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).