一种振动传感器灵敏度高温校准方法及装置与流程

1.本发明涉及振动传感器灵敏度高温校准技术领域，具体是一种振动传感器灵敏度高温校准方法及装置。


背景技术：

2.近年来，随着我国在太空技术、航空航发技术、核电技术等研究领域上的不断进步与发展，对精密仪器自动控制及监控、检测的要求也不断的提高，传感器能更好的克服外界环境因素的影响变得越来越重要。高温振动传感器是一种在高温环境下工作的振动测试仪器，它广泛的应用在高温环境下的冲击振动测试以及高温燃气涡轮发动机、飞机燃气涡轮机振动测试等领域。在传感器的使用过程当中，为了保证测量结果的正确性与统一性，确保高温环境下传感器能够精确测量，根据国家计量检定规程(jjg233-2008、jjg 134-2003)要求，必须定期对传感器灵敏度进行相应校准。但由于高温振动传感器工作环境的特殊性，在对其进行校准时不单要对其灵敏度进行精确测量，还要求对温度场环境进行控制，多重因素的影响增加了测量难度和装置成本。因此，国内大多数工厂及检测单位多采用成本较低的比较法进行振动传感器灵敏度高温振动校准。采用比较法进行振动校准的不确定度要比采用激光干涉绝对法振动校准大，并且由于比较法振动校准装置中温度试验箱和振动台振动延伸杆摩擦容易产生偏差，若使用高精度的振动台进行比较法振动校准则会导致振动校准实现成本过高，实现难度较大。
3.因此，针对目前高温振动传感器灵敏度校准精度不高、容易产生误差、实现成本高、实现难度大的不足，本发明提出一种校准精度较高、校准过程操作简便的振动传感器灵敏度高温校准方法及装置。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种振动传感器灵敏度高温校准方法及装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种振动传感器灵敏度高温校准方法，所述校准方法包括以下步骤：
7.s1：使用振动传感器灵敏度校准专用支撑框架将灵敏度温度校准所需的振动激励装置、温度场环境控制装置、激光干涉测量及信号处理装置组合成一个系统，确保传感器在校准时能够同时实现激光干涉测量和温度环境场灵活可控制；
8.s2:使用振动台产生振动激励，被校振动传感器敏感振动输出电压信号，使用高速数据采集卡采集传感器输出电压信号；
9.s3:使用外差式激光干涉测振仪测量被校振动传感器振动信息，输出干涉信号光，利用相位展开法提取出干涉信号相位；
10.s4:利用正弦逼近法拟合激光干涉信号相位和电压输出信号，计算出被校振动传感器灵敏度幅值和相移。
11.作为本发明再进一步的方案：所述振动激励装置包括信号发生器、功率放大器、振动台、陶瓷传递杆和镀金膜反射镜，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。所述振动台、陶瓷传递杆和镀金膜反射镜螺纹连接，陶瓷传递杆与振动台连接，镀金膜反射镜固定在传递陶瓷杆表面，陶瓷传递杆不仅将振动台产生的振动传递给固定在其表面的被校传感器，也将被校传感器置入温度场环境中心位置处。
12.作为本发明再进一步的方案：所述温度场环境控制装置包括智能温度控制器、半开式圆形温度腔、硅酸铝棉、密封钢圈、入射孔玻璃、加热丝和热电偶温度传感器组，智能温度控制器控制半开式圆形温度腔内温度场环境，所述智能温度控制器与加热丝、热电偶温度传感器接线柱连接，加热丝分别固定在半开式圆形温度腔内壁以及密封钢圈表面上，热电偶温度传感器悬置于半开式圆形温度腔内部，硅酸铝棉填充到半开式圆形温度腔内部形成保温层，入射孔玻璃固定在半开式圆形温度腔顶部通孔中，密封钢圈覆盖住底部支撑架顶端通孔并和陶瓷传递杆形成小间隙，利用空气本身具有良好的绝热性这一特点，使小间隙起到绝热密封作用。
13.作为本发明再进一步的方案：所述激光干涉测量及信号处理装置包括外差式激光干涉测振仪、被校振动传感器、信号处理器、高速数据采集卡和计算机，通过高速数据采集卡同步采集外差式激光干涉测振仪输出干涉信号光和被校振动传感器输出电压信号，使用计算机计算处理，所述被校传感器与信号处理器连接，信号处理器和外差式激光干涉测振仪与高速数据采集卡同步连接，高速数据采集卡与计算机连接。
