（環(huán)境工程專業(yè)論文）重力加速度式波浪浮標(biāo)量值溯源體系研究.pdf

重力加速度式波浪浮標(biāo)量值溯源體系研究 摘要 建立一套規(guī)范系統(tǒng)的重力加速度式波浪浮標(biāo)量值溯源體系。探討波浪浮標(biāo)在 海洋環(huán)境工程中的作用，通過使用現(xiàn)代化的精確測量手段，采用可自動(dòng)控制的雙 環(huán)桁架鋼結(jié)構(gòu)形式和計(jì)算機(jī)變頻自動(dòng)控制技術(shù)，完成波高和波周期量值溯源與傳 遞檢定和校準(zhǔn)工作；同時(shí)建立行業(yè)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)或社會(huì)公用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，并制定相應(yīng)的 檢定規(guī)程，實(shí)現(xiàn)測量參數(shù)量值向國家基準(zhǔn)的溯源。依照檢定規(guī)程使用本測量體系， 以把好進(jìn)口質(zhì)量關(guān)，確保測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。 關(guān)鍵詞：波浪浮標(biāo)量值傳遞與溯源計(jì)量標(biāo)準(zhǔn) t h er e s e a r c ho ft r a c es y s t e mo fw a v eb u o y o fa c c eie r a tio no fg r a yit y a b s t r a c t t h et r a c es y s t e mo fw a v eb u o yo fa c c e l e r a t i o no fg r a v i t yt od i s c u s st h ee f f e c to f t h ew a v eb u o yi nt h ee n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n go fo c e a ni ss e tu pb yu s i n gm o d e m a n dp r e c i s em e t r i c a lm e t h o d a d o p t i n gt h ef o r n lo f t w o - c i r c l et r u s ss t e e ls t r u c t u r et h a t c a i la u t o - e o n t r o la n dt h et e c h n i c a lo ft h ec o m p u t e rf r e q u e n c yc o n v e r s i o nt h a tc a n a u t o - c o n t r o l ，w ec a l la c c o m p l i s ht h et r a c i n go ft h ev a l u eo faq u a n t i t y , t h et r a n s f e r v e r i f i c a t i o na n dc a l i b r a t i o no f t h ew a v eh e i g h ta n dt h ew a v ep e r i o d a tt h es a m et i m e t h em e t r o l o g ys t a n d e r so f t h ev a c a t i o no rt h em e t r o l o g ys t a n d e r so f p u b l i cf o rs o c i e t v c o n s t i t u t et h ec o r r e s p o n d i n gr e g u l a t i o n so fv e r i f i c a t i o ni se s t a b l i s h e d a c h i e v i n gt h e t r a c i n go fm e a s u r i n gp a r a m e t e rt ot h es o c i a lb e n c h m a r k s a c c o r d i n gt h i ss y s t e mo f m e a s u r e m e n tt ot h er e g u l a t i o n so fv e r i f i c a t i o n , i tw i l lb eo fb e n e f i tt ot h em e t r o l o g y v e r i f i c a t i o no f t h ew a v eb u o yo f a c c e l e r a t i o no f g r a v i t yt h a tp r o d u c ti no u rc o u n t r yo r o t h e r sb e f o r eu s i n g 。t ot h ep e r i o dv e r i f i c a t i o ni nu s i n g ，t oe u s u r et h eq u a n t i t yo f i m p o r ta n dt om a k es b r et h ec r e d i b i l i t yo f t h em e a s u r i n gd a t a k e y w o r d s ：w a v eb u o y ；t h et r a n s f e ra n dt r a c eo f t h ev a l u eo f q u a n t i t y t h em e t r o l o g y s t a n d a r d s 蕈力加速度式波浪浮標(biāo)量值溯源體系研究 重力加速度式波浪浮標(biāo)量值溯源體系研究 引言 我國是一個(gè)海洋大國，這片“藍(lán)色海域”為我們提供了適宜的生存環(huán)境條件、 豐富的海洋資源和潛在的能源。海洋是促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的重要基礎(chǔ)。 我國的可持續(xù)發(fā)展將越來越多地依賴海洋。但海洋又是一個(gè)復(fù)雜的水體，具有流 動(dòng)性、連續(xù)性、廣域性和瞬變性的特點(diǎn)，只有依靠多學(xué)科綜合、多手段交叉的海 洋監(jiān)測調(diào)查工作獲得的具有代表性、統(tǒng)一性、準(zhǔn)確性和可比性要求的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)， 才能科學(xué)地評(píng)價(jià)海洋的實(shí)際狀況，客觀地揭示海洋的變化規(guī)律。 我們研究海洋就不能不研究海洋中的波浪。波浪是海洋水文觀測的六大要素 之一，也是海水的重要運(yùn)動(dòng)形式之一波浪資料準(zhǔn)確與否，對(duì)海洋工程、海上交通、 海洋軍事活動(dòng)、海水養(yǎng)殖與捕撈，海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)及海洋研究等具有重大影響。重 力加速度式波浪浮標(biāo)是目前使用最廣泛的測波浮標(biāo)之一。