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SAN LIEN TECHNOLOGY振動領域
12 低頻加速規與微機電型地震儀校正技術
一、 前言 目前在振動量測中,加速規是使用最廣泛
的感測器,加速規除涵蓋一般電子產業運用
外,更可應用於機械設備之振動量測,例如:
攪拌機、空壓機、馬達、輥輪、泵浦等設備的
振動量測與檢測,同時也適合於長時間建築物
之線上監控系統。台灣近年來陸續興建高速鐵
路、北中南捷運系統、機場捷運、高架化與各
式之土木橋樑建造等,具安全考量之結構物,
皆須透過低頻加速規進行長期監測;另一方面
精密電子廠房之地震預警,同樣利用低頻地震
儀獲取足夠資訊,實施防災措施。有鑑於此,
低頻加速規之校正益顯重要。
加速規因使用年限、個人使用習慣、工作
環境變化與撞擊損傷等因素,皆會造成加速規
靈敏度漂移,因此,加速規須定期校正驗證其
靈敏度,以瞭解該加速規是否仍適用,同時加
速規的校正若能直接追溯到基本物理量(如長
度、頻率、電壓等),則必能降低振動校正時
的誤差。各國二級振動實驗室之加速規校正系
統主要是參考ISO 16063-21之標準規範建立,
此規範制定了相關設備規格需求、校正方法、
校正能量與相對擴充不確定度評估方式[1][2]。
本文主要介紹國家度量衡標準實驗室,協助三
聯科技公司建立與評估低頻加速規與地震儀校
正系統,內容包括校正系統建立、系統架構、
不確定度評估等,經由該系統之完整評估,三
聯科技公司將可針對低頻加速規與地震儀進行
週期性之校正,進而提升產品出廠之品質。
二、低頻振動加速規校正系統:
1. 系統架構
本套系統為比較式低頻振動校正系
統,其量測頻率範圍從0.8 Hz至70 Hz,
使用工作標準加速規組當做標準件,將待
校加速規固定於夾具後共同安裝於激振器
上,以相同大小之激振源激振。比較待校
加速規與工作標準件在電表的輸出電壓
值,及配合工作標準加速規追溯至國家標
準實驗室低頻振動校正系統所計算求得之
參考靈敏度,進行校正工作。目前數據擷
取及計算以自動化程式進行,振動加速度
之振幅依據不同頻率配合給予0.8 m/s2 至5.0
m/s2 不等之振幅大小。整個系統連線架構如
圖1所示,實物照片如圖2所示。
工業技術研究院 量測技術發展中心/黃宇中 王聖涵 陳俊凱 蕭榮恩
低頻加速規與微機電型
地震儀校正技術
低頻加速規與微機電型
地震儀校正技術
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低頻加速規與微機電型地震儀校正技術
圖1 低頻振動校正系統連線架構圖 ▲
待校低頻加速規 標準低頻加速規
圖2 低頻振動校正系統 ▲
2. 量測校正原理
振動比較校正系統之校正工作原理,
主要將待校加速規與參考標準加速規以背
對背(Back-to-Back)的方式,安裝於激振
器上,以相同大小之激振源激振。經由比
較此兩個加速規之輸出電壓,再配合參考
標準加速規追溯至原級振動校正系統所計
算求得之參考靈敏度,進而換算成待校加
速規的靈敏度,靈敏度大小(magnitude)
計算公式為
Su= VuVr
×Sr (1)
其中
Su:待校加速規組電壓靈敏度mV/(m s-2)
Sr: 參考標準加速規組電壓靈敏度mV/(m s-2)
Vu: 待校加速規輸出電表所量到的輸出電
壓(mV)
Vr: 標準加速規輸出電表所量到的輸出電
壓(mV)
3. 不確定度分析[3]
依據相同之量測原理,系統可採用查
核標準加速規組替代系統方程式中之待校
低頻加速規組進行評估,若各輸入值,Xi,
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14 低頻加速規與微機電型地震儀校正技術
(即Su、Sr、Vu、Vr)互不相關,量測結果Su
的組合變異數,可以下式計算:
即Su之組合標準不確定度為:
評估該系統不確定度源可參考 I SO
16063-21附錄 D,其主要項目有標準加速
規追溯源不確定度、加速規穩定性、電表
精度、激振器特性及系統重現性與再現性
等,表1為不確定度分析表範例格式。
表1 振動校正系統各項不確定度分析源表
不確定度源 不確定度源分項 數值 機率分配 除數 型態 不確定度分量 自由度
工作標準加速規追溯之標準不確定度
0.42%×Sr 常態 2 B 0.00226 200
工作標準加速規/待校加速規電壓輸出之不確定度
0.00425 200
影響工作標準加速規/待校加速規輸出各系統儀器之B類標準不確定度
B 0.00425 200
信號產生器輸出電壓產生加速度失真之影響
0.16%××V
矩形 B 0.2816×0.16% ×V 200
加速規橫向與搖擺振動及彎曲效應所造成之輸出電壓影響
0.0058% × ×V 矩形 B 0.2816×
0.0058%×V 200
加速規橫向靈敏度造成之不確定度
0.00566% × ×V 矩形 B 0.2816×
0.00566%×V 200
信號產生器正弦波諧和扭曲失真不確定度
0.18%××V
矩形 B 0.2816× 0.18%×V 200
加速規輸出至多功能數位電表 之影響
0.283% × ×V 矩形 B 0.2816×
0.283%×V 200
標準加速規穩定性0.12%××V
矩形 B 0.2816× 0.12%×V 200
加速規安裝固定、溫度暫態變化及其他之影響
0.02%××V
矩形 B 0.2816× 0.02%×V 200
多功能電表解析度0.00000029% ×
矩形 B 0.2816× 0.00000029 200
影響工作標準加速規/待校加速規輸出之A類標準不確定度
0.00016 t A 0.00002 4
量測值 1.0855
有效自由度 veff 501 涵蓋因子 k 1.96
