朱 麗 黎 瑋

中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院

振動(dòng)傳感器系統(tǒng)校準(zhǔn)誤差研究

朱 麗 黎 瑋

中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院

論文介紹了飛行試驗(yàn)中振動(dòng)傳感器校準(zhǔn)的相關(guān)理論，對(duì)振動(dòng)傳感器校準(zhǔn)誤差產(chǎn)生的原因進(jìn)行了剖析，對(duì)誤差來(lái)源進(jìn)行了分析，同時(shí)給出具體減小校準(zhǔn)誤差的措施，旨在提高振動(dòng)傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)的精度和整體技術(shù)水平，最后通過(guò)一組比對(duì)試驗(yàn)對(duì)理論分析進(jìn)行驗(yàn)證。

概述

隨著振動(dòng)各類(lèi)傳感器精度的不斷提高，很多領(lǐng)域如航空航天、地震監(jiān)測(cè)、橋梁、地質(zhì)勘探等需要對(duì)不同頻段的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行更高精確的測(cè)量和更細(xì)致研究。只有保證振動(dòng)傳感器的測(cè)量精度，才能準(zhǔn)確測(cè)得到與振動(dòng)有關(guān)的各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提前預(yù)知各種安全隱患，做出防范。

振動(dòng)傳感器的校準(zhǔn)

振動(dòng)傳感器

廣義的振動(dòng)是指任何一種物理量的量值大小和方向相對(duì)于參考基準(zhǔn)作往復(fù)變化的現(xiàn)象。振動(dòng)參數(shù)測(cè)量包括位移（振幅）、振動(dòng)速度、振動(dòng)加速度和振動(dòng)頻率的測(cè)量。在飛行試驗(yàn)中，多采用振動(dòng)傳感器作為飛機(jī)環(huán)境振動(dòng)、炮振、抖振等振動(dòng)參數(shù)的測(cè)量。振動(dòng)參數(shù)的測(cè)量可通過(guò)振動(dòng)傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。的影響。按照國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程GJB1692－93，必須對(duì)工作用傳感器進(jìn)行定期校準(zhǔn)，一般校準(zhǔn)周期為一年。用于機(jī)載測(cè)試的傳感器必須進(jìn)行裝機(jī)前的校準(zhǔn)，所得到的校準(zhǔn)報(bào)告作為飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的基準(zhǔn)。在飛機(jī)振動(dòng)校準(zhǔn)中，通常只對(duì)傳感器的靈敏度、頻率特性?xún)身?xiàng)內(nèi)容進(jìn)行校準(zhǔn)。

振動(dòng)傳感器系統(tǒng)校準(zhǔn)過(guò)程可用圖1所示的框圖表示，由標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)（中頻振動(dòng)臺(tái)/激光振動(dòng)臺(tái)等）施加標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)給被校傳感器，振動(dòng)傳感器感受到振動(dòng)信號(hào)后，輸出電信號(hào)或電荷信號(hào)至數(shù)據(jù)采集與記錄裝置，生成的校線作為飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)。

校準(zhǔn)方法

在實(shí)驗(yàn)室中，通常采用比較法校準(zhǔn)，即使用標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)傳感器作為傳遞工具，對(duì)工作用的傳感器進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)準(zhǔn)振源主要是使用標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)，由信號(hào)發(fā)生器經(jīng)功率放大器輸出正弦信號(hào)至振動(dòng)臺(tái)，使振動(dòng)臺(tái)面產(chǎn)生垂直或者水平方向振動(dòng)，產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)作為振動(dòng)傳感器的輸入信號(hào)源。

將被校傳感器與標(biāo)準(zhǔn)傳感器同時(shí)粘貼（或剛性聯(lián)結(jié)）在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上，正確連接被校系統(tǒng)及其相關(guān)配套電路，即可進(jìn)行校準(zhǔn)，得到校準(zhǔn)報(bào)告，其連接圖可見(jiàn)圖2。

圖1 傳感器校準(zhǔn)鏈路示意圖

校準(zhǔn)內(nèi)容

校準(zhǔn)也稱(chēng)為標(biāo)定，它是通過(guò)試驗(yàn)建立傳感器的輸入量與輸出量之間的關(guān)系，同時(shí)也確定出不同使用條件下的誤差關(guān)系。振動(dòng)傳感器的各項(xiàng)性能指標(biāo)如靈敏度、幅頻響應(yīng)、橫向靈敏度、線性范圍等會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果的精度及可靠性產(chǎn)生直接