改革開放以來，我國有 關(guān)單位和部門陸續(xù)引進(jìn)了9 4 9 、9 5 6 、波浪騎士等測波浮標(biāo)，用于海洋調(diào)查、監(jiān)測、 防災(zāi)減災(zāi)、污染防治、海洋研究及軍事科學(xué)等海洋活動(dòng)，促進(jìn)了我國海洋事業(yè)的 發(fā)展。與此同時(shí)，我國自行研制的用于監(jiān)測波浪參數(shù)的浮標(biāo)約有幾十臺(tái)遍布于全 國海域。 隨著海洋的開發(fā)、國際海洋法公約的實(shí)施、海洋環(huán)境保護(hù)工作的開展以及海 域使用法制化管理的進(jìn)行，進(jìn)口的海洋監(jiān)測儀器裝備和自主研發(fā)的海洋監(jiān)測儀器 裝備在我國被大量使用。只有對(duì)進(jìn)口的和自主研發(fā)的海洋監(jiān)測儀器裝備進(jìn)行計(jì)量 檢定( 量值溯源) ，才能提供準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)；才能客觀地揭示海洋學(xué)、海洋 環(huán)境學(xué)規(guī)律；才能促進(jìn)數(shù)據(jù)資源共享，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)、部門、學(xué)科以及國際間科技合 作：才能為科技成果的鑒定與評(píng)價(jià)、學(xué)術(shù)爭議的仲裁提供依據(jù)。只有重視海洋監(jiān) 測儀器的量值溯源，才能更好的促進(jìn)海洋科學(xué)技術(shù)發(fā)展，才能更好的為海洋工程 及其環(huán)境評(píng)價(jià)建設(shè)、工程設(shè)計(jì)與安全施工、海洋工程驗(yàn)收提供可靠性依據(jù)，才能 更好的為處理合同和質(zhì)量爭端提供公正性依據(jù)。由此可見，海洋監(jiān)測儀器裝備的 量值溯源工作是海洋經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要基礎(chǔ)工作，它服務(wù)于海洋行政管理、海洋經(jīng) 濟(jì)發(fā)展、海洋環(huán)境保護(hù)、海洋減災(zāi)防災(zāi)、海洋軍事學(xué)和海洋科學(xué)研究等活動(dòng)的全 過程，是海洋行政管理和社會(huì)公益服務(wù)的技術(shù)支撐和重要保障。 蕈力加速度式波浪浮標(biāo)量值溯源體系研究 1 波浪浮標(biāo)在海洋環(huán)境中隨波性的探討 1 1 浮標(biāo)隨浪起伏引起的測波誤差 1 1 1 浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)方程的推導(dǎo) 浮標(biāo)隨浪起伏的特性將直接影響測波精度，因此，我們先來研究它的運(yùn)動(dòng)規(guī) 律。根據(jù)海浪理論，海浪的外部形態(tài)可以近似的看作正弦波。在海浪的作用下， 水面上的浮標(biāo)必將運(yùn)動(dòng)，為了便于討論和分析研究，我們先做些假設(shè)和規(guī)定。我 們?nèi)o浪時(shí)的海平面為x o y 平面，并規(guī)定海平面以上為正，設(shè)波浪的振幅為a ， 波浪的振動(dòng)頻率為，浮標(biāo)的質(zhì)量為m 。我們又知道速度較小時(shí)，處在流體中運(yùn) 動(dòng)的物體受到水的粘性阻力與物體的運(yùn)動(dòng)速度成正比。 在無浪的情況下，浮標(biāo)的重力等于浮力，浮標(biāo)處于靜態(tài)平衡，以此時(shí)浮標(biāo)的 吃水線作為浮標(biāo)位移的參考，當(dāng)有浪以后，浮標(biāo)的浮力必定發(fā)生變化，這種變化 的浮力為：魄= 一腭乜一a s i n c o t ) ； 浮標(biāo)受到的阻力：矗= 一只嘮一a c o c o s c o t 式中 p 海水的密度； s 浮標(biāo)的截面積； 爭重力加速度； z - 浮標(biāo)的位移； ( z a s i n c o t ) - 浮標(biāo)相對(duì)于水面的位移； r 與相對(duì)速度成正比的阻力系數(shù)； 半一a 0 7 c o s o f 浮標(biāo)相對(duì)于水面的速度； 講 據(jù)牛頓第二定律，有微分方程： 州警一腭( z - a s i n a t ) 以嗉刊徹s c o t ) ( i - i ) 引用符號(hào)墨；2 8 ；魚曼= 露；p = = ( 。 6 ) m r f l 解方程( 1 - 1 ) 得z = a l e 。s i n ( p t + a ) + a a s i n ( c o t + 9 ) 式中 一2 d c a 3 妒2 舢僖( 2 f 岫o ) 2 2 蕊2 2 0 - 2 ) ( 1 3 ) 譬 蕈力加速度式渡痕浮 i 量紐薩產(chǎn)f t 樂j j 咒 肚 毒萼蘭蘭墮焉=(1-4)2 4 6 2 2 + ( 口一2 ) 2 、7 方程( 卜2 ) 就是浮標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方程，其右邊的第一項(xiàng)為自由阻尼振動(dòng)，第二項(xiàng) 為受迫振動(dòng)。在初始階段，即時(shí)間不太長時(shí)，浮標(biāo)的位移總是等于一個(gè)等幅振動(dòng) 和一個(gè)變幅振動(dòng)位移的疊加，因此浮標(biāo)在開始一段時(shí)間內(nèi)波浪的運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜。 但隨著時(shí)間的加長，在阻尼系數(shù)6 的作用下，變幅項(xiàng)的振幅越來越小，當(dāng)時(shí)間足 夠長時(shí)，振幅就會(huì)趨近于零。這時(shí)浮標(biāo)只隨第二項(xiàng)的規(guī)律運(yùn)動(dòng)，其頻率與波浪的 頻率相同，只是相位差一個(gè)常數(shù)由，其振幅則正比于波浪振幅a 與a 。我們可 以看出，此時(shí)浮標(biāo)的最大位移并不等于所希望的波浪的最大位移，其差異的程度 與波浪的頻率、浮標(biāo)在水中的自由振動(dòng)頻率及阻尼系數(shù)有關(guān)。當(dāng)0 0 o 時(shí)，即浮 標(biāo)在水中的自由振動(dòng)頻率遠(yuǎn)大于波浪的頻率時(shí)，浮標(biāo)的振幅就等于波浪的振幅， 這正是所希望的最佳狀況，浮標(biāo)之所以等于波浪的振幅，這是因?yàn)橹v：旦鱉 一般可把p ，g 看作常量。欲使很大，則要么減小浮標(biāo)質(zhì)量，要么增大截面積， 浮標(biāo)的質(zhì)量減小，會(huì)使浮標(biāo)的慣性減?。焊?biāo)的截面積增大，水位稍有變化，則 浮標(biāo)浮力的變化相應(yīng)加大，因此這兩種情況均能使浮標(biāo)跟蹤波浪的性能提高 1 1 2 浮標(biāo)隨波浪起伏誤差計(jì)算舉例 目前各臺(tái)站采用的浮標(biāo)很不統(tǒng)一，現(xiàn)以h a b 一1 型岸用光學(xué)鍘波儀浮標(biāo)的參數(shù) 進(jìn)行計(jì)算。 