一种热真空条件下振动传感器激光校准装置及方法与流程

本发明属于计量校准器具领域，涉及一种校准装置和方法，具体涉及一种热真空条件下振动传感器校准装置以及方法。

背景技术：

在机械制造业飞速发展的今天，高速、高效、高精度和大型化已经成为机械发展的关键，而由于机械振动严重影响机器性能和寿命，所以考核和评估机械振动效应成为设计机械仪器设备性能一项重要的指标。利用振动测试可以获取机械设备和结构的动力学参数，为解决振动问题提供科学依据。振动测试是通过传感器将机械的振动量转化为电信号参数，然后对转换过的电信号进行测量和分析，最终给出振动性能指标的结论。在振动测试环节中，传感器是测量过程中的重要一环，其测量性能将直接影响到测量数值的精确度，所以在传感器测量之前，需要对传感器进行校准，而校准的精确度将直接影响到传感器的性能，所以如何将校准的准确度提高，减少外界环境(尤其是环境温度和真空度)对校准精度的影响，这是一个值得解决的问题。现有的国家及国际标准对振动传感器的校准，都是建立在160hz常温(25℃)条件下建立的，计量单位也是在此条件下建立的校准装置，目前国内没有在校准时能够模拟外界环境变化，对振动传感器进行校准的装置，而实际的情况是，在很多情况下，振动传感器都是在环境温度剧烈变化条件下进行测量的，这就会带来较大的测量误差。为此，如何建立一个模拟温度与真空度变化的校准环境，并在此条件下对振动传感器进行校准，进而提高传感器校准的精度，是校准领域一个急需解决的问题。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，建立一个模拟温度与真空度变化的校准环境，进而提高传感器校准精度，本发明提出了一种热真空条件下振动传感器激光校准装置以及方法。

本发明的技术方案是：

一种在热真空条件下进行振动传感器校准的装置，包括振动台，所述振动台用于为被校传感器提供振动，其特殊之处在于：

所述装置还包括热真空系统、激光测振仪及数据处理系统；

所述热真空系统包括真空组件及温控组件；所述真空组件包括真空度可调节的真空腔，所述真空腔的顶部设置有光学窗口；所述温控组件用于对真空腔进行温度控制；

所述被校传感器位于真空腔内；

所述光学窗口内还设置有角锥棱镜；

所述激光测振仪的出射光通过角锥棱镜入射至被校传感器上的靶点，激光经靶点反射再次通过角锥棱镜回至激光测振仪，激光测振仪对传感器振动量进行采集；

所述数据处理系统对传感器的测量信号及激光测振仪的测量信号进行比较，从而校准传感器。

进一步地，为了实现温度、真空度、振动台以及激光测振仪的同步控制，本发明的真空腔室内还设置有温度传感器及真空度传感器；

所述数据处理系统包括上位机；

所述上位机包括信号采集控制单元及信号调理集成采集卡；

所述信号采集控制单元通过信号调理集成采集卡对被校传感器的测量信号、温度传感器的测量信号、真空度传感器的测量信号及激光测振信号进行采集；

所述信号采集控制单元对采集到的电压信号进行物理量数值转换，即把电压量信号转换成代表实际物理量的温度、真空度及振动值；

所述信号采集控制单元内部设定有振动台工作频率与幅值、温度值、真空度值及振动值，

所述信号采集控制单元将设定的振动台工作频率与幅值转化为控制振动台信号的电压输入到振动控制系统中，控制振动台的工作；

所述信号采集控制单元将采集到的温度、真空度及被校振动传感器的振动值与设定的数值进行对比，如果实际值与设定值有差异，则调节相应的温控组件、真空组件及振动控制系统，直至两者相等。

进一步地，所述信号采集控制单元还具有数据存储单元及数据显示单元。

进一步地，为了消除温度对振动台的影响，本发明的被校传感器通过隔热连接件安装在振动台上。

进一步地，为可尽可能减少各部分的相互干扰，所述装置还包括隔振地基和隔振沟，隔振沟设置在相邻两块隔振地基之间；所述激光测振仪通过激光测振仪基础安装在隔振地基上；所述振动台通过隔振台面放置在隔振地基上；所述真空系统的真空泵放置在隔振地基上。