14.作为本发明再进一步的方案：所述专用支撑框架包括底部支撑架、支撑立柱、顶部横梁、测振仪固定台、定滑轮、钢丝绳、可固定滑套、铅块、半开式圆形温度腔和升降手柄组成，所述底部支撑架与支撑立柱固定焊接，支撑立柱与顶部横梁固定焊接，顶部横梁与测振仪固定台固定连接，定滑轮螺纹固定在支撑立柱顶端，可固定滑套套在支撑立柱上并与半开式圆形温度腔固定在一起，固定滑套与钢丝绳一端连接，钢丝绳另一端连接铅块并通定滑轮悬置在支撑立柱中间，升降手柄固定在半开式圆形温度腔腔体上，并且此结构框架中底部支撑架设计为顶端为圆盘形并且在中心处留通孔，目的是为了与半开式圆形温度腔组成封闭温度场，同时将陶瓷传递杆上的被校振动传感器置入温度场环境中心位置。
15.作为本发明再进一步的方案：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，其中高载波频率是由外差式激光干涉仪中对参考光束加装布拉格盒进行调制实现的，调制后的参考光束与通过振动台反射回来的测量光束干涉产生携带振动信息的干涉信号光，使用光电信号接收器接收干涉信号光。使用高速数据采集卡直接采取被校振动传感器的电压输出信号，同时通过高速数据采集卡同步采集干涉信号。
16.作为本发明再进一步的方案：通过光电探测器转化激光干涉信号为电信号，使用标准正余弦正交基将干涉信号转换为两路相互正交的信号，使用的相位展开法对式两路干涉信号的相位进行提取，得到相位表达式。
17.作为本发明再进一步的方案：利用正弦逼近法对相位表达式进行拟合，构建矛盾方程组，使用最小二乘法解矛盾方程组得到振动位移表达式，对振动位移表达式进行微分得到被校振动传感器的振动速度以及加速度，利用正弦逼近法拟合被校准传感器输出电压信号得到电压信号幅值和初相，计算得到振动传感器灵敏度幅值和相移。
18.进一步的，所述使用正弦逼近法处理采集到的干涉信号相位以及电压输出信号具体为：
19.①
通过光电探测器转化激光干涉信号为电信号，由于振动台以正弦信号驱动产生激励，故接收器对采集的干涉信号描述为ur(t)：
[0020][0021]
其中u
p
、λ分别为干涉信号峰值、初相以及波长；v
p
、s
p
为振动速度以及位移峰值；fv、为振动频率和初相。
[0022]
②
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：
[0023][0024]
式中ti为采样时间,i＝0,1,2,
…
,n-1，n为采样点数。
[0025]
③
以国际标准iso 16063-11推荐使用的相位展开法对式u1(ti)、u2(ti)干涉信号的相位进行提取,得到：
[0026][0027]
式(3)中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而引入的补偿相位，其中n＝0,1,2,
…
。n每增加1,相位增加π,振动位移变化λ/4。
[0028]
④
利用正弦逼近法对式(3)进行拟合，得到：
[0029][0030]
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):
[0031][0032]
⑤
对式(5)作一阶微分和二阶微分得到被校振动传感器的振动速度以及加速度，其加速度表达式描述为：
[0033][0034]
其中振动加速度幅值为振动加速度信号初相为
[0035]
⑥
同理，利用正弦逼近法拟合被校准传感器输出电压信号v(ti)：
[0036]
v(ti)＝ascos(ωti)-bssin(ωti)+csti+dsꢀꢀ
(7)
[0037]
得到电压v(ti)：
[0038]
[0039]
其中中电压信号幅值为电压信号初相为
[0040]
故传感器灵敏度幅值s与相位的计算表达式为：
[0041][0042]
作为本发明再进一步的方案：该校准装置包括：信号发生器、功率放大器、振动台、陶瓷传递杆、被校振动传感器、信号处理器、外差式激光干涉测振仪、高速数据采集卡、智能温度控制器、半开式圆形温度腔、计算机、底部支撑架、支撑立柱、顶部横梁、测振仪固定台、定滑轮、钢丝绳、铅块、可固定滑套、升降手柄、入射孔玻璃、加热丝、热电偶温度传感器、密封钢圈、硅酸铝棉、镀金膜反射镜，信号发生器提供稳定正弦信号经功率放大器放大后驱动振动台产生振动激励；半开式圆形温度腔与底部支撑架及密封钢圈、陶瓷传递杆组成密闭温度环境场；智能温度控制器通过加热丝和热电偶温度传感器控制密闭温度环境场内温度；外差式激光干涉测振仪通过入射孔玻璃及镀金膜反射镜获取包含振动信息的干涉信号光；被校振动传感器固定在陶瓷传递杆上敏感振动台振动输出电压信号；高速数据采集卡同步采集外差式激光干涉测振仪输出的干涉信号和被校振动传感器输出的电压信号传递给计算机进行计算处理得到被校振动传感器的灵敏度和相移。