浮標(biāo)的最大位移從與波浪的最大位移a 的相對(duì)誤差為： 島= 型a 刊小矗蔫一- m s ， 4 占2 m 2 + ( 西一2 ) 2 浮標(biāo)的阻尼系數(shù)為： j ：旦：重型；3 “r r 2 m2 mm 式中叩水的粘滯系數(shù)，2 0 c ，r = 0 o l g c m s ，浮標(biāo)的半徑。 h a b - l 型浮標(biāo)的等效半徑r 約為4 4 c m ，質(zhì)量m 約為1 6 0 k g ，等效面積s 約為 0 6 m 2 ，海水的密度p 為1 0 3 9 c m 3 ，因觀測的波浪周期最短為2 s ，所以最大的 頻率珊：娶= 萬，則( 5 ) 式中的4 萬2 礦* 2 6 4 x 1 0 1 ；“z 1 4 4 x 1 0 3 顯然( 1 - 5 ) 孽力加速度式渡瑯浮標(biāo)量值溯源體系研究 式中的4 6 2 2 可以忽略，因此誤差表達(dá)式就變成為： 島= 善小若= 萬c 0 2 ， 海水的密度p 和重力加速度g 一般可看作常數(shù)，因此誤差就是m ，s ，u ， 的函數(shù)，對(duì)于h a b - 1 型浮標(biāo)來說，m ，s 也為常量，則誤差隨的變化列于下表 ( 表卜1 ) ： 浮標(biāo)的質(zhì)暈m = 1 6 0 k g 浮杯的截面積s 0 6 m 2 波浪周期( s ) 23456 2，r2萬 一萬 波浪頻率( t a d s ) 石 j 萬253 浮標(biāo)起伏誤差( ) 3 51 3 7 43 波浪周期( s ) 7891 0l l 2萬2石2 波浪頻率( t a d s ) 一石一萬 一萬 7495 1 1 浮標(biāo)起伏誤差( 喲 22 l ll 從表卜l 中可以看出，對(duì)一定的浮標(biāo)，其引起的誤差隨著波浪頻率的降低而 減小，這表明岸用光學(xué)測波儀只適宜測長周期的涌浪。 因?yàn)榘队霉鈱W(xué)測波儀望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的誤差是在l c m 波高時(shí)討論的，從各臺(tái)站測 得的資料來看，1 m 波高的波浪周期大都在5 s 左右，故l - t a b 一1 型浮標(biāo)測得的波浪 資料會(huì)產(chǎn)生4 的誤差。 1 2 結(jié)論 ( 1 ) 所有采用浮子原理測浪的儀器( 如船用測波儀、重力測波儀) 均需考慮 到浮子引起的測波誤差 ( 2 ) 設(shè)計(jì)浮標(biāo)時(shí)，必須考慮到浮標(biāo)在水中的自由振動(dòng)頻率，在保證略固性和 穩(wěn)定性的前提下，應(yīng)當(dāng)盡量增大浮杯的截面積，減少浮標(biāo)的質(zhì)量，使其具有跟蹤 示波的良好性能。 ( 3 ) 由于波浪的周期范圍較大只用一個(gè)浮標(biāo)兼測不同頻率下的波高，必然 會(huì)產(chǎn)生顧此失彼的情況。因此希望標(biāo)準(zhǔn)化部門給出浮標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的具體 規(guī)定如；對(duì)周期為2 s 一5 s 的波浪應(yīng)采用什么樣的浮標(biāo)，周期為5 s 的波浪應(yīng)采 用什么樣的浮標(biāo)，以供不同的海區(qū)，不同的季節(jié)選用。 2 1 綜述 自改革開放以來，我國有關(guān)單位和部門陸續(xù)引進(jìn)9 4 9 、9 5 6 、波浪騎士等測波 浮標(biāo)，用于海洋調(diào)查、監(jiān)( 觀) 測、開發(fā)利用、防災(zāi)減災(zāi)、污染防治、科學(xué)研究 以及軍事海洋等海洋活動(dòng)，促進(jìn)了我國海洋事業(yè)的發(fā)展。為了保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn) 確可靠，國家海洋局決定由國家海洋標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心承擔(dān)研制波浪浮標(biāo)檢定裝置( 以 下簡稱檢定裝置) 的任務(wù) 2 2 研制過程 2 2 1 技術(shù)方案的制定 研制波浪浮標(biāo)檢定裝置的設(shè)想始于八十年代，并收集了有關(guān)資料。在作了大 量的調(diào)研和資料收集的基礎(chǔ)上，制定了“波浪浮標(biāo)檢定裝置研制方案”。 制定。波浪浮標(biāo)檢定裝置研制方案”的依據(jù)是：根據(jù)波浪理論，海浪是由多 個(gè)單一正弦波合成的復(fù)雜波形，其表面的水質(zhì)點(diǎn)在其平衡位囂附近作周期性振動(dòng)， 在不同時(shí)刻有不同的垂直加速度。測出此加速度，經(jīng)二次積分后即可得到海浪的 垂直位移，重力加速度計(jì)式測波浮標(biāo)就是基于這一原理。因此，要檢測重力加速度 計(jì)式測波浮標(biāo)，就必須在室內(nèi)模擬波浪運(yùn)動(dòng)。采用桁架，當(dāng)其勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，任一 點(diǎn)( 中心點(diǎn)除外) 的運(yùn)動(dòng)軌跡都作正弦運(yùn)動(dòng)。讓重力加速度計(jì)式測波浮標(biāo)作正弦 運(yùn)動(dòng)，從而進(jìn)行檢測，在理論上是可行的。 2 2 2 系統(tǒng)組成與結(jié) 構(gòu)原理 課題組將裝置分為 機(jī)械和電氣兩大部分( 如 右圖所示) 。 田3 蕞t 蛆砬樂蠢啊 ：箍藍(lán)：麓：掣囂：- 配。：蹇囂 “十 電單1 2 抖輯口t i ，一# 卑jj j i j ：睦_ ，蔓j 川l ，j 饑咄棚“悼小w l 兒 2 2 2 1 雙環(huán)桁架與卡具的主體結(jié)構(gòu) 本裝置( 如下圖) 采用南北雙環(huán)桁架、兩半軸結(jié)構(gòu)。每環(huán)均以四根1 2 4 槽鋼呈 十字結(jié)構(gòu)作為主臂，用8 4 槽鋼與扇形板組成幅射狀結(jié)構(gòu)；南環(huán)半軸直接與八角套 剎車盤、離合器、減速機(jī)、電機(jī)相連，北環(huán)則通過軸承套架在固定于地面的半軸 之上，兩半軸同心誤差不大于l m ；止擺齒輪、止擺鏈及張緊輪均按裝在北環(huán)上， 兩環(huán)之問用十字桿交 叉連接以提高強(qiáng)度，傳 遞扭力矩在主臂a 上 從0 5 m 起每隔0 2 5 m 布置一組卡具安裝孔， 在主臂b 上距軸心 2 7 5 m 處安裝配重橫 梁，l m 處留有吊裝橫梁 的安裝孔。 根據(jù)浮標(biāo)的直徑 不同設(shè)計(jì)了兩套卡具 ( 0 5 m 0 8 m 。0 8 m #_ 冠拜1 l 亍集 t 髓2 t 霸 t 黼捧t5 埔耳f i1 t 觸純 lf ar *i o _ i l ，r1 2 n i nt ： 1 4 m t 镕j ；hj e 如”t l i 氍翩f l 昨， 1 0 m ) 。每套卡具均由兩個(gè)半環(huán)組成，每個(gè)半環(huán)中部連接有滑塊，嵌裝在主臂1 2 。 