进一步地，所述激光测振仪基础与隔振地基之间还设置有隔振阻尼机构。

进一步地，所述真空腔的顶盖和真空室为一体的圆筒结构，底部与隔振台密封连接，容器的外表面喷砂处理。

同时，本发明还提供了一种利用上述校准装置进行传感器校准的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)将真空室抽到需要校准的真空度；

2)启动温控组件使被校传感器周围温度升到需要校准的温度值，并保持温度与真空度相对的稳定一段时间后，使激光测振仪所发出来的激光束通过光学窗口的角锥棱镜直接射到被测传感器的靶点；

3)启动振动台，使被校振动传感器在任何时刻都经受同一时刻的冲击激励，此时被校传感器所获取的信号与激光测振仪所获取的信号同时进入信号采集控制单元中；

4)信号采集控制单元根据两者所获取到的振动值，用激光测振仪得到的振动数值修正被校准传感器所获得的数值，进而获取到在某一温度和真空度下该被校传感器灵敏度系数。

本发明与现有技术相比，优点是：

1、本发明能够在试验现场模拟温度和真空度变化对传感器性能影响，填补试验现场无此装置的空白。

2、本发明在同一软件环境下，实现了温度、真空度、振动台以及激光测振仪的同步控制，自动完成振动传感器灵敏度修正与获取，使得原有在实验室的振动校准，可以较方便的移到试验现场。

附图说明

图1为本发明一种热真空条件下振动传感器激光校准装置实施例的结构示意图；

图2为使用本发明时的减振垫铺设结构图；

图3为本发明的温控组件系统框图；

图4为角锥棱镜测量原理图；

图5为上位机控制原理图。

其中附图标记为：1-激光光源、2-激光测振仪、3-角锥棱镜、4-隔热连接件、5-光学窗口、6-加热笼、7-真空腔、8-振动台、9-隔振台面、10-激光测振仪基础、11-隔振阻尼机构、12-隔振沟、13-隔振地基、15-真空泵组、16-温控组件、17-上位机、18-干涉条纹计数器、19-示波器、20-电荷放大器、21-功率放大器、22-信号发生器、23-频率计、24-数据采集系统、25-失真度仪、26-靶点、27-被校传感器、28-减振垫。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明。

图1所示为热真空条件下振动传感器激光校准装置实施例的结构示意图，该装置包括振动台8、激光测振仪及热真空系统，真空系统和温控组件16构成热真空系统，振动台8作为振动激励源系统被安装在可进行抽真空的真空腔7内，通过功率放大器21和信号发生器22控制振动台8激励信号的输出。被校传感器27通过隔热连接件4安装在振动台8上，传感器被加热笼6包围，通过设定的真空度和温度，热真空系统获得校准所需要的温度和真空度条件。热真空系统留有特定的光学窗口5，光学窗口5内还设置有角锥棱镜3，由振动激励源系统产生振动，激光测振仪2的出射光通过角锥棱镜3入射至被校传感器27上的靶点26，激光经靶点26反射再次通过角锥棱镜3回至激光测振仪2，激光测振仪2对传感器振动量进行采集，通过激光绝对法和被校准传感器同时测振动，以激光绝对法测量的振动量值为标准对被校准传感器进行校准。

图4为角锥棱镜测量原理图，经激光系统的出射光经过角锥棱镜之后以垂直于激光原出射光的方向射向靶点，经靶点的反射再次原路返回至激光系统。

为尽可能减少各部分的相互干扰，热真空条件下振动传感器激光校准装置还包括隔振地基13和隔振沟12，隔振沟12设置在相邻两块隔振地基13之间；激光测振仪2通过激光测振仪基础11安装在隔振地基13上；振动台8通过隔振台面9放置在隔振地基13上；真空系统的真空泵组15放置在隔振地基13上。激光测振仪基础与隔振地基之间还设置有隔振阻尼机构11。