[0043]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0044]
(1)本发明方法及装置稳定、可靠、实用，可实现中频范围内不同频率的振动传感器灵敏度高温校准。
[0045]
(2)本发明方法基于激光干涉法实现振动传感器灵敏度高温校准，提高了振动传感器灵敏度高温校准精度。
[0046]
(3)本发明方法校准操作简便，温度环境控制灵活，极大降低了校准测量难度，有效减小了实验中的操作误差。
[0047]
(4)本发明振动传感器灵敏度高温校准方法及装置提出了基于激光干涉法的绝对法校准方法及校准装置，解决了现有校准技术中校准精度不高、校准过程操作不便的问题。
附图说明
[0048]
附图1为本发明方法具体实施实例装置示意图；
[0049]
附图2为一种振动传感器灵敏度高温校准方法流程图；
[0050]
附图3为外差式正弦逼近法测振信号采集、解调计算的原理图；
[0051]
附图4为本发明方法具体实施实例对振动传感器灵敏度高温校准结果图。
[0052]
图中：信号发生器-1、功率放大器-2、振动台-3、陶瓷传递杆-4、被校振动传感器-5、信号处理器-6、外差式激光干涉测振仪-7、高速数据采集卡-8、智能温度控制器-9、半开式圆形温度腔-10、计算机-11、底部支撑架-12、支撑立柱-13、顶部横梁-14、测振仪固定台-15、定滑轮-16、钢丝绳-17、铅块-18、可固定滑套-19、升降手柄-20、入射孔玻璃-21、加热丝-22、热电偶温度传感器-23、密封钢圈-24、硅酸铝棉-25、镀金膜反射镜-26。
具体实施方式
[0053]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0054]
请参阅图1～4，本发明实施例中，该装置主要包括：信号发生器1、功率放大器2、振动台3、陶瓷传递杆4、被校振动传感器5、信号处理器6、外差式激光干涉测振仪7、高速数据采集卡8、智能温度控制器9、半开式圆形温度腔10、计算机11、底部支撑架12、支撑立柱13、顶部横梁14、测振仪固定台15、定滑轮16、钢丝绳17、铅块18、可固定滑套19、升降手柄20、入射孔玻璃21、加热丝22、热电偶温度传感器23、密封钢圈24、硅酸铝棉25、镀金膜反射镜26。信号发生器1提供稳定正弦信号经功率放大器2放大后驱动振动台3产生振动激励；半开式圆形温度腔10与底部支撑架12及密封钢圈24、陶瓷传递杆4组成密闭温度环境场；智能温度控制器9通过加热丝22和热电偶温度传感器23控制密闭温度环境场内温度；外差式激光干涉测振仪7通过入射孔玻璃21及镀金膜反射镜26获取包含振动信息的干涉信号光；被校振动传感器5固定在陶瓷传递杆4上敏感振动台3振动输出电压信号；高速数据采集卡8同步采集外差式激光干涉测振仪7输出的干涉信号和被校振动传感器5输出的电压信号传递给计算机11进行计算处理得到被校振动传感器5的灵敏度和相移。
[0055]
参考图2是本发明振动传感器灵敏度高温校准方法校准流程，包括以下步骤：
[0056]
s1：使用振动传感器灵敏度校准专用支撑框架将灵敏度温度校准所需的振动激励装置、温度场环境控制装置、激光干涉测量及信号处理装置组合成一个系统，确保传感器在校准时能够同时实现激光干涉测量和温度环境场灵活可控制，将系统中的半开式圆形温度腔向上提升并通过可固定滑套固定，将被校振动传感器固定于陶瓷传递杆，将半开式圆形温度腔放下使其与底部支撑架形成封闭温度场环境，通过智能温度控制器设定温度场环境腔内温度值，提供校准所需的温度环境场。
[0057]
s2：通过信号发生器及功率放大器控制振动台产生振动激励，通过陶瓷传递杆将振动激励传递给被校振动传感器，被校振动传感器敏感此振动输出电压信号，使用高速数据采集卡直接采集被校振动传感器输出电压信号。
[0058]