槽鋼的槽內(nèi)，南半環(huán)上裝有集電環(huán)，北半環(huán)上裝有止擺齒輪、止擺鏈及張緊輪， 兩半環(huán)之間用螺栓緊固，卡具環(huán)下方通過六根帆布吊帶連接一個(gè)由3 0 0 r a m 的托環(huán) 本裝置提供5 8 9 k g 配重盤2 0 塊，9 1 5 k g 配重盤1 0 塊，1 9 8 k g 配重盤5 塊 每塊配重盤盤面上均布3 個(gè)安裝魚輪孔，3 個(gè)m 1 0 螺孔，彼此可用內(nèi)六角螺栓連 結(jié)在配重橫梁上。 2 2 2 2 電機(jī)與制動(dòng) 如右圖所示，南環(huán)桁架的半軸 架在固定于地面的軸承座上，并與 剎車盤、離合器的動(dòng)齒直連；離合 器定齒與減速機(jī)輸出軸直連，電機(jī) 輸出端與減速器輸入端同軸，電機(jī) 軸尾端與光電編碼器相連。電機(jī)由 變頻器驅(qū)動(dòng)，離合器由直流電源 6 電機(jī)與翻動(dòng) t i _ 2 t i ，鰳0 s t t p 受裝置來的波高模擬信號(hào)均經(jīng)過分配器，與標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)一起進(jìn)入計(jì)算機(jī)，進(jìn)行 a d 轉(zhuǎn)換、校準(zhǔn)。 在必 要時(shí)，信號(hào) 分配器還 產(chǎn)生一個(gè) 同步信號(hào)， 同時(shí)加到 計(jì)算機(jī)及 浮標(biāo)接受 裝置上。計(jì) 算機(jī)將角 度信號(hào)2 0 分頻后。申 請(qǐng)中斷。在 - l i l i - - 一一 i 波浪浮標(biāo)檢定裝置程序模塊關(guān)系田 - 蕊 啼嬲 中斷服務(wù)程序中，讀角度脈沖問隔時(shí)間，計(jì)算瞬時(shí)周期，供顯示與控制；采樣 a d 的結(jié)果，供顯示與計(jì)算；通過光電隔離、d a 轉(zhuǎn)換、調(diào)整變頻器的輸入電流， 進(jìn)行速度控制。在屏幕上同時(shí)顯示桁架的輸出曲線及浮標(biāo)的波高曲線，由此計(jì)算 出浮標(biāo)的幅頻響應(yīng)及相頻響應(yīng)，輸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格與特性曲線。 2 2 2 4 供配電系統(tǒng) 引入五線制動(dòng)力電，經(jīng)開關(guān)控制后分別供給變頻器、剎車盤及起吊裝置，同 時(shí)轉(zhuǎn)換成直流電，供離合器。單獨(dú)引入照明市電，經(jīng)濾波后供計(jì)算機(jī)及信號(hào)分配 器。各裝置的供電丌關(guān)之日】有互鎖或聯(lián)鎖，以避免誤操作，造成人身傷害及設(shè)備 受損。 。 7 圈士 蕈力加速度式波浪行標(biāo)壁值溯源體系研究 3 技術(shù)指標(biāo) 3 1 波浪浮標(biāo)檢定裝置設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)和實(shí)測技術(shù)指標(biāo)對(duì)照表 表3 - 1 周期范圍及最大可測浮標(biāo) 最大波高特性曲線檢測對(duì)象 誤差負(fù)載直徑 設(shè)計(jì)6 m 2 s 4 0 s ， 1 8 0k g 0 5 m 幅頻 指標(biāo) 0 2 f s 0 5 f s 0 8 m 相頻 整體浮標(biāo) 2 s 4 0 s ， 實(shí)測 6 m ， 0 1 4 f s 0 5 m 幅頻整體浮標(biāo) 指標(biāo)0 0 7 2 f s 4 0 s 1 0 0 0 s 1 8 0k g 1 0 m相頻 及傳感器 o 5 f s 3 2 國內(nèi)外波浪浮標(biāo)檢定裝置概況 我們專門組織了人力查閱大量資料，查找范圍：水科學(xué)與漁業(yè)文摘( a g u a t i c s c i e n c e sa n df i s h e r i e sa b s t r a c t s ) 中的第二大類海洋技術(shù)、政策與非生物資 源( a s f a 2 ：o c e a nt e c h n o l o g y ，p o l i c ya n dn o n l i v i n gr e s o u r c e s ) 海洋文摘( o c e a n i ca b s t r a c t s ) 。主題詞：w a v em e a s u r e m e n t ，w a v e m e a s u r i n ge q u i p m e n t ，w a v em e a s u r e m e n tc a l i b r a t i o na n ds t a n d a r d s ，此外選 用了w a v er i d e rb u o y ，w a v ec r e s t 等。 查找到的有關(guān)文獻(xiàn)共2 3 篇。 迄今為止，見諸文獻(xiàn)記載的波浪浮標(biāo) 標(biāo)尺 檢定裝置有以下幾種： ( 1 ) 滑輪一繩索組合校準(zhǔn)系統(tǒng) 動(dòng)精輪 如圖3 一l 所示。用人工方法維持有限 周期的垂直運(yùn)動(dòng)，以模擬波浪運(yùn)動(dòng)。由于 彈性系統(tǒng)的阻尼作用和有效高度的限制， 這種方法只適用于指示浮標(biāo)是否工作，很難精 確定量校準(zhǔn)。 ( 2 ) 擺錘校準(zhǔn)法 如圖3 - 2 所示。在滾筒上嵌固一個(gè)擺錘， 滾筒兩邊懸吊浮標(biāo)和平衡物，通過滾筒將擺錘 的擺動(dòng)轉(zhuǎn)換成浮標(biāo)的垂直正弦運(yùn)動(dòng)。此種方法 s 定滑輪 繩索 圖3 - l 滑輪繩索組合校準(zhǔn)系統(tǒng) 幽3 - 2 攔錘標(biāo)準(zhǔn)法 l 蘭塑墊望墾苧竺堡墅堡曼墮塑堡苧墨竺窒 周期、幅度均可調(diào)整，但校準(zhǔn)范圍小，阻尼仍存在。 ( 3 ) 垂直升降式正弦模擬校準(zhǔn)裝置 將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過特定的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)換成鏈輪的直線正弦運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)被 校準(zhǔn)浮標(biāo)或加速度計(jì)作垂直正弦運(yùn)動(dòng)。 如委內(nèi)瑞拉i n t e v e p 研究所、美國海洋大氣局資料浮標(biāo)中，t 1 , ( n o a a 、n d b c ) 建 有類似的裝置。 此類裝置的優(yōu)點(diǎn)是：被校準(zhǔn)物可作無阻尼的垂直正弦振動(dòng)，無水平加速度干 擾，振幅及周期都可以調(diào)整和控制。缺點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，活動(dòng)部件多，磨損嚴(yán)重， 電機(jī)負(fù)載不均衡，維修費(fèi)用高。 ( 4 ) n o a a 采用的浮標(biāo)校準(zhǔn)裝置 將被校準(zhǔn)浮標(biāo)安裝在一個(gè)繞水平軸旋轉(zhuǎn)的鋼性臂上，旋轉(zhuǎn)直徑即為波高( 可 在臂上調(diào)整) ，旋轉(zhuǎn)周期即為波浪周期。 