏度为1000 mV/g的加速度传感器，其量程则为5g。

（2）电荷型加速度传感器

电荷型加速度传感器的灵敏度推荐使用10 pC/g±2%。但进行很低量级试验时，宜用较高灵敏度的传感器，信噪比较高。例如，进行一个0.1g峰值加速度的正弦扫频试验，传感器灵敏度为10 pC/g时，产生1pC的电荷；而传感器灵敏度为100 pC/g时，产生的电荷为10pC。任何事情总是一分为二的，传感器灵敏度的增加会造成可用频率范围的减小，原因在于灵敏度增加会造成传感器谐振频率的降低。通常灵敏度为10 pC/g的传感器，使用频率上限为5000Hz，此频率处的响应偏差为±5%。灵敏度越低的传感器，其灵敏度通常随频率的变化越大。

8）温度范围

电荷型加速度传感器通常最高温度可达260℃，而标准的电压型加速度传感器最高温度通常低于185℃。

9）灵敏度与温度

以某品牌、型号的传感器为例，在快速升降温的情况下，传感器温度和灵敏度曲线如图2-19所示。

10）频响曲线

以某品牌、型号的传感器为例，常见加速度传感器的频响曲线如图2-20所示。

11）质量

加速度传感器的质量会使测试项的质量增加，进而影响测试项的动态性能。

12）偏置电压

仅适用于电压型加速度传感器，它反映了集成电路工作所需的DC电压。不同的制造商可能差异会比较大，但并不是高的一定比低的好，它只是集成电路的一个特征值。

13）饱和极限

饱和极限指加速度传感器的峰值测量范围。

14）基座应力/基座弯曲

基座发生弯曲时会产生额外的应力，并对压电敏感元件产生影响。由于它不是由真实的振动引起的，所以也是一种误差。该现象一般存在于压缩型设计的加速度传感器中，而在采用剪切设计和K剪切设计的加速度传感器中很少见。该误差不应大于5%。

15）稳定时间

这是电压型加速度传感器内部的电子电路设置偏置电压并达到正常工作条件所需的时间。

16）标定

如果使用恰当，加速度传感器正常可工作数十年。但随着使用年限的增加，定期的标定是必要的。对所有类型、品牌、型号的加速度传感器推荐每年标定一次。标定可以检查加速度传感器的使用是否正确，并确保日常使用过程中没有损坏。关键是检查交叉轴的调整误差不能大于5%，且温度和频率范围也是要重点检查的。最终是要确保标定后的加速度传感器各方面均能满足实际应用需要。

17）交叉轴的调整误差

交叉轴的调整误差是重新标定加速度传感器时的一个关键参数。交叉轴的调整误差是由交叉轴方向的振动引起的主轴向振动偏差，典型值为5%以下。

18）线缆的选择

电荷型加速度传感器必须选择低噪线缆。低噪的意思是指线缆具有减小摩擦电噪声的能力，而非电气噪声。它是通过在导电内芯的外表增加石墨或银涂层实现的。如果非低噪线缆发生移动，则会额外增加一个信号，从而导致数据分析时产生误差。

电压型加速度传感器对线缆的容忍度较高，几乎所有的线缆都可以使用。传统的同轴电缆用得最多。如果实验室中同时使用电荷型和IEPE型加速度传感器，为了避免出错，则最好统一选用低噪线缆。

19）线缆的修复与测试

线缆是可以修复再利用的。其实大部分的线缆接头都是标准的（如10-32UNF微头BNC），通常传感器供应商对所有型号的线缆都可以提供测试和维修服务。而且很多线缆都是其中一个接头损坏，只要更换一个接头即可修复，和新的线缆一样好用，而线缆的长度并没有缩短。另外，最常用的线缆材料是PTFE塑料，而PTFE塑料在分解后是会产生有毒有害物质的，因此修复破旧线缆是实实在在的环保行为。可以通过测量传感器线缆的电阻来判断传感器线缆的好坏，有问题的线缆可能会有噪声。

20）电荷放大器的基本原理

压电加速度计配套的二次仪表常用电荷放大器，电荷放大器是一种高增益的带电容负反馈且输入阻抗极高的运算放大器。它的输出电压与压电加速度计发出的电荷成正比，与反馈电容成反比，它受电缆电容的影响很小，这是电荷放大器的一个主要优点。电荷放大器的输入端一定要很好地加以屏蔽。