鄭術(shù)力，鄭文煒，劉國棟

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 511300）

引言

壓電式加速度傳感器具有高測量帶寬，大量程及工作溫度范圍廣等特點而被廣泛應(yīng)用于航天航空[1]、能源電力[2]等領(lǐng)域的振動測試中。隨著壓電加速度傳感器逐漸國產(chǎn)化，對加速度傳感器性能參數(shù)特別是應(yīng)用于特種環(huán)境下的加速度傳感器的改善需求顯得越來越急迫。如在能源電力領(lǐng)域，在使用壓電式加速度傳感器對電力變壓器進(jìn)行振動檢測時，由于交變磁場的影響，壓電式加速度傳感器在將會輸出虛假信號，影響測量準(zhǔn)確度。傳感器在交變磁場中最大輸出值與磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度的比值稱為磁靈敏度[3]，它是壓電式加速度傳感器的重要參數(shù)之一。但是目前國內(nèi)外對壓電式加速度傳感器磁靈敏度測試方法及其相關(guān)測試裝置研究較少。

任峨松[4]提出使用螺管線圈作為磁場發(fā)生器，將加速度傳感器裝鉛塊上，對加速度傳感器進(jìn)行磁靈敏度測試的方法，最后對Endevco公司的2270標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器進(jìn)行磁靈敏度測試，并將測試結(jié)果與傳感器出廠磁靈敏度進(jìn)行對比，證明其提出的校準(zhǔn)方法是可行的。

朱目成、趙海云[5]提出使用電磁鐵裝置產(chǎn)生交變磁場對壓電式加速度傳感器進(jìn)行測量，通過改變壓電加速度傳感器靈敏度軸相對于磁場方向的夾角來測量出磁靈敏度。黃志煌、林喜鑒[6]提出了一種壓電加速度傳感器磁靈敏度的多維測試裝置，該測試方法采用一對匝數(shù)相等、尺寸形狀都相同的亥姆霍茲線圈形成穩(wěn)定的磁場，旋轉(zhuǎn)臺來控制磁場方向與加速度傳感器靈敏度軸的夾角，從而實現(xiàn)壓電加速度傳感器的磁靈敏度多維測試。

上述研究為深入研究加速度傳感器磁靈敏度校準(zhǔn)技術(shù)開拓了思路，然而，上述校準(zhǔn)技術(shù)在均存在傳感器或線圈轉(zhuǎn)動引起的機(jī)械振動，導(dǎo)致校準(zhǔn)不確定度變大。因此本文在ISO/DIS 16063-33《振動與沖擊傳感器的校準(zhǔn)方法 磁靈敏度測試》[7]測試方法的基礎(chǔ)上提出了一種基于PID控制技術(shù)的磁靈敏度校準(zhǔn)裝置。該校準(zhǔn)裝置通過磁場旋轉(zhuǎn)掃描，可以自動完成校準(zhǔn)過程，無運(yùn)動部件，不受振動影響，具有測量不確定度低，測試快捷等特點。

1 加速度傳感器磁靈敏度校準(zhǔn)裝置設(shè)計方案

1.1 總體技術(shù)方案

根據(jù)JJG 233-2008 《壓電加速度計檢定規(guī)程》磁靈敏度的檢定方法，將被檢加速度傳感器安裝在一個50 Hz或60 Hz的已知磁場中，先將特斯拉計安裝加速度計的位置測出磁場強(qiáng)度B，然后旋轉(zhuǎn)加速度傳感器或旋轉(zhuǎn)磁場方向，找出加速度傳感器輸出的最大值。根據(jù)加速度傳感器的參考靈敏度，將最大輸出值換算成等效加速度，再除以磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度，即：

式中：

SB—磁靈敏度；

aBmax—輸出最大值的等效加速度；

B—檢定時交變磁場的磁場強(qiáng)度。

根據(jù)上述要求，我們設(shè)計了加速度傳感器磁靈敏度的自動校準(zhǔn)的總體方案。方案加速度傳感器保持不動，通過3對正交的亥姆霍茲線圈產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，改變磁場方向與傳感器靈敏度軸的空間夾角，對傳感器進(jìn)行步進(jìn)掃描，從而能夠獲得傳感器的磁靈敏度。

加速度加速度傳感器磁靈敏度校準(zhǔn)裝置由一個隔振平臺、三軸亥姆霍茲線圈、功率放大器、信號發(fā)生器、信號采集器、上位機(jī)、底座、電流傳感器、信號適調(diào)器組成，如圖1所示。

圖1 加速度傳感器磁靈敏度校準(zhǔn)裝置的組成

典型的測試磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為10 mT 、頻率為50 Hz，本文對加速度傳感器磁靈敏度校準(zhǔn)裝置的指標(biāo)分解如表1所示。

表1 加速度傳感器磁靈敏度自動校準(zhǔn)裝置的指標(biāo)分解

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 三維磁場合成技術(shù)

亥姆霍茲線圈可以產(chǎn)生磁場強(qiáng)度高達(dá)數(shù)百高斯的磁場，磁場均勻區(qū)大，操作空間開闊，是理想的磁場發(fā)生裝置，且亥姆霍茲線圈的輸入電流與磁場強(qiáng)度之間有很好的線性關(guān)系，可以實現(xiàn)精確控制。通過3對亥姆霍茲線圈產(chǎn)生兩兩正交的磁場，3個磁場耦合后，在空間可產(chǎn)生任意方向的直流、交流磁場。因此，采用3對亥姆霍茲線圈作為磁場發(fā)生裝置，可以滿足本方案在空間任意方向產(chǎn)生交變均勻磁場的設(shè)計需求。根據(jù)場的疊加理論，其磁場分布可由3個亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的磁場疊加而成。當(dāng)各個亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的磁場交變頻率、相位相同而幅值不同時，磁場的方向由各個磁場的磁場強(qiáng)度最大值決定。