美國海洋大氣局工程支援處( n o a ae s o 華盛頓海軍碼頭) 用懸臂梁式桁架結(jié) 構(gòu)，裝置簡單，波高模擬范圍4 m 。6 m ，周期范圍4s - 4 0s ，無幅頻、相頻分析 ( 5 ) 眥i 采用的浮標(biāo)校準(zhǔn)裝置 美國海事研究所( n m i 南安普頓h y - t h e 基地) 用雙環(huán)式桁架結(jié)構(gòu)，波高模擬 范圍l m ，2 m ，3 n l ，周期2 4 s 4 0 s ，可作幅頻相頻分析。如圖5 所示 挪威水工實(shí)驗(yàn)室( n h l ) 用雙臂旋轉(zhuǎn)架結(jié)構(gòu)，波高模擬范圍4 m ，周期2 s 4 0 s ， 無幅頻相頻分析。 ( 6 ) 單臂吊掛旋轉(zhuǎn)式校準(zhǔn)裝置 該裝置是美國e n d e c o 公司近年來，為擴(kuò)展原校準(zhǔn)裝置的周期而設(shè)計(jì)的一種 比較簡易的裝置。該裝置采用木質(zhì)梁，用步進(jìn)電機(jī)控制，旋轉(zhuǎn)半徑l m ，重力加 速度計(jì)和配重懸掛在梁的兩端，周期范圍4 s 1 l s ，數(shù)據(jù)由記錄紙記錄( 見1 9 9 6 年o c e a ne n g i n e e r i n g v 0 1 2 3 n o 6 “as u b m a r i n el a u n c h e dw a v e m e a s u r i n g b u o y ”) 目前，國際上公認(rèn)的仍然是旋轉(zhuǎn)式正弦模擬校準(zhǔn)方法，具有代表性的有以 下幾家。( 見表3 2 ) 表3 - 2 結(jié)構(gòu)形負(fù)載能可檢浮標(biāo)直 式 波高范圍周期范圍特性分析 力 徑 懸臂梁 美國國家海洋式 大氣局( n o a a )桁架結(jié) 4 m ，6 i i l4 s 4 0 s 1 6 6 l ( g 0 7 m - - - o 9 m幅頻 構(gòu) 英國國家海事雙臂式 l m ，2 m ， 2 4 s 4 0 s 4 0 k g 0 6 m 1 o m相頻、幅頻 研究所( n m i )旋轉(zhuǎn)架 3 m 9 蕾力加速度式波浪汀標(biāo)量值溯源體系研究 挪威水實(shí)驗(yàn)室 雙臂式 ( n l ) 旋轉(zhuǎn)架 4 m 2 s 4 0 s 1 6 6 i ( g0 7 m 硼9 m幅頻 山東科學(xué)院 單環(huán)式 青島儀器儀表 桁架結(jié) 4 i i l2 s 4 0 s l d i ( g只檢傳感器無 所構(gòu) 國家海洋 雙環(huán)式l i l r 叫j i l l 以 大于0 5 m 1 0 【i i 桁架結(jié)0 5 m 為間2 s 1 0 0 s相頻、幅頻 櫥淮計(jì)量中心1 8 0 k g 可檢傳感器 構(gòu)隔共1 l 點(diǎn) 4 檢定裝置的關(guān)鍵技術(shù)特色 波浪是海洋水文觀測的六大要素之一。無論是從理論上還是從實(shí)踐上波浪觀 測技術(shù)均不如溫鹽深技術(shù)那樣成熟、完善。由于種種原因，人們對(duì)波浪浮標(biāo)校準(zhǔn) 技術(shù)的研究更顯得欠缺。先后有橡皮繩系統(tǒng)、滑輪繩索系統(tǒng)、擺錘校準(zhǔn)系統(tǒng)、垂 直升降系統(tǒng)、杠桿叩頭系統(tǒng)，直至目前世界上比較公認(rèn)的旋轉(zhuǎn)式正弦模擬校正系 統(tǒng)。該系統(tǒng)中，將被檢浮標(biāo)安裝在一個(gè)繞水平軸旋轉(zhuǎn)的鋼性臂上，旋轉(zhuǎn)直徑即為 波高，旋轉(zhuǎn)周期即為波浪周期。這種校正系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、波高及周期 容易調(diào)整，模擬運(yùn)動(dòng)形式接近海浪理論要求，因而，被海洋界及生產(chǎn)廠家普遍接 受但這類校準(zhǔn)系統(tǒng)存在以下幾個(gè)問題： ( 1 )由于傳感器的安裝位置、傳感器的擺動(dòng)等造成傳感器的實(shí)際波高( 即 輸入波高) 與卡具中心的旋轉(zhuǎn)直徑不符，而這種不符又不能通過簡單測量予以校 正 ( 2 )由于浮標(biāo)在旋轉(zhuǎn)中的附加運(yùn)動(dòng)( 擺動(dòng)、振動(dòng)等) 使波浪傳感器在向心 加速度的垂直分量之外又承受了一些附加加速度，從而影響傳感器的二次積分輸 出值( 即輸出波高) 。在目前流行的阻尼擺式傳感器中，此類影響更顯著。 ( 3 )此類系統(tǒng)一般為一個(gè)周期采樣一次，無法測知桁架的瞬時(shí)速度，因而， 只能作穩(wěn)態(tài)校準(zhǔn)，不具備動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)能力。 ( 4 )由于此類裝置一般都比較龐大，轉(zhuǎn)速相對(duì)不高( 控速較困難) ，也不 可能完全平衡，造成浮標(biāo)在一周內(nèi)旋轉(zhuǎn)速率不能完全相等，從而破壞了穩(wěn)態(tài)校準(zhǔn) 條件，此時(shí)把被檢浮標(biāo)的輸出仍看作單一頻率下的響應(yīng)就不盡合理了a 本裝胃存解決上述問題中有較大突破。與國內(nèi)外同婁轉(zhuǎn)詈相阡有押下轉(zhuǎn)米特 色： 4 1 浮標(biāo)的平動(dòng) 使物體在旋轉(zhuǎn)中保持平動(dòng)的方法很多，如常平架法、同步自旋法等等。這些 方法或結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工精度高、或控制困難、成本較高。如果簡單加掛重錘，只 i o 蕈力加速度式波浪浮標(biāo)量值溯源體系研究 能減少擺動(dòng)并不能完全消除擺動(dòng)，而且也增加了桁架的承載，此法顯然不可取。 經(jīng)課題組全體人員的共同努力，終于解決了這一問題。簡述如下：在鏈輪傳動(dòng)中， 當(dāng)a 、b 兩鏈輪的節(jié)距、齒數(shù)完全相同，傳動(dòng)鏈節(jié)距的變化可忽略時(shí)，相對(duì)于任一 慣性系，不論a 、b 兩輪空間相對(duì)位置如何變化，任一時(shí)刻兩輪的旋轉(zhuǎn)速度，旋轉(zhuǎn) 方向均相同( 見圖4 1 ) 。我們將北環(huán)桁架通過軸承蠻架在固定于地面上的從動(dòng) 軸上，在此從動(dòng)軸的末端( 桁架內(nèi)側(cè)) 固定鏈輪a 。在浮標(biāo)卡具的北側(cè)也安裝一 鏈輪b ，a 、b 位于同一平面內(nèi)，用鏈條連接a 、b 。當(dāng)稈丁架旋轉(zhuǎn)時(shí)，b 輪將隨桁架 繞a 輪旋轉(zhuǎn)( 公轉(zhuǎn)) ，如果a 輪相對(duì)于地面無轉(zhuǎn)動(dòng)，則b 輪相對(duì)于地面必定也無轉(zhuǎn) 動(dòng)( 即無自轉(zhuǎn)) ，這就使得卡具平面的方向相對(duì)于地?cái)嗍冀K保持不變，即浮標(biāo)保持 了甲動(dòng)。 為克服鏈輪垂直轉(zhuǎn)動(dòng)中的弊端，我們?cè)趥鲃?dòng)鏈兩側(cè)沒百3 對(duì)張緊輪，使傳動(dòng) 鏈矗：桁架旋轉(zhuǎn)的任意位置上都能保持合理張緊。 