圖2 現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)框圖

校準(zhǔn)誤差分析

振動(dòng)校準(zhǔn)誤差來(lái)源

在振動(dòng)校準(zhǔn)中，引起誤差的原因大致有以下幾種：

a）振動(dòng)臺(tái)自身誤差：振動(dòng)臺(tái)由于其自身的不穩(wěn)定性帶來(lái)的誤差，如彈簧自身的誤差、直流漂移以及信號(hào)源的功率放大器的漂移等均會(huì)引起振幅的誤差；

b）傳感器自身誤差：振動(dòng)傳感器出廠時(shí)由于其自身結(jié)構(gòu)、物理等原因帶來(lái)的傳感器自身誤差；

c）被校傳感器在振動(dòng)臺(tái)上的安裝引起的誤差：校準(zhǔn)時(shí)振動(dòng)傳感器有蠟粘，剛性聯(lián)結(jié)的安裝方式，而涂于振動(dòng)臺(tái)上蠟的厚薄，剛性聯(lián)結(jié)時(shí)的安裝力矩不同，都會(huì)引入振動(dòng)傳感器的校準(zhǔn)誤差；

d）數(shù)據(jù)采集與處理設(shè)備的誤差；

e）不可預(yù)測(cè)誤差：如振動(dòng)校準(zhǔn)時(shí)振動(dòng)臺(tái)附近有人大聲說(shuō)話(huà)，來(lái)回走動(dòng)，附近有其他干擾源，或者電源的電壓不穩(wěn)定帶來(lái)的影響，以及電壓電源50Hz及其倍頻的干擾等。

系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差分析

誤差來(lái)源一般有系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差兩種。系統(tǒng)誤差中，振動(dòng)臺(tái)自身誤差可以由計(jì)量部門(mén)通過(guò)每年的計(jì)量檢定給出；傳感器自身的誤差也可以由生產(chǎn)廠家給出；數(shù)據(jù)采集與處理設(shè)備隨著數(shù)字電子技術(shù)的飛速發(fā)展，其精度也越來(lái)越高。因此，整個(gè)校準(zhǔn)鏈路中被校傳感器的安裝誤差，起比較主要的作用。

而振動(dòng)校準(zhǔn)中，隨機(jī)誤差的來(lái)源主要有：不同步采集數(shù)據(jù)、傳感器與采集記錄器匹配問(wèn)題、電源50HZ及其倍頻干擾、信號(hào)源和功率放大器的頻率和幅值不穩(wěn)定等因素。雖然這些誤差是實(shí)際存在的，但要確定其誤差大小卻很難。

減小校準(zhǔn)誤差的措施

環(huán)境的穩(wěn)定性

為了減少外界對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)的干擾影響，必須在外界環(huán)境上提出較高的要求。振動(dòng)臺(tái)需要固定安裝，實(shí)驗(yàn)室溫濕度等環(huán)境條件滿(mǎn)足校準(zhǔn)要求，從外在環(huán)境上將干擾減小到最低。

數(shù)據(jù)處理方法

為了使校準(zhǔn)結(jié)果精度更高，需要通過(guò)求平均值來(lái)減小測(cè)量數(shù)據(jù)中的由于隨機(jī)誤差帶來(lái)的影響。并且，在對(duì)所有數(shù)據(jù)求平均值之前，要先提出測(cè)量數(shù)據(jù)中的可疑數(shù)據(jù)，以減小隨機(jī)誤差。

安裝方式

振動(dòng)傳感器校準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)保證振動(dòng)臺(tái)安裝表面光潔平整，且安裝力矩要適當(dāng)。安裝臺(tái)面應(yīng)涂凡士林油或硅脂，消除由于安裝所造成的諧振點(diǎn)。電纜的連接要牢固。在振動(dòng)過(guò)程中不應(yīng)發(fā)生顫抖，以減小噪聲。若壓電式振動(dòng)傳感器配用電荷放大器，需保證校準(zhǔn)與裝機(jī)所用低噪聲電纜的性能、長(zhǎng)度相同。

試驗(yàn)分析

本文將飛行試驗(yàn)中常用的兩種類(lèi)型傳感器分別在不同環(huán)境和不同安裝條件下進(jìn)行校準(zhǔn)以及數(shù)據(jù)處理，并計(jì)算其校準(zhǔn)誤差。選擇用于測(cè)量飛機(jī)顫振的傳感器3741B（±10g）和測(cè)量環(huán)振的傳感器353B33分別利用蠟粘和螺釘安裝方式固定在中頻振動(dòng)臺(tái)上，校準(zhǔn)結(jié)果如表1所示。

表1 兩種傳感器不同安裝方式校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)處理方法采用最小二乘法逼近算法，計(jì)算其校準(zhǔn)誤差如表2所示。

表2 兩種傳感器不同安裝方式的校準(zhǔn)誤差

通過(guò)這組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)時(shí)選擇不同的安裝方式對(duì)傳感器校準(zhǔn)精度是有影響的，要根據(jù)傳感器的特點(diǎn)和機(jī)上安裝方式來(lái)選擇校準(zhǔn)時(shí)的安裝方式。選擇合適的安裝方式是可以有效地提高傳感器的校準(zhǔn)精度。

總結(jié)

本文通過(guò)理論分析將飛行試驗(yàn)中振動(dòng)傳感器的校準(zhǔn)誤差進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并提出相應(yīng)的減小誤差的措施，在實(shí)驗(yàn)室也做了相關(guān)試驗(yàn)為飛行試驗(yàn)中提高振動(dòng)傳感器的校準(zhǔn)精度提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

朱麗（1987-）女，工程師，2010年7月畢業(yè)于電子科技大學(xué)，碩士學(xué)位，2010年7月至今就職于中航工業(yè)飛行試驗(yàn)研究院測(cè)試技術(shù)研究所機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)室。