热真空条件下振动传感器激光校准装置还包括干涉条纹计数器18、示波器19、电荷放大器20、数据采集系统24、失真度仪25、频率计23及上位机17，激光测振仪2的输出信号经干涉条纹计数器18送入上位机17，被校传感器27采集的信号依次经电荷放大器20、数据采集系统24送入上位机17，上位机17通过控制信号发生器控制振动台的振动。

真空腔7内安装有温度传感器、真空度传感器，通过温度传感器、真空传感器、被校传感器以及激光测振仪2获得的电压信号传入上位机的信号调理集成采集卡，图5为上位机控制原理图，采集卡的信号进入计算机中的信号采集控制单元，该单元具有如下几个功能：

1、信号采集

对温度传感器、真空传感器、被校传感器以及激光测振仪2获得的电压信号进行采集；

2、信号处理

对采集到的电压信号进行物理量数值转换，即把电压量信号转换成代表实际物理量的单位数值(温度、真空度、振动值)；

3、信号分析对比与控制

把信号采集控制单元中设定的振动台8的工作频率与幅值转化为控制振动台8信号的电压量输入到振动台8控制系统中，再有振动台8控制系统控制振动台8工作；另一方面把获取到的实际物理量数值与信号采集控制单元中设定的数值进行对比，如果实际温度值或真空度值比设定值小，发出控制信号(电压量)，控制温度控制系统或真空控制系统工作，使得腔体内温度或真空度变化，信号采集控制单元中再把获取到的实际物理量数值与信号采集控制单元设定的数值进行对比，直至两个数值相等为止；

4、数据存储

把获取到的温度、振动、真空度数值进行记录保存；

5、数据显示

在信号采集控制单元中实时显示出温度、真空度、振动台8上传感器的加速度数值、激光测振系统的加速度数值以及两者的比值。

本发明的振动台8下方运用了六块减振垫28作为隔振措施，在偏向于中心侧有四块减振垫28，增加其支撑刚度，而在远于重心侧则只垫了两块，从而平衡重力使基础平稳。从分布的位置上看，在四个角上分别添加了四块，另两块也在边上，这样的设计是为了在长期使用后橡胶减振垫28由于老化失效时可以方便更换，橡胶减振垫28振动现场校准系统防振地基如图2所示。

热真空系统包含真空组件和温控组件，是试验现场获得热真空环境的主体设备，真空组件拟采用自行参与设计、外协加工的途径。真空容器为清洁高真空系统。真空容器为不锈钢材质，顶盖和真空室为一体的圆形结构，可以整体起降，顶部留用激光专用光学窗口5。侧壁上留有多个观察窗和真空电接口，容器外表面喷砂处理。

在设计中，选用1cr18ni9材料做壳体材料，圆筒壳体只承受外压时，可按稳定条件计算，其壁厚可根据如下公式计算得到：

其中s0为圆筒计算壁厚，db为圆筒内径，p为外压设计压力，真空容器选择0.1mpa，l为筒体计算长度，et为材料温度为温度t时的弹性模量，取不锈钢20℃时的弹性模量。圆筒体的实际壁厚，考虑板材的加工误差和板材的腐蚀量，需加一个余量c；

c＝c1+c2+c3(2)；

c为壁厚附加量；(经估算取1.5mm)；

c1为钢板的最大负公差附加量，一般情况下取0.5mm；

c2为腐蚀裕度，单面腐蚀(包含大气腐蚀)取c2＝1mm，双面腐蚀一般取2mm；

c3为封头冲压时的拉伸减薄量，在一般情况下c3取计算厚度的10％，并且不大于4mm。对于圆筒体不经冲压的元件，取c3＝0。

s圆筒实际壁厚s＝s0+c。

真空泵的抽气时间由低真空下抽气时间和高真空下抽气时间两段所组成。

低真空下抽气时间计算，实际上是相当于把大气压到1pa的抽气时间分成5个压强区间段，对应每个压强区间段根据公式(3)和表1所给出的k值分别计算各压强区段的抽气时间,然后将五个压强区段的抽气时间相加即得从大气压到目标压力值的总的抽气时间。