式中：

Fx、Fy、Fz—X軸、Y軸和Z軸線圈產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度最大值；

f—磁場交變頻率；

t—時間；

θ—相位角。

1.2.2 磁場監(jiān)測技術(shù)

開環(huán)霍爾電流傳感器是基于霍爾效應(yīng)對電流進(jìn)行測試的傳感器。如圖2所示，開環(huán)霍爾電流傳感器對被測電流IP產(chǎn)生的磁場進(jìn)行測試，其霍爾元件輸出與被測電流IP成正比的電壓VH，電壓VH經(jīng)過運(yùn)算放大器被比例放大為輸出電壓VO，該輸出電壓VO與被測電流IP成正比。HALL開環(huán)電流傳感器可以測量直流、交流和復(fù)雜的電流波形，具有電氣絕緣，插入損耗小，測量精度高，價格便宜等優(yōu)點[8]。

圖2 開環(huán)霍爾電流傳感器

本文選擇HALL開環(huán)電流傳感器作為監(jiān)測亥姆霍茲線圈電流的傳感器。通過測試亥姆霍茲線圈繞線的電流幅度、相位和頻率來求得亥姆霍茲線圈產(chǎn)生磁場的強(qiáng)度、方向、磁場頻率等。亥姆霍茲線圈的磁場強(qiáng)度與電流I之間的關(guān)系表達(dá)式如式（3）。

Bmax—磁場強(qiáng)度最大值；

μ0—磁導(dǎo)率；

N0—線圈匝數(shù)；

I—線圈電流；

R—線圈半徑。

1.2.3 磁場控制技術(shù)

PID控制器是應(yīng)用最廣泛的一種控制器，按比例（P）、積分（I）和微分（D）進(jìn)行控制，其輸入輸出關(guān)系如式4所示。PID控制器適用性強(qiáng)，對于數(shù)學(xué)模型不易于精確求得，參數(shù)變化大的被控對象，采用PID校正往往能夠得到滿意的控制效果。

本文提出的磁靈敏度自動校準(zhǔn)裝置中信號發(fā)生器分別產(chǎn)生正弦信號通過功率放大器驅(qū)動3對磁場線圈分別產(chǎn)生的正弦磁場，進(jìn)而耦合為空間任意方向的合成磁場。在磁靈敏度自動校準(zhǔn)裝置在控制過程中，采用3個PID控制器分別單獨對3個軸進(jìn)行控制，3個控制器均應(yīng)設(shè)定合適的PID調(diào)節(jié)參數(shù)，以消除穩(wěn)態(tài)誤差并保持良好的動態(tài)特性。具體的PID調(diào)節(jié)參數(shù)需要在測試過程中反復(fù)調(diào)節(jié)選定。PID控制原理圖如圖3所示。

圖3 亥姆霍茲線圈PID控制原理圖

2 實驗驗證

為在實驗上驗證本文提出的加速度傳感器磁靈敏度校準(zhǔn)裝置方案的可行性，對校準(zhǔn)裝置的技術(shù)性能進(jìn)行了驗證。我們定義磁場B的矢量方向由磁場在X-Y平面上的投影與X軸的夾角α，磁場與Z軸的夾角β確定。X軸、Y軸、Z軸方向上的磁場強(qiáng)度分量Bx、By、Bz分別由以下式子確定：

使用特斯拉計對校準(zhǔn)裝置產(chǎn)生的磁場進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)頻率為60 Hz，磁場強(qiáng)度為10 mT，測試結(jié)果如表2所示?？紤]到信號源具有鎖相功能并且在（40～60）Hz的條件下功率放大器的相位漂移很小，我們認(rèn)為磁場相位漂移對合成磁場穩(wěn)定性影響很小。

表2 磁場測量表

本文還選擇Endevco公司生產(chǎn)的2270型標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器進(jìn)行磁靈敏度測試，在頻率為60 Hz、磁場強(qiáng)度為10 mT、空間步進(jìn)角度為10 °的條件下，測得其磁靈敏度為21.74 m/s2/T。 經(jīng)查閱說明書，2270加速度傳感器標(biāo)稱磁靈敏度不超過30 m/s2/T，考慮到壓電加速度傳感器產(chǎn)品質(zhì)量一致性和測試過程中的測量不確定度等因素，所測磁靈敏度與標(biāo)稱磁靈敏度處于同數(shù)量級且小于標(biāo)稱磁靈敏度，測試數(shù)據(jù)合理。

以上2個試驗結(jié)果表明，本文研制的加速度傳感器磁靈敏度校準(zhǔn)裝置能夠滿足加速度傳感器的校準(zhǔn)需求。

3 結(jié)論

本文在ISO/DIS 16063-33《振動與沖擊傳感器的校準(zhǔn)方法 磁靈敏度測試》的測試方法的基礎(chǔ)上提出了一種基于PID控制技術(shù)的磁靈敏度校準(zhǔn)裝置。該校準(zhǔn)裝置在校準(zhǔn)過程中，無運(yùn)動部件，被檢加速度傳感器不受機(jī)械振動影響，具有測量不確定度低，測試快捷等特點。對加速度傳感器的質(zhì)量提升有一定的積極作用。