組合標準不確定度 uc 0.00642 擴充不確定度 U 0.0126
相對擴充不確定度 Ur 1.16%
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低頻加速規與微機電型地震儀校正技術
三、微機電型地震儀校正系統:
1. 系統架構
Palert是三聯公司以微機電型加速規為
主要感測器,開發之預警型地震儀,其規格
為:感測軸向:三軸向;量測範圍:±2 g
(X,Y軸向)、+1 g/-3 g(Z軸向);頻
率響應:0 Hz 至 20 Hz;衝擊防護:3000 g
0.5ms、10000 g 0.1ms;ADC解析度:12
bit;數位解析度:<0.001 g;地震判斷邏
輯:PD、PGA、Displacement、STA/LTA;
STA設定範圍:0.1秒∼100秒;LTA設定範
圍:0.1秒∼100秒;斜率箝制:加速度0 g
∼1 g;零點校正周期:30分鐘∼32767分
鐘;地震事件時間:1秒∼200秒;D/O數
量:2;動作強度設定:2 mg∼1960 mg;
接點型式:Normal Open;接點容量:0.6A
DC。地震儀之輸出參數為加速度,故乃針
對此參數評估不確定度,該系統頻率範圍
0.8 Hz至10 Hz,其系統連線架構圖如圖3所
示,實物照片如圖4所示。
圖3 地震儀校正系統連線架構圖 ▲
X方向(水平向) Y方向(水平向) Z方向(垂直向)
圖4 地震儀校正系統系統各軸向校正圖 ▲
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16 低頻加速規與微機電型地震儀校正技術
2. 量測校正原理
地震儀校正主要是利用待校地震儀與
工作標準加速規,安裝在一激振器上,同
時由系統之工作標準加速規組之電壓靈敏
度、萬用電表的輸出可轉換成標準加速度
輸入值,再與待校地震儀之輸出作比較,
以達到校正目的。待校地震儀之追溯如下
圖5所示
長度標準 電量標準 時頻標準
雷射干涉振動校正系統
振動比較式校正系統
振動比較式校正系統
國家標準實驗室
國家標準實驗室
三聯科技
工作標準加速規組
工作標準加速規組
地震儀
圖5 地震儀追溯圖 ▲
3. 不確定度分析
地震儀之加速度校正,可由下列方程
式計算
Pu =PA+eTrx (2)
其中 Pu:待校地震儀之加速度估計值(m/s2)
PA: 地震儀面板所顯示之加速度數值
(m/s2)
eTrx: 多功能數位電表之標準電壓值
與量測值,配合工作標準加速
規追溯靈敏度(Sr),轉換成加速
度(m/s2)時,產生之差值。
若各輸入值,PA、eTrx互不相關,量測
結果Pu的組合標準不確定度平方,可以下
式計算
u2c(Pu) =(дPu
дPA)
2u2(PA)+(дPu
дeTrx)
2u2(eTrx)
=u2(PA)+u2(eTrx)
即Pu的組合標準不確定為
uc(Pu)= [u2(PA)+u2(eTrx)]12
地震儀校正系統不確定度源,其主要
項目有標準加速規追溯源不確定度、地震
儀本身解析度、電表精度及系統重現性與
再現性等。
4. 軟體自動化校正
低頻加速規與地震儀校正系統皆透過自動
化程式進行待校件校正,此校正系統乃透過
LabView程式語言撰寫,經由GPIB介面,控制校
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低頻加速規與微機電型地震儀校正技術
正頻率、加速度,擷取2台數位電表電壓,以
計算加速規靈敏度或地震加速度。該軟體為自
行開發,因此驗證準確性亦須配合進行,校正
系統主畫面如下圖6所示。
圖6 校正系統軟體畫面 ▲
四、結論
國內目前並無如日本或美國制定振動管制法,
在法規上無強制要求振動量,過大的產業或人
為振動只能靠自我要求或國外規範評估,因此
振動感測器加速規校正益顯重要。標檢局有鑒
於人體舒適度要求,因此開始著手於振動標準
制定,如『機械振動與衝擊--人體曝露於全身
振動之評價-第1部:一般要求』、『機械振動
與衝擊--人體曝露於全身振動之評價-第2部:
建築物內的振動(1 Hz至80 Hz)』,這兩份標準
規定了週期、隨機和暫態性的全身振動量測,
頻率範圍在0.5 Hz至80 Hz,因此一旦標準通
過,未來加速規的校正需求量亦會日益增加。
現今國內有近11家廠商具備通過TAF加速規校
正之技術,而三聯科技是唯一同時擁有低頻加
速規與小型地震儀校正技術之公司,該校正系
統主要是參考國際規範建立,以標準低頻加速
規追溯國家標準實驗室當作標準件,再透過穩
定之激振器校正待校加速規或地震儀,經由電
表之電壓輸出,進而計算出電壓靈敏度或加速
度,同時亦根據國際規範評估不確定度。為維
護本系統之最佳狀況,應定期進行驗證、品保
作業,以了解系統穩定度確保校正系統品質。
參考資料:
1. ISO 16063-1, “Methods for the Calibration of Vibration and Shock Transducers, Part 1: Basic concepts”, 1998.
2. ISO 16063-21, "Methods for the calibration of vibration and shock transducers – Part 21 Vibration calibration by comparison to a reference transducer", 2003.
3. ISO/IEC Guide 98-3:2008, Uncertainty of measurement — Part 3: Guide to the expression of uncertainty in measurement (GUM:1995).