其中ti为时间，ki为修正系数，v是真空设备的容积，sp是泵的名义抽速，pu为设备的极限压力，pi为设备开始抽气时的压力，pi+1为设备经过t时间后的压力。

表1修正系数ki

温控组件中温控采用铜或不锈钢材质的热沉，采用特制硅油(或氟油)作为工质，用外置的制冷机通过外循环对热沉进行制冷，采用电加热的方式对热沉进行加热。热沉表面涂航天专用黑漆，吸收率和半球反射率均高于0.9，热沉温度范围-20℃至100℃，采用高精度铂电阻进行温控。温控组件系统框图如图3所示。

绝对法激光振动标准装置就光学系统本身来讲，在整个动态测量期间，它对干涉条纹的对比，亮度和稳定性质量，对两组条纹的90度相位差控制都有特殊和严格的要求。这主要体现在光源的选择、测量镜和参考镜的设计、程差平衡的补偿、光路的调整和机械结构的设计等方面。因此必须综合考虑影响因素，进行控制和优化。

在本发明中，仪器中的激光光源1采用了波长＝0.6328μm，输出功率1mwhe-ne稳频激光器。这主要是考虑到作为一级标准的激光测振仪2是以激光波长为测量基准的，激光发出的光波波长的准确稳定性与否，相干性如何，发散角和光强大小会直接或间接影响到测量的精度。该光源具有较好的激光频率稳定，单一纵模与单一横模输出特性良好。

一般中、高频测振仪，采用平面反射镜作为测量镜。然而在被测振动台8振幅比较大的低频时，光线与测量镜表面有微量垂直误差，会造成条纹对比的下降和条纹间隔的变化从而影响测量精度。因此，本发明在真空腔7的光学窗口5处设置角锥棱镜3以改善测量精度，角锥棱镜3在一定程度对横向偏摆和跳动不敏感，同时，也减少了激光测振仪2出射光及反射光在透过真空腔7时的光损耗。

在振动校准中，激光测振仪2被用来测量标准振动信号，从而实现对测振传感器的绝对校准。由于在测量时，系统对振动台8的摆放位置有一定要求，故测量光的光程基本上是固定的，而在测量光传播的过程中和每次镜面反射的过程中光的能量会损耗，如果参考光强(指激光头发射出的激光)与测量光强(指激光头接受到的激光)度相差很大则会使干涉条纹质量下降从而导致光电转换后的电信号质量下降，故在设计时应对光路进行优化。对光路的优化主要由以下几点：

a、等光程优化

在干涉法测量中、干涉条纹的对比度是评价光信号质量的重要指标之一，干涉条纹的对比度用k表示。对比度随两束光光强相差程度的变化情况为，当两束光强相差不是很大时，二者的差别对干涉信号质量影响不十分明显。所以允许两束光的光强有些差别，一般允许相差程度在30％以内，以保证k≥0.99，因此为了得到较好的干涉条纹，必须将两束光的光强控制在相差程度30％以内。让光强相近的方法有，(1)在较强光的通路上增加衰减片，(2)将光路设计成等光程(3)测量光与参考光有相同的反射次数。本发明采用了等光程设计，利用角锥棱镜3作为反射镜，反射镜间多次反射的作用即是为了延长参考光程，从而使两束光有尽可能相等的光强。

b、干涉条纹面积的优化

在干涉法测量的过程中，干涉条纹最终会被光电转换设备接收，光电转换设备一般是由光敏元件构成，而干涉条纹一般由方孔进入光敏元件。光电设备接收的是该孔内光强的积分，故即使干涉条纹本身的对比度很好，但是当孔的宽度与干涉条纹的间隔相等时，光电设备仍不能接收到交变信号，故只有当条纹间隔大于孔的宽度时光电设备才能接收到信号，因此要求干涉条纹有一定的宽度。为了使干涉条纹有较大的宽度，常通过使干涉光斑面积变大的方式来实现，使干涉光斑面积变大的方式主要有两种，一种是增加光程，另一种是增加扩束镜。其中增加光程来实现干涉光斑面积变大是一种很好的方法，可以通过增加光程长度来使光斑的面积变大，由于振动校准系统中测量光的光程本身很长，因此在激光测振仪2设计的过程中应该设计匹配的参考光长度满足光斑大小的要求，同时利用扩束镜的方法来增加光斑的面积。

