王佳豪, 左愛斌, 彭月祥

(1.北京工業(yè)大學(xué),北京 100022;2.中國計量科學(xué)研究院,北京 100029)

1 引 言

耐高溫加速度傳感器在溫度環(huán)境變化時加速度傳感器的靈敏度會隨環(huán)境溫度的變化而變化,為減小溫度環(huán)境對系統(tǒng)監(jiān)測的影響,需要精準(zhǔn)確定高溫環(huán)境下傳感器靈敏度的偏差,對測量結(jié)果進行修正[1],因此實現(xiàn)高溫環(huán)境下傳感器靈敏度精確測量、確定傳感器溫度響應(yīng)對于系統(tǒng)參數(shù)的監(jiān)測具有重要意義。為探究不同溫度環(huán)境下傳感器溫度響應(yīng),高金芳通過比較法以及激光絕對法測試了-65～250 ℃環(huán)境下加速度傳感器的溫度響應(yīng)偏差[2];杜曉輝等通過高溫振動對比測試的方法,探明了加速度傳感器在23～400 ℃升溫段內(nèi)靈敏度隨溫度升高均呈現(xiàn)出增大的趨勢[3]。1999年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織對激光干涉振動量值的絕對校準(zhǔn)法進行了補充,提出了測量位移精度更高、動態(tài)范圍更寬、噪聲更低、測量誤差更小的正弦逼近激光干涉振動絕對校準(zhǔn)方法(以下簡稱正弦逼近法)，于梅等介紹了正弦逼近法的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程,論述了其中相位展開、曲線擬合、誤差補償?shù)燃夹g(shù)難點[4]。

為更精確探究高溫環(huán)境加速度傳感器靈敏度隨溫度變化的規(guī)律,本文研究了一種基于正弦逼近法校準(zhǔn)的高溫加速度傳感器絕對法校準(zhǔn)試驗系統(tǒng),并探究高溫加速度傳感器的靈敏度隨溫度變化規(guī)律。高溫加速度傳感器絕對法校準(zhǔn)試驗系統(tǒng)由絕對法振動校準(zhǔn)裝置和智能溫度控制裝置組成,可以實現(xiàn)精準(zhǔn)的控制試驗所需要的振動環(huán)境、溫度環(huán)境,同時快速的對傳感器進行校準(zhǔn)試驗,通過外差式正弦逼近法對試驗干涉信號進行采集與解調(diào)處理。試驗方法為在不同溫度環(huán)境下,以及不同的工作頻率和加速度幅值范圍內(nèi)對加速度傳感器進行靈敏度測量,探究其變化規(guī)律[5]，提供了新思路。

2 高溫加速度傳感器絕對法校準(zhǔn)系統(tǒng)

2.1 絕對法振動校準(zhǔn)裝置

振動校準(zhǔn)裝置一般由信號發(fā)生器、功率放大器、振動臺、激光干涉儀、信號處理器、PXI高速數(shù)據(jù)采集卡、計算機等組成,其校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

其工作原理是基于正弦逼近法,通過激光干涉儀、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)對振動位移進行解算，進一步的得到振動的速度和加速度。對安裝在振動臺上的傳感器輸出進行測量,從而得到振動傳感器的靈敏度幅值和相移。具體操作為：控制信號發(fā)生器發(fā)生穩(wěn)定正弦信號,經(jīng)功率放大器放大后驅(qū)動振動臺產(chǎn)生振動,振動傳感器敏感此振動而輸出電壓信號。通過外差激光干涉儀對被測傳感器的振動量值進行測量,并通過PXI高速數(shù)據(jù)采集卡同步采集外差激光干涉儀信號和傳感器輸出信號,使用計算機軟件對采集到的干涉信號以及傳感器信號進行解調(diào)計算,得到傳感器的靈敏度幅值和相移。

