高温压电加速度传感器绝对法校准

王佳豪, 左爱斌, 彭月祥

(1.北京工业大学,北京 100022;2.中国计量科学研究院,北京 100029)

1 引 言

耐高温加速度传感器在温度环境变化时加速度传感器的灵敏度会随环境温度的变化而变化,为减小温度环境对系统监测的影响,需要精准确定高温环境下传感器灵敏度的偏差,对测量结果进行修正[1],因此实现高温环境下传感器灵敏度精确测量、确定传感器温度响应对于系统参数的监测具有重要意义。为探究不同温度环境下传感器温度响应,高金芳通过比较法以及激光绝对法测试了-65～250 ℃环境下加速度传感器的温度响应偏差[2];杜晓辉等通过高温振动对比测试的方法,探明了加速度传感器在23～400 ℃升温段内灵敏度随温度升高均呈现出增大的趋势[3]。1999年国际标准化组织对激光干涉振动量值的绝对校准法进行了补充,提出了测量位移精度更高、动态范围更宽、噪声更低、测量误差更小的正弦逼近激光干涉振动绝对校准方法(以下简称正弦逼近法)，于梅等介绍了正弦逼近法的数学推导过程,论述了其中相位展开、曲线拟合、误差补偿等技术难点[4]。

为更精确探究高温环境加速度传感器灵敏度随温度变化的规律,本文研究了一种基于正弦逼近法校准的高温加速度传感器绝对法校准试验系统,并探究高温加速度传感器的灵敏度随温度变化规律。高温加速度传感器绝对法校准试验系统由绝对法振动校准装置和智能温度控制装置组成,可以实现精准的控制试验所需要的振动环境、温度环境,同时快速的对传感器进行校准试验,通过外差式正弦逼近法对试验干涉信号进行采集与解调处理。试验方法为在不同温度环境下,以及不同的工作频率和加速度幅值范围内对加速度传感器进行灵敏度测量,探究其变化规律[5]，提供了新思路。

2 高温加速度传感器绝对法校准系统

2.1 绝对法振动校准装置

振动校准装置一般由信号发生器、功率放大器、振动台、激光干涉仪、信号处理器、PXI高速数据采集卡、计算机等组成,其校准装置结构简图如图1所示。

其工作原理是基于正弦逼近法,通过激光干涉仪、数据采集与处理系统对振动位移进行解算，进一步的得到振动的速度和加速度。对安装在振动台上的传感器输出进行测量,从而得到振动传感器的灵敏度幅值和相移。具体操作为：控制信号发生器发生稳定正弦信号,经功率放大器放大后驱动振动台产生振动,振动传感器敏感此振动而输出电压信号。通过外差激光干涉仪对被测传感器的振动量值进行测量,并通过PXI高速数据采集卡同步采集外差激光干涉仪信号和传感器输出信号,使用计算机软件对采集到的干涉信号以及传感器信号进行解调计算,得到传感器的灵敏度幅值和相移。

图1 振动校准装置简图Fig.1 Primary vibration calibration standard

2.2 智能高温控制装置

能够独立运行的智能高温控制装置由半开放式的温度试验箱、支撑框架以及PID温度控制器组成,通过计算机控制程序设定温度并控制加热装置升温，创造校准所需的温度环境[6]。高温控制系统可以控制的环境温度范围为室温～400 ℃,通过分布在温度试验箱内不同位置的温度探头监测试验箱内温度,并实时反馈给PID温度控制器,从而调节温腔内温度。高温控制装置通过支撑框架与振动校准装置结合成一体,有效提升了实验的操作性，减小实验中的操作误差,整体结构如图2所示。

图2 高温加速度传感器校准系统结构图Fig.2 High temperature acceleration sensor calibration system1-振动台; 2-底部支架; 3-传递陶瓷杆; 4-支撑立柱; 5-顶部横梁; 6-地面; 7-滑套; 8-固定螺旋; 9-滑轮; 10-高温加热丝; 11-硅酸铝棉; 12-反射镜; 13-内壁加热丝; 14-温度探头; 15-被校传感器; 16-密封钢圈; 17-入射孔; 18-升降手柄;19-钢丝绳; 20-激光器支架; 21-激光干涉仪; 22-PID控制器

在进行高温环境加速度传感器灵敏度校准实验时,将半开放式温度试验箱放到底部支架上与底层保温层组成闭合温度空间,温控程序设置温度即可实现环境温度的自动控制,当腔内温度达到设定值后需保持腔内温度稳定10 min以便腔内温度达到均匀,接着触发振动激励便可以进行试验数据的采集。

2.3 外差式正弦逼近法振动校准方法

实验选取正弦逼近法中的外差式正弦逼近法为振动校准方法,通过解析外差式激光干涉测振仪采集到的激光干涉信号计算出传感器灵敏度幅值。具体为使用基于香农采样定理的采集方法—NS采集法,直接采集高载波频率激光干涉信号。通过计算机对采样信号进行正交化、相位解调、逼近计算等处理,同时通过PXI高速采集卡同步采集传感器输出信号并通过计算机逼近处理,从而准确计算出被校准传感器的灵敏度幅值与相位信息,其采集解调计算过程如图3所示。