浮標(biāo) 鏈條桁 動(dòng)鏈輪 固定鏈輪a 圖4 - 1 鼎：浮標(biāo)盆跨零點(diǎn)處，圖其中：浮標(biāo)在上跨零點(diǎn)處， 4 2 相頻分析 蘭冷鴦 浮椿在波峰處 浮標(biāo)在下跨零點(diǎn)處，浮標(biāo)在波谷處 由于浮杯相頻響應(yīng)的不同，浮標(biāo)輸出的波跡與實(shí)際波跡有較大出入，這i e 是 目前國內(nèi)外浮標(biāo)研制中尚未引起足夠重視的問題。我們加大了采樣畜度、精確確 定上跨零點(diǎn)，完備地解決際準(zhǔn)信號(hào)與待測信號(hào)的同步問題，使得本裝置可對(duì)不同 類型的浮標(biāo)輸出作相頻分析，分析精度達(dá)( 2 0 4 7 ) 。，明顯優(yōu)于英囤n m i 。為我 國波浪浮標(biāo)的研制、改進(jìn)提供了有力的手段。 4 3 桁架瞬時(shí)速度的測量 我們?cè)谘b置中增加了一個(gè)光 將它安裝在電機(jī)減速之前，這樣， 桁架每旋轉(zhuǎn)( 1 4 7 ) 。，便可得到一個(gè)光脈沖，用計(jì)算機(jī)測量兩個(gè)脈沖之間的間 隔時(shí)間，可算出桁架每轉(zhuǎn)過( 1 4 7 ) 。的平均速度，近似將它作為桁絮在該點(diǎn)的 。q。 一 南 架 一 一 一 重力加速宣式波浪浮標(biāo)量值溯源體系研究 瞬時(shí)速度。 桁架瞬時(shí)速度測量的實(shí)現(xiàn)，一方面，為變頻器的控制提供了更密集的采樣數(shù) 據(jù)，提高了控制質(zhì)量；另一方面，為通過數(shù)學(xué)計(jì)算消除桁架轉(zhuǎn)速不均勻?qū)π?zhǔn)結(jié) 果的影響提供了條件，也為今后深入開展浮標(biāo)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的研究、快速傅立葉分析 提供了基礎(chǔ)。 4 4 周期信號(hào)的獲取 一般束說，周期信弓的采樣點(diǎn)可以安排在任何方便之處，均不影響周期測量。 我們刻意將采樣點(diǎn)安排在浮杯的上跨零點(diǎn)處，而且用水平儀精確定位，誤差小于 _ + 2 m m 。使桁架輸出校準(zhǔn)曲線的理論零點(diǎn)與實(shí)際水平零點(diǎn)相吻合，減少各點(diǎn)波高計(jì) 算及相移計(jì)算的角度誤差，也為同步信號(hào)的產(chǎn)生提供了基礎(chǔ)。小信號(hào)輸入時(shí)，a d 轉(zhuǎn)換的相對(duì)誤差較大。由于我們有了較準(zhǔn)確的水平零點(diǎn)，因而，我們可以將相位 比較點(diǎn)安排在n 2 處，這樣使用同樣的a d 車專換，可得到較高的相移測量精度。 4 5 大變速比 在低頻時(shí)，變頻器輸出功率、電機(jī)輸出扣錚均急劇下降，電機(jī)散熱也較用難。 如果采用特種電機(jī)，則設(shè)備成本大大增加；若增加一級(jí)或二級(jí)機(jī)械變速，則結(jié)構(gòu) 復(fù)雜，操作、安裝均困難。因而，歐莢各國此炎裝置的變速比均局限在l ：2 0 以 內(nèi)，即最大周期范圍為2 s 4 0 s 。可以滿足一般風(fēng)浪的監(jiān)測檢定要求，但對(duì)涌浪 則略顯不夠。 我們經(jīng)過反復(fù)努力，成功地將本裝置變速比擴(kuò)至1 ：5 0 ，甚至更高，周期范 圍達(dá)2 s l o o s 。 4 6 動(dòng)平衡 桁架及負(fù)載總重量約3 1 0 0 k g ，直徑約6 4 m 。在高速旋轉(zhuǎn)( t = 2 s ) 時(shí)，如果沒 有很好的動(dòng)平衡，必然會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)設(shè)備、虜屋地基產(chǎn)生巨大的破壞作用，并發(fā)生強(qiáng) 大噪聲，擾亂環(huán)境。通常均采用對(duì)稱甲衡法解決動(dòng)平衡問題，即對(duì)不平衡物體( 如 負(fù)載) 在軸對(duì)稱位置上配以相同重量。采用這種方法，即使在桁架完全均衡的狀 況下，改變波高時(shí)，必須等距離移動(dòng)配重塊。加工、安裝精度要求高，操作繁瑣。 我們采用重徑積法解決動(dòng)平衡問題，即配重位置不變，通過增減配重盤，保持重 徑積相等，從而達(dá)到動(dòng)平衡。這樣簡化了操作，提高了平衡精度。 1 2 事力加速度式波展浮標(biāo)量值堋面墓體系研究 4 7 干擾問題 變頻器所產(chǎn)生的尖鋒干擾，是變頻器原理性干擾，且隨變頻器功率加大而急 劇加大。由于我們操作| 日j 的相對(duì)狹小，變頻器的尖鋒干擾曾一度使我們整個(gè)工作 陷入癱瘓。變頻器工作時(shí)，計(jì)籜機(jī)程序一片混亂，屏幕上充滿大量不可讀符號(hào)， 并經(jīng)常死機(jī)，采集的信號(hào)全被噪聲淹沒，幾乎無法分辨。國內(nèi)山東省科學(xué)院青島 儀器儀表所在改造此類設(shè)備過程中也遇到了相同問題。我們采取了一系列措施， 使這些問題基本得到了解決。 4 8 電器連鎖 本裝置驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由變頻器電機(jī)、減速機(jī)、離合器、剎車盤等設(shè)備組成，這些 設(shè)備聯(lián)合工作時(shí)，彼此有許多制約條件：如在剎車盤未松開時(shí)不允許驅(qū)動(dòng)電機(jī)， 否則，傳動(dòng)軸將扭曲，甚至燒毀電機(jī)、變頻器；在桁絮轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，不允許離合器吸 合，否則，將發(fā)生打兇、損壞離合器等等。如果完全依靠操作規(guī)程柬限定操 作，操作員即使進(jìn)行大量的記憶，仍難免會(huì)出現(xiàn)疏忽。我們?cè)陔姎庠O(shè)計(jì)時(shí)，采取 了一系列連鎖互鎖措施，使設(shè)備的制約條件自動(dòng)得到滿足。從根本上避免了事故 的發(fā)生。 5 社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益分析和存在的問題 5 1 社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益分析 波浪浮標(biāo)檢定裝置經(jīng)國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局考核認(rèn)證，可作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)或社會(huì) 公用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)，制定相應(yīng)的檢定規(guī)程。依照檢定規(guī)程對(duì)進(jìn)口和國產(chǎn)重力加 速度計(jì)式波浪浮標(biāo)進(jìn)行投入使用前的計(jì)量撿定，使用過程中的周期儉定，以把好 進(jìn)口質(zhì)量關(guān)，確保測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確口j 靠。 