圖1 振動校準(zhǔn)裝置簡圖Fig.1 Primary vibration calibration standard

2.2 智能高溫控制裝置

能夠獨立運行的智能高溫控制裝置由半開放式的溫度試驗箱、支撐框架以及PID溫度控制器組成,通過計算機控制程序設(shè)定溫度并控制加熱裝置升溫，創(chuàng)造校準(zhǔn)所需的溫度環(huán)境[6]。高溫控制系統(tǒng)可以控制的環(huán)境溫度范圍為室溫～400 ℃,通過分布在溫度試驗箱內(nèi)不同位置的溫度探頭監(jiān)測試驗箱內(nèi)溫度,并實時反饋給PID溫度控制器,從而調(diào)節(jié)溫腔內(nèi)溫度。高溫控制裝置通過支撐框架與振動校準(zhǔn)裝置結(jié)合成一體,有效提升了實驗的操作性，減小實驗中的操作誤差,整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 高溫加速度傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 High temperature acceleration sensor calibration system1-振動臺; 2-底部支架; 3-傳遞陶瓷桿; 4-支撐立柱; 5-頂部橫梁; 6-地面; 7-滑套; 8-固定螺旋; 9-滑輪; 10-高溫加熱絲; 11-硅酸鋁棉; 12-反射鏡; 13-內(nèi)壁加熱絲; 14-溫度探頭; 15-被校傳感器; 16-密封鋼圈; 17-入射孔; 18-升降手柄;19-鋼絲繩; 20-激光器支架; 21-激光干涉儀; 22-PID控制器

在進行高溫環(huán)境加速度傳感器靈敏度校準(zhǔn)實驗時,將半開放式溫度試驗箱放到底部支架上與底層保溫層組成閉合溫度空間,溫控程序設(shè)置溫度即可實現(xiàn)環(huán)境溫度的自動控制,當(dāng)腔內(nèi)溫度達到設(shè)定值后需保持腔內(nèi)溫度穩(wěn)定10 min以便腔內(nèi)溫度達到均勻,接著觸發(fā)振動激勵便可以進行試驗數(shù)據(jù)的采集。

2.3 外差式正弦逼近法振動校準(zhǔn)方法

實驗選取正弦逼近法中的外差式正弦逼近法為振動校準(zhǔn)方法,通過解析外差式激光干涉測振儀采集到的激光干涉信號計算出傳感器靈敏度幅值。具體為使用基于香農(nóng)采樣定理的采集方法—NS采集法,直接采集高載波頻率激光干涉信號。通過計算機對采樣信號進行正交化、相位解調(diào)、逼近計算等處理,同時通過PXI高速采集卡同步采集傳感器輸出信號并通過計算機逼近處理,從而準(zhǔn)確計算出被校準(zhǔn)傳感器的靈敏度幅值與相位信息,其采集解調(diào)計算過程如圖3所示。

圖3 外差式正弦逼近法測振信號解調(diào)原理Fig.3 Principle of sine-approximation vibration measurement signal demodulation

實驗使用的外差式激光干涉儀利用多普勒效應(yīng)與激光干涉原理實現(xiàn)測振。測振原理為：當(dāng)頻率為f的激光分光后,參考光束通過布拉格盒進行調(diào)制,調(diào)制后的參考光束與振動臺反射回來的測量光束干涉產(chǎn)生干涉信號光[7],其中參考光束受布拉格盒調(diào)制頻率變?yōu)閒+fc,fc為載波頻率；測量光束受到振動速度調(diào)制,頻率變?yōu)閒±Δfmax,Δfmax為最大頻移。干涉信號的頻率與相位分別受到振動速度與位移的調(diào)制,其頻率范圍為fc±Δfmax,其帶寬為振動速度與半波長的比[8,9]。

激光干涉信號通過光電探測器轉(zhuǎn)化為電信號。由于高頻壓電振動臺由正弦信號驅(qū)動產(chǎn)生激勵,故接收器采集的干涉信號UR(t)描述為：

(1)

式中：v(t)=vpcos(2 π fvt+φs)；s(t)=spsin(2 π fvt+φs)；up、φ0、λ分別為干涉信號峰值、初相位以及波長；vp、sp為振動速度以及位移峰值；fv、φs為振動頻率和初相位。

通過時域解調(diào)相位正弦逼近法對接收到的干涉信號相位進行正弦逼近擬合，可實現(xiàn)振動位移或速度的測量。時域解調(diào)相位正弦逼近法通過數(shù)字混頻與濾波獲取干涉信號的相位[10～12]。

利用標(biāo)準(zhǔn)正余弦正交基將干涉信號UR(t)轉(zhuǎn)換為兩路相互正交的信號,經(jīng)過數(shù)字濾波后描述為：

(3)

式中: ti為采樣時間; i=0,1,2,…,N-1, N為采樣點數(shù)。

以ISO16063-11 1999[13]推薦使用的相位展開法對式(3)所示干涉信號的相位進行提取,得到：

(4)