图3 外差式正弦逼近法测振信号解调原理Fig.3 Principle of sine-approximation vibration measurement signal demodulation

实验使用的外差式激光干涉仪利用多普勒效应与激光干涉原理实现测振。测振原理为：当频率为f的激光分光后,参考光束通过布拉格盒进行调制,调制后的参考光束与振动台反射回来的测量光束干涉产生干涉信号光[7],其中参考光束受布拉格盒调制频率变为f+fc,fc为载波频率；测量光束受到振动速度调制,频率变为f±Δfmax,Δfmax为最大频移。干涉信号的频率与相位分别受到振动速度与位移的调制,其频率范围为fc±Δfmax,其带宽为振动速度与半波长的比[8,9]。

激光干涉信号通过光电探测器转化为电信号。由于高频压电振动台由正弦信号驱动产生激励,故接收器采集的干涉信号UR(t)描述为：

(1)

式中：v(t)=vpcos(2 π fvt+φs)；s(t)=spsin(2 π fvt+φs)；up、φ0、λ分别为干涉信号峰值、初相位以及波长；vp、sp为振动速度以及位移峰值；fv、φs为振动频率和初相位。

通过时域解调相位正弦逼近法对接收到的干涉信号相位进行正弦逼近拟合，可实现振动位移或速度的测量。时域解调相位正弦逼近法通过数字混频与滤波获取干涉信号的相位[10～12]。

利用标准正余弦正交基将干涉信号UR(t)转换为两路相互正交的信号,经过数字滤波后描述为：

(3)

式中: ti为采样时间; i=0,1,2,…,N-1, N为采样点数。

以ISO16063-11 1999[13]推荐使用的相位展开法对式(3)所示干涉信号的相位进行提取,得到：

(4)

式(4)中引入补偿相位nπ,是为了避免反正切函数在干涉信号过零点引入相位不连续,其中n=0,1,2,…。n每增加1,相位φM(ti)增加π,振动位移变化λ/4。利用正弦逼近法对式(4)进行拟合,得到：

φM(ti)=Acos(ωti)-Bsin(ωti)+Cti+D

(5)

式中ω=2πfv。

选取多个采样点的相位构成方程组,用最小二乘法拟合求解参数A、B、C、D,得到振动位移s(ti):

(6)

对式(6)作一阶微分和二阶微分得到对应的振动速度以及加速度,其加速度表达式为：

(7)

利用正弦逼近法拟合被校准传感器输出电压信号V(ti)：

V(ti)=Ascos(ωti)-Bssin(ωti)+Csti+Ds

(8)

(9)

(10)

3 实验研究与数据结果

高温加速度传感器校准实验选用ENDEVCO公司生产的6237M70型耐高温压电式加速度传感器进行温度环境下的灵敏度校准实验,该压电式加速度传感器可以在-55～650 ℃环境中稳定工作。在频率为160 Hz、加速度幅值为30 m/s2振动环境下进行不同温度环境下的灵敏度幅值测试,探究其变化规律。

试验开启振动台,通过调节功率放大器气浮旋钮将振动台升高至保温腔中心位置,打开信号发生器输出频率为160 Hz的正弦信号,调节输出加速度幅值至30 m/s2。接着打开温度控制程序预热15 min除去腔内湿气,随后按设定的环境温度值进行加热升温,每次升温至设定值后,保持温度稳定10 min,最后测量加速度传感器灵敏度幅值,改变环境温度变量重复进行试验。

实验的测量结果如表1所示,其灵敏度随温度的变化曲线如图4所示。

表1 6237M70型加速度传感器各个温度环境下灵敏度幅值(频率为160Hz)Tab.1 Thesensitivity amplitude of the 6237M70 acceleration sensor at different temperatures(frequency is 160 Hz)

图4 6237M70型加速度传感器灵敏度随温度变化曲线Fig.4 Sensitivity of 6237M70 acceleration sensor at different temperatures

由表1数据可知,在保持加速度幅值以及频率不变的情况下,提高实验环境的温度,传感器灵敏度幅值相较于室温环境下(25 ℃)呈现出增大的现象,通过比较各个高温环境下此传感器灵敏度,可知环境温度每升高50 ℃,其灵敏度增大约2%。通过观察灵敏度随温度变化曲线可知此传感器灵敏度幅值在环境温度从室温升高至400 ℃时呈近似线性增大趋势。

4 结束语

提出了适用于高温环境的耐高温加速度传感器正弦逼近绝对校准方法,并搭建了实验校准系统,通过对耐高温压电式加速度传感器进行温变响应实验验证了压电式加速度传感器的灵敏度幅值随着温度升高会呈现出增大的趋势。通过绝对校准方法精准的测量了各个温度环境下压电式加速度传感器的灵敏度幅值,探明了此型号加速度传感器在环境温度升高至400 ℃时灵敏度幅值呈现出近似线性的增大趋势。本试验方法及装置能实现耐高温加速度传感器校准并准确测量室温～400 ℃温度环境下耐高温加速度传感器的灵敏度幅值及其随温度变化的规律,为高温环境下实现精准监控提供了准确数据参考,为相关类型的加速度传感器提供校准思路及方法。