我國從八十年代丌始陸續(xù)進(jìn)口重力加速度計(jì)式波浪浮標(biāo)十余套。由于沒有計(jì) 量抓準(zhǔn)，到目前為止能夠正常運(yùn)行的不足5 套；這些波浪浮標(biāo)急需進(jìn)行計(jì)量撿定。 2 0 0 1 年我國沿海將布放3 0 余套重力加速度計(jì)式波浪浮標(biāo)，這是海洋8 6 3 任務(wù)和 中國海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)一海洋站和志愿船觀測系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目所確定的內(nèi)容， 其中也包括一定數(shù)量的進(jìn)口浮標(biāo)。隨著國產(chǎn)波浪浮標(biāo)的產(chǎn)業(yè)化，還會(huì)有更多的波 浪浮標(biāo)布放在我國沿海海區(qū)。如果對(duì)其投入使用前逐臺(tái)檢定，使用中周期檢定， 將會(huì)產(chǎn)生較大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。 此外，該裝置可給重力加速度計(jì)傳感器和重力加速度計(jì)式波浪浮標(biāo)的研制工 螢力加速度式波浪浮標(biāo)量值朔原體系研究 作提供定量測試服務(wù)，對(duì)于改進(jìn)設(shè)計(jì)、提高質(zhì)量、縮短工期，從而為加快我國的 波浪浮標(biāo)研制工作、盡快形成產(chǎn)業(yè)化起到促進(jìn)作用。 5 2 存在的問題 浮標(biāo)或傳感器的裝卸、波高的調(diào)整、配重的增減等工序，采用人工操作，比 較笨重，復(fù)雜；如有足夠的經(jīng)費(fèi)支持，波高和配重的調(diào)整可以設(shè)計(jì)成自動(dòng)操作。 在程序設(shè)計(jì)方面，將控制程序直接置于d o s 下運(yùn)行，保證了實(shí)時(shí)性：而將生 成特性曲線、測試報(bào)告程序置y - w i n d o w s 下，雖然直觀，且易瀆、易改，但程序 總體就顯得不夠連貫，增加了中b 】轉(zhuǎn)換操作。 6 綜合性能指標(biāo)測試 圖家海洋局下達(dá)的波浪浮標(biāo)撿定裝置研制計(jì)劃任務(wù)書規(guī)定本裝置主要技 術(shù)性能指標(biāo)為： 最大波高：6 m 誤差：0 2 f s 周期范圍：2 s 4 0 s 誤差：0 5 f s 最大靜負(fù)荷：1 8 0 k g 可測浮標(biāo)直徑：0 5 m o 8 m 可給出幅頻、相頻特性曲線 圍繞上述技術(shù)性能指標(biāo)，波浪浮標(biāo)檢定裝置研制課題組先后組織、安排了1 2 個(gè)不同目的的技術(shù)申 能測試實(shí)驗(yàn)，力爭能嚴(yán)潭、客觀地反映出本裝冒的主要技術(shù) 性能。1 2 項(xiàng)技術(shù)性能測試的標(biāo)題為： ( 1 ) 時(shí)鐘準(zhǔn)確度測定 ( 2 ) 信弓發(fā)生器示值誤差測定 ( 3 ) 計(jì)算機(jī)時(shí)間測量誤差測定 ( 4 ) 測量桁架旋轉(zhuǎn)的勻速性能 ( 5 ) 浮標(biāo)旋轉(zhuǎn)半徑的測定 ( 6 ) 校驗(yàn)浮標(biāo)的旋轉(zhuǎn)半徑 ( 7 ) 轉(zhuǎn)動(dòng)軸扭曲形變估測 ( 8 ) 浮標(biāo)上跨零點(diǎn)確定 ( 9 ) 基準(zhǔn)電壓測量 ( 1 0 ) a d 轉(zhuǎn)換精度測定 ( 1 1 ) 傳輸線電阻測定 ( 1 2 ) 裝置負(fù)載能力估測 1 4 蕈力加埋席式波浪j ! 孚杯量值溯源體系研究 以下主要針對(duì)周期、波高、負(fù)載能力三項(xiàng)主要技術(shù)性能進(jìn)行相關(guān)分析與綜述。 6 1 周期測量 存波浪浮標(biāo)檢定裝冒的桁架旋轉(zhuǎn)時(shí)，每當(dāng)浮標(biāo)卡具經(jīng)過上跨零點(diǎn)即發(fā)出一個(gè) 脈沖作為周期信號(hào)，桁架轉(zhuǎn)過( 1 4 7 ) 。即發(fā)出一個(gè)脈沖作為角度信號(hào)。本裝置 將角度信號(hào)2 0 分頻后作為中斷信號(hào)，向計(jì)算機(jī)提出中斷申請(qǐng)。計(jì)算機(jī)以1 6 x 2 位計(jì)數(shù)器記錄插卡p c 一6 3 1 3 的晶振脈沖( 時(shí)鐘脈沖) 在兩次中斷申請(qǐng)之間的個(gè)數(shù)， 作為桁架轉(zhuǎn)過( 2 0 4 7 ) 4 所齋要的時(shí)間，計(jì)算桁架在該位置的旋轉(zhuǎn)瞬時(shí)速度：以 兩個(gè)周期信號(hào)之間品振詠沖的翠加敏計(jì)算桁架周期。這種刪時(shí)方法刪軍桁架的惦 轉(zhuǎn)周期時(shí)，周期測量誤差應(yīng)當(dāng)包含測時(shí)方法綜合誤差及周期讀數(shù)誤差。 我們存測試l 中，以e 3 1 2 a 頻宰計(jì)為藎準(zhǔn)。測蕈了p c 一6 3 1 3 時(shí)鐘脈沖的準(zhǔn)確 度61 和穩(wěn)定性62 ；在測試2 、3 中，用g f g 一8 0 1 6 型信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)取代桁 架角度信號(hào)，確定計(jì)算機(jī)的時(shí)間測暈誤差63 。根據(jù)測試7 1 、7 2 、7 3 可得本 裝置測時(shí)方法綜合誤差60 。 當(dāng)桁架的負(fù)載為傳感器( 約l o k g ) 或9 5 6 浮標(biāo)模型( 約1 8 0 k g ) 時(shí)，使桁架 在2s 4 0s 內(nèi)的各個(gè)設(shè)定點(diǎn)上勻速旋轉(zhuǎn)l o 周。用上述方法記錄每周的周期值， 從而計(jì)算周期的平均值與均方差。同時(shí)，用兩塊秒表人工記時(shí)柬佐證計(jì)算機(jī)對(duì)桁 架旋轉(zhuǎn)i o 周的時(shí)間測量值，兩者相差不大于0 1 s ( 見測試4 ) 。 測試結(jié)果如下： 6 1 1 時(shí)鐘準(zhǔn)確度 時(shí)鐘準(zhǔn)確度6l 優(yōu)于1 3 x1 0 - 5 ( 相對(duì)誤差) ，穩(wěn)定性62 優(yōu)于2 0 1 0 7 1 7 天( 相對(duì)誤差) ( 見測試t 1 ) 計(jì)算機(jī)時(shí)問測量誤差6 。6 0 x1 0 1 ( 見測試7 2 、7 3 ) 鋇4 時(shí)方法標(biāo)準(zhǔn)合成誤差坑= 再；i 麗= 6 0 。1 0 4 極限合成誤差6 。= l6 。l + 6 。i + i6 ，i 6 2 x 1 0 1 6 1 2 周期相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差 在2 s 4 0 s 內(nèi)各個(gè)設(shè)定點(diǎn)( t i ) 上 5 。= o l t 。 其中 重力加速壹式波浪浮標(biāo)量值溯源體系研究 則 6 。