式(4)中引入補償相位nπ,是為了避免反正切函數(shù)在干涉信號過零點引入相位不連續(xù),其中n=0,1,2,…。n每增加1,相位φM(ti)增加π,振動位移變化λ/4。利用正弦逼近法對式(4)進行擬合,得到：

φM(ti)=Acos(ωti)-Bsin(ωti)+Cti+D

(5)

式中ω=2πfv。

選取多個采樣點的相位構(gòu)成方程組,用最小二乘法擬合求解參數(shù)A、B、C、D,得到振動位移s(ti):

(6)

對式(6)作一階微分和二階微分得到對應(yīng)的振動速度以及加速度,其加速度表達式為：

(7)

利用正弦逼近法擬合被校準(zhǔn)傳感器輸出電壓信號V(ti)：

V(ti)=Ascos(ωti)-Bssin(ωti)+Csti+Ds

(8)

(9)

(10)

3 實驗研究與數(shù)據(jù)結(jié)果

高溫加速度傳感器校準(zhǔn)實驗選用ENDEVCO公司生產(chǎn)的6237M70型耐高溫壓電式加速度傳感器進行溫度環(huán)境下的靈敏度校準(zhǔn)實驗,該壓電式加速度傳感器可以在-55～650 ℃環(huán)境中穩(wěn)定工作。在頻率為160 Hz、加速度幅值為30 m/s2振動環(huán)境下進行不同溫度環(huán)境下的靈敏度幅值測試,探究其變化規(guī)律。

試驗開啟振動臺,通過調(diào)節(jié)功率放大器氣浮旋鈕將振動臺升高至保溫腔中心位置,打開信號發(fā)生器輸出頻率為160 Hz的正弦信號,調(diào)節(jié)輸出加速度幅值至30 m/s2。接著打開溫度控制程序預(yù)熱15 min除去腔內(nèi)濕氣,隨后按設(shè)定的環(huán)境溫度值進行加熱升溫,每次升溫至設(shè)定值后,保持溫度穩(wěn)定10 min,最后測量加速度傳感器靈敏度幅值,改變環(huán)境溫度變量重復(fù)進行試驗。

實驗的測量結(jié)果如表1所示,其靈敏度隨溫度的變化曲線如圖4所示。

表1 6237M70型加速度傳感器各個溫度環(huán)境下靈敏度幅值(頻率為160Hz)Tab.1 Thesensitivity amplitude of the 6237M70 acceleration sensor at different temperatures(frequency is 160 Hz)

圖4 6237M70型加速度傳感器靈敏度隨溫度變化曲線Fig.4 Sensitivity of 6237M70 acceleration sensor at different temperatures

由表1數(shù)據(jù)可知,在保持加速度幅值以及頻率不變的情況下,提高實驗環(huán)境的溫度,傳感器靈敏度幅值相較于室溫環(huán)境下(25 ℃)呈現(xiàn)出增大的現(xiàn)象,通過比較各個高溫環(huán)境下此傳感器靈敏度,可知環(huán)境溫度每升高50 ℃,其靈敏度增大約2%。通過觀察靈敏度隨溫度變化曲線可知此傳感器靈敏度幅值在環(huán)境溫度從室溫升高至400 ℃時呈近似線性增大趨勢。

4 結(jié)束語

提出了適用于高溫環(huán)境的耐高溫加速度傳感器正弦逼近絕對校準(zhǔn)方法,并搭建了實驗校準(zhǔn)系統(tǒng),通過對耐高溫壓電式加速度傳感器進行溫變響應(yīng)實驗驗證了壓電式加速度傳感器的靈敏度幅值隨著溫度升高會呈現(xiàn)出增大的趨勢。通過絕對校準(zhǔn)方法精準(zhǔn)的測量了各個溫度環(huán)境下壓電式加速度傳感器的靈敏度幅值,探明了此型號加速度傳感器在環(huán)境溫度升高至400 ℃時靈敏度幅值呈現(xiàn)出近似線性的增大趨勢。本試驗方法及裝置能實現(xiàn)耐高溫加速度傳感器校準(zhǔn)并準(zhǔn)確測量室溫～400 ℃溫度環(huán)境下耐高溫加速度傳感器的靈敏度幅值及其隨溫度變化的規(guī)律,為高溫環(huán)境下實現(xiàn)精準(zhǔn)監(jiān)控提供了準(zhǔn)確數(shù)據(jù)參考,為相關(guān)類型的加速度傳感器提供校準(zhǔn)思路及方法。