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国家标准装置为超低频振动计量提供技术支撑

行业上下游中国仪表网2012年06月14日 10:26人气:7989

  慕名步入中国计量科学研究院(以下简称“中国计量院”)昌平实验基地的振动与重力实验室,眼前这个地基构筑在基岩上的大家伙——超低频振动国家标准装置,让人震撼不已。工作台上,一排大小不一、形状各异的待检仪器,最先吸引了记者的注意。
  
  “这个黑色方块是用于桥梁振动测量的传感器、这个高压锅状的是长周期地震计……”,装置负责人中国计量院力学与声学研究所副所长于梅如数家珍。而为这些传感器、地震计等提供校准服务的,正是获得2011年度全国质检系统“科技兴检”一等奖的“超低频振动国家标准装置”。
  
  超低频振动计量需求迫切
  
  行驶在跨海大桥上,由风导致的桥梁振动;在高层建筑的某层屋内,楼下汽车发动的振动;在实验室里,一公里外地铁驶过的振动……在日常生活中,这些细微振动变化您也许早已司空见惯,不以为意。但对于地震观测、地质勘探、环境监测、航空航天、精密制造等领域来说,振动监控具有重要的意义。
  
  据中国计量院振动与重力实验室的杨丽峰介绍,计量部门通常将振动分为高频、中频、低频三个频段。高频(5-50)kHz主要应用于航空航天领域;中频(20-5000)Hz主要应用于电子通讯、交通车辆和机械制造等领域;低频(0.1-120)Hz主要应用于水利电力、桥梁大坝和环境监测等领域。
  
  超低频振动(0.002-0.1)Hz,是近年来随着地震观测、地质勘探、环境监测、航空航天、结构和生物动力学等领域的发展而出现的一个新概念。于梅研究员以我国近2000个测震台、站广泛使用的各类地震计为例,“如中周期地震计低频为0.05Hz,(甚)宽频带地震计低频为0.003Hz,海底地震观测更属于超低频特大位移(0.05Hz;±10m)的测量……”。
  
  此外,“悬索、斜拉等大跨度桥梁和高层建筑结构自振频率多数已低于0.1Hz;广泛应用于交通运输、机械制造、航空医学、医疗卫生和劳动防护等生物动力学研究领域的人体振动计,其频率测量下限为0.063Hz;核爆炸的振动下限已达0.003Hz……”,超低频振动计量需求迫切。
  
  而目前,我国的国家低频振动基准频率下限为0.1Hz(最大加速度7.5mm/s2),最大振幅40mm,其测量能力远不能满足需求。在此背景下,在科技部科技基础条件平台项目的支持下,中国计量院于2005年开展了“超低频振动国家标准装置的研究与建立”工作。
  
  自主创新,国际领先
  
  于梅研究员介绍,这个构造繁杂超低频振动基准装置,由超低频振动激励系统和激光测振系统两部分组成,前者包括水平和垂直向振动台、功率放大器、反馈控制器和拖曳同步跟踪系统等,后者则由零差正交激光干涉仪和数据采集处理系统组成。其中,在水平向振动台、拖曳同步跟踪系统、负反馈控制系统、零差正交激光干涉仪、超低频伺服加速度计套组等部分都实现了关键技术的创新突破,解决了很多困扰国际振动计量界的技术难题。
  
  “超低频、大位移、大负载、低失真”,是于梅对超低频振动基准装置特点的提炼。装置在超低频段实现的激光绝对法振动加速度幅值和相位测量,在国内外具有大位移(1m(p-p)水平、0.1m(p-p)垂直)、频率最低(频率测量下限0.002Hz)、承载最大(最大可承载30kg)、失真度最小(加速度失真度1%)的显著特点,可以满足各类超低频振动传感器(包括大体积、大重量地震计)校准溯源的需求,而其测量不确定度更是控制在国际领先的范围内。
  
  鉴于此,专家鉴定意见书上,对装置的重要意义及其国际地位精准总结为:“课题的完成填补了国内外(0.002~0.1)Hz激光绝对法振动幅值和相位校准的空白,属自主创新科研成果,研制的校准装置属国内外首创,主要技术指标为国际领先水平,具有重大推广应用价值。”
  
  2010年8月,国际同行评审专家考察后,在《中国计量院质量体系和CMC同行评审报告》中得出如此评价“……在(中国计量院)昌平院区新的实验室有很好的高精度仪器设备,特别是超低频振动标准系统。基于这些设备和优秀的团队,振动实验室无疑是领先实验室之一。”超低频量值统一的源头
  
  要想准确测量出频率越来越低的振动,需要有更加精准的标准装置作为校准测量的“尺子”和统一的量值源头。
  
  2009年,我国在超低频振动装置上完成了国内低频振动量值比对实验。目前,基准装置已在地震、电力、物探和计量技术机构成功得到推广移植,解决了伺服加速度计、地震计、人体振动计等超低频振动传感器校准及相关领域超低频振动标准装置的量值溯源问题,为它们提供检测和校准服务共享平台。如,为北京地震局某型号地震计、成都松源有限公司及中国运载火箭技术研究院某所等单位超低频振动测量仪器的研发提供技术支撑和校准服务,解决了国内现有低频校准装置无法满足校准要求的难题。
  
  在标准装置的基础上,2008年,中国计量院研发了超低频振动标准套组,为我国低频振动量值溯源体系提供了传递和核查标准。2009年,被作为核查标准器完成了超低频装置的稳定性考核,并在国内低频振动量值比对中被成功应用,为我国低频振动的量值统一发挥了重要作用。2010年还被亚太计量规划组织(APMP)确定为低频振动国际比对的传递标准,在中国计量院主导完成的亚太地区低频振动国际比对发挥了重要作用。
  
  目前,这套超低频振动套组已完成了湖南电力公司试验研究院、中国地震局哈尔滨工程力学研究所的超低频振动校准装置项目的技术验收;为中国地震局工程力学研究所强震动台网中心研发的多通道超低频振动标准套组,已应用于地震计的现场检测。
  
  值得一提的是,被应用于飞行器姿态控制等航空航天和军事领域的低频QA3000型伺服加速度计是目前国际上公认精度最高的伺服加速度计。中国计量院研制的超低频振动套组,与其性能不相上下。在真正意义上实现超低频振动加速度的测量,解决了因发达国家的禁销,造成低频和超低频振动没有传递标准器,量值无法统一,严重制约振动计量及地震、物探等相关行业测量技术发展的瓶颈问题。
(本文来源:中国计量科学研究院转载请注明出处
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