周期相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差 o 。周期測量均方差 f 周期平均值 6 1 3 周期誤差 6 。o 1 3 ( 見測試7 4 ) k ：痧= 瓦= o 1 4 6 2 波高測量 本裝胃通過止擺鏈、輪，使浮標(biāo)卡具( 含浮標(biāo)) 在桁架旋轉(zhuǎn)過程中始終處于 平動(dòng)狀態(tài)。在勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)，卡具、浮杯的形變均可忽略不計(jì)，則卡具( 含浮標(biāo)) 上各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡都相同。因而準(zhǔn)確測量卡具中心孔的圓心至桁架旋轉(zhuǎn)軸軸心的 距離( 即旋轉(zhuǎn)半徑r ) 即可表示浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)的半波高。 6 2 1 旋轉(zhuǎn)半徑r 的測龜 在弱量中： 鋼卷尺刻線誤差：o 8 m m 鋼卷尺讀數(shù)誤差：。0 4 1 r r 蚰 兩臂不等長誤差( 機(jī)加工) ：。0 5 咖 兩臀不平行半徑修正值：a 。0 2 5 御 孔心、軸心標(biāo)記誤差：5 0 5i i l m 位置示值誤差：。，o 8m m 區(qū)l 此，半徑r 的標(biāo)準(zhǔn)合成誤差： i a n i 1 2 + 2 2 + 3 2 + 4 2 + ，2 + 6 2 1 4 r n m 半徑r 的極限合成誤差： i r - ，j j 。j + i 。i 十l 。i + la i + i 。i + l 。i 3 3 m m ( 以上見測試7 5 ) 在r = 3 m 處，我們又用水平儀測量了浮標(biāo)實(shí)際運(yùn)動(dòng)高度，與上述測量相比， 兩者相差不大于1 5 m m ( 見測試7 6 ) 。 1 6 重力加速度式緩浪浮杯量值溯緣體系研究 6 2 2 高度h ( t ) 桁架旋轉(zhuǎn)過程中浮標(biāo)在任意時(shí)刻的高度h ( t ) 由下式給出： h ( t ) = r s i n0 ( t ) 8 為旋轉(zhuǎn)角度 位置誤差 h = s i n0 r + r c o s0 o + h o r 、r 啊。為標(biāo)準(zhǔn)合成誤差及極限合成誤蓐 r 一1 4 m m r 3 3 m m o 為旋轉(zhuǎn)角度誤差，8 0 = ( 1 4 7 ) 。t l , h 。為水平零點(diǎn)測量標(biāo)準(zhǔn)誤差及極限誤差 h o 1 2 m m a h o a x 2 0 m m ( 見測試7 8 ) 囚廊，波高標(biāo)準(zhǔn)合成誤差幽= 出+ ( r 臼) 2 + ( a h o ) 2 2 1 5 波高標(biāo)準(zhǔn)滿度誤差= ( h x2 ) 6 0 0 0 0 0 8 f s 波高極限合成誤差l h l l ri + ir a ol + i h 。l 3 3 + 3 0 0 0 x ( 1 4 7 ) ( 丌1 8 0 ) + 2 0 6 0m m 波高極限滿度誤差= h x 2 6 0 0 0 = 4 - 0 2 f s 6 2 3a d 轉(zhuǎn)換 由于本機(jī)a 0 轉(zhuǎn)換的相對(duì)誤差小于3 8 l o _ 4 ，標(biāo)準(zhǔn)電壓v s 的穩(wěn)定性為1 8 x1 0 4 ( 見測試7 9 、7 1 0 、7 1 1 ) 。因而，當(dāng)被檢浮標(biāo)波高輸出為橫擬電皿時(shí)， a d 轉(zhuǎn)換誤差可忽略。 6 3 負(fù)載能力測試 裝置的負(fù)載能力主要取決于桁架及主軸所能承受的扭曲形變。 據(jù)機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)( 修訂版) 規(guī)定，圓戡面軸每米允許扭角 巾。= 0 5 。1 0 。( p9 5 0 ) ，本裝置從電機(jī)尾端至桁架平面長：2 1 6 7m m ， 因而允許扭角巾= 1 1 0 2 2 。 我們?cè)诟?biāo)模型內(nèi)裝填鐵塊，使浮標(biāo)總重量達(dá)1 8 0 k g 。桁架先以低速旋轉(zhuǎn)， 穩(wěn)定后階躍至給定速度，記錄桁架主軸扭角。給定速度值由低到高直至極限 ( t = 6 4 s h = 6 m ) ，發(fā)現(xiàn)所有扭角均不大于1 1 。( 見測試7 1 2 ) ，顯然如不以階 重力加速度式波浪浮標(biāo)囂值溯源體系研究 躍方式升速，升速速率越低，桁架及主軸的扭角將越小。 上述測蕈結(jié)果表明桁架負(fù)載能力大于1 8 0 k g 。因浮標(biāo)模型體積有限，未能作 進(jìn)一步測試。 6 4 其它 我們?cè)O(shè)計(jì)了兩套浮標(biāo)卡具，可裝載浮標(biāo)直徑最小為0 5m ，最大為1 o m 。我 們已經(jīng)給中科院海洋所、青島每洋大學(xué)等用戶出具了被檢浮標(biāo)的幅頻和相頻特性 曲線。 7 測試實(shí)驗(yàn)報(bào)告 7 1 時(shí)鐘準(zhǔn)確度測定 7 1 1 測試目的 測暈計(jì)算機(jī)插卡p c - 6 3 1 3 計(jì)數(shù)時(shí)鐘的準(zhǔn)確度，確定它對(duì)波浪浮標(biāo)檢定裝置性 能測試的影響。 7 1 2 使用儀器 e 3 1 2 a 型頻率計(jì) 編號(hào)：p 1 3 6 7 1 3 測試方法 在波浪浮標(biāo)檢定裝冒的計(jì)算 機(jī)中插入p c 一6 3 1 3 卡，將p c 一6 3 1 3 卡中k j 9 - 1 ( 時(shí)鐘信號(hào)) 及地引 入e 3 1 2 a 頻率計(jì)的輸入端。開機(jī) 穩(wěn)定半小時(shí)后，使e 3 1 2 a 頻率計(jì) 分別處于周期測量檔和頻率測量 檔，每3 0 秒記錄1 次，連續(xù)記錄 1 0 次，取平均。用示波器監(jiān)視測 量過程。七天后，再重復(fù)上述過程。接線如圖7 1 - l ： 1 8 圖7 1 一l 重力加速度式玻艘辱杯量值蒯披體系研究 7 1 4 測試記錄 第一組 ( 表7 1 - 1 ) p c 一6 3 1 3 標(biāo)稱值 測最值 測暈序 l234 5 號(hào) 周期 1 01 0 0 0 0 1 0 0 0 00 9 9 9 91 0 0 0 00 9 9 9 9 ( ps ) 頻率 1 0 0 0 0 1 2 1 0 0 0 0 1 31 0 0 0 0 1 21 0 0 0 0 1 31 0 0 0 0 1 2 1 0 0 0 ( k h z ) 9o9o8 測量序 67 89l o n 周期 1 o0 9 9 9 9 1 0 0 0 0 1 0 0 0 00 9 9 9 90 9 9 9 9 ( 弘s ) 頻率 1 0 0 0 0 1 31 0 0 0 0 1 31 0 0 0 0 1 31 0 0 0 0 1 3i 0 0 0 0 1 3 1 0 0 0 ( k h z ) oilo 周期 1 0 0 0 0 標(biāo)稱誤差 0 0 0 0 0 ( “s ) 平均值( 測量值平均值一杯稱 頻率 1 0 0 0 0 1 3 值)o 0 1 3