(c)光轴不平行的优化

测量时，为了光线在振动台8振动的任何瞬时都能沿着入射方向返回(激光进入观察孔后要尽可能不会发散)，要求振动台8必须做纯正弦的运动，显然这样的振动台8是不可能制造出来的。振动台8在做正弦运动时总是会伴随这一定程度上的横向振动和摆动，特别是低频时振幅很大，这种摆动就更明显。摆动时安装在振动台8台面上的测量镜不可能时刻与参考镜平行，这样在与参考镜平行时干涉条纹明显，光信号强，电信号幅值大，当不平行时干涉条纹不明显，光信号弱电信号幅值小，从而使电信号在观察时体现出了两头小中间大的马鞍形，使计数造成误差。为了优化由于光轴不平行造成的误差，从关键反射镜的优化上着手克服不利因素，我们选择用角锥棱镜3作为测量镜。避免有害的噪音光线进入激光器使光强不稳。

另外，光路调整和机械机构设计方面采用扫描头设计，只用转动扫描头侧面的首轮和转动扫描头整体，就可以使测量光束投射到振动台8面半径100mm的圆区域内任意点。通过以上技术途径可以控制并提高干涉条纹的质量。

基于上述热真空条件下振动传感器激光校准装置，现提出一种热真空条件下振动传感器激光校准方法，包括以下步骤：

1、事先在振动台8上安装好振动传感器，传感器上事先安装上激光器的反光靶点26，

合上腔室罩子，用螺栓把罩子固定牢靠，在罩子周围糊上真空泥，启动真空系统(真空系统真空度调节范围：(100～3000)pa)，通过外置的数显表使腔室内真空度达到100pa，停止真空系统工作，腔室内真空度在保持10分钟，观察数显表上真空值是否发生变化，若有则表明在合上腔室罩子时密闭性不好，需从新打开腔室罩子进行密封，而后再重复刚才真空度保持的工作，直至腔室内真空度在保持10分钟内无变化。

2、在信号采集控制单元界面设置腔室内所需要达到的真空度及温度数值，而后首先启动真空系统，即就是使用软件打开真空泵工作电源，让真空泵工作，通过腔室内安装的真空传感器获取到的信号显示在信号采集控制单元界面上，从而获知腔室内现在真空度的情况，当腔室内真空度达到与信号采集控制单元设定的真空度相等时，信号采集控制单元自动断开真空泵电源，真空泵停止工作，腔室内真空度在保持1分钟真空显示数值无变化的情况下，信号采集控制单元进行第二步自动操作；

3、启动温度控制系统，即就是使用信号采集控制单元打开加温装置工作电源，加温装置工作，通过腔室内安装的温度传感器获取到的信号显示在信号采集控制单元界面上，从而获知腔室内现在温度的情况，当腔室内温度值达到与信号采集控制单元设定的温度值相等时，信号采集控制单元自动断开加温装置电源，加温装置停止工作，腔室内加温装置在保持1分钟温度显示数值无变化的情况下，信号采集控制单元进行下一步自动操作；

4、在信号采集控制单元上设置好振动台8振动的振动幅值和振动频率，启动腔室内的振动台8工作和激光测振设备，使被校振动传感器在任何时刻都经受同一时刻的冲击激励，振动传感器当受到一冲击产生加速度激励x(g值)时，信号进入标准采集系统模块，同时激光测振系统经过激光的反射获取传感器此时振动信号数值y(g值)，信号采集控制单元根据这两个系统获取到的信号值，将这两个数值进行比较，从而得到传感器的灵敏度和频率特性曲线。