s3：外差式激光干涉测振仪测量光束经过半开式圆形温度腔入射孔玻璃垂直照射到镀金膜反射镜上，获取包含被校振动传感器运动速度、位移或相位等信息的干涉信号光，基于相位展开法提取外差激光干涉信号相位。
[0059]
s4：利用正弦逼近法拟合干涉信号相位，微分得到被校振动传感器振动加速度幅值和初相。同理，利用正弦逼近法拟合输出电压信号，得到各温度场环境下被校振动传感器输出信号的幅值和初相，计算得到被校振动传感器的灵敏度幅值和相移。
[0060]
参考图3为本发明振动传感器灵敏度高温校准方法所用外差式正弦逼近法测振信号采集、解调原理图，包括以下步骤：
[0061]
s11：使用基于香农采样定理的ns采集法直接采集激光干涉信号。
[0062]
s12：通过高速数据采集卡将采集得到的激光干涉信号传输给计算机做处理。
[0063]
s13：将采集的外差激光干涉信号与一组标准正余弦正交基相乘，将干涉信号转化为两路相互正交的干涉信号。
[0064]
s14：将两路相互正交的干涉信号经过数字滤波后，使用相位展开法对干涉信号的相位进行提取。
[0065]
s15：利用正弦逼近法对相位进行拟合，选取多个采样点相位构成矛盾方程组，使用最小二乘法求解矛盾方程组。
[0066]
s16：通过矛盾方程组的解得到振动位移表达式，对振动位移表达式进行微分得到包含振动加速度幅值和相位的振动加速度表达式。
[0067]
s21：对被校振动传感器输出电压信号做滤波放大处理。
[0068]
s22：使用高速数据采集卡直接采集处理好的电压信号。
[0069]
s23：利用正线逼近法对电压信号进行拟合，选取多个采样点相位构成矛盾方程组，使用最小二乘法求解矛盾方程组，通过矛盾方程组的解得到包含电压信号幅值和初相的输出电压表达式。
[0070]
s17：通过包含振动加速度幅值和相位的振动加速度表达式和包含电压信号幅值和初相的输出电压表达式计算得到被校振动传感器加速度灵敏度幅值和相移。
[0071]
作为本发明再进一步的方案：振动激励装置包括信号发生器、功率放大器、振动台、陶瓷传递杆和镀金膜反射镜，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。振动台、陶瓷传递杆和镀金膜反射镜螺纹连接，陶瓷传递杆与振动台连接，镀金膜反射镜固定在传递陶瓷杆表面，陶瓷传递杆不仅将振动台产生的振动传递给固定在其表面的被校传感器，也将被校传感器置入温度场环境中心位置处。
[0072]
作为本发明再进一步的方案：温度场环境控制装置包括智能温度控制器、半开式圆形温度腔、硅酸铝棉、密封钢圈、入射孔玻璃、加热丝和热电偶温度传感器组，智能温度控制器控制半开式圆形温度腔内温度场环境，智能温度控制器与加热丝、热电偶温度传感器接线柱连接，加热丝分别固定在半开式圆形温度腔内壁以及密封钢圈表面上，热电偶温度传感器悬置于半开式圆形温度腔内部，硅酸铝棉填充到半开式圆形温度腔内部形成保温层，入射孔玻璃固定在半开式圆形温度腔顶部通孔中，密封钢圈覆盖住底部支撑架顶端通孔并和陶瓷传递杆形成小间隙，利用空气本身具有良好的绝热性这一特点，使小间隙起到绝热密封作用。
[0073]
激光干涉测量及信号处理装置包括外差式激光干涉测振仪、被校振动传感器、信号处理器、高速数据采集卡和计算机，通过高速数据采集卡同步采集外差式激光干涉测振仪输出干涉信号光和被校振动传感器输出电压信号，使用计算机计算处理，被校传感器与信号处理器连接，信号处理器和外差式激光干涉测振仪与高速数据采集卡同步连接，高速数据采集卡与计算机连接。
[0074]
专用支撑框架包括底部支撑架、支撑立柱、顶部横梁、测振仪固定台、定滑轮、钢丝绳、可固定滑套、铅块、半开式圆形温度腔和升降手柄组成，底部支撑架与支撑立柱固定焊接，支撑立柱与顶部横梁固定焊接，顶部横梁与测振仪固定台固定连接，定滑轮螺纹固定在支撑立柱顶端，可固定滑套套在支撑立柱上并与半开式圆形温度腔固定在一起，固定滑套与钢丝绳一端连接，钢丝绳另一端连接铅块并通定滑轮悬置在支撑立柱中间，升降手柄固定在半开式圆形温度腔腔体上，并且此结构框架中底部支撑架设计为顶端为圆盘形并且在中心处留通孔，目的是为了与半开式圆形温度腔组成封闭温度场，同时将陶瓷传递杆上的被校振动传感器置入温度场环境中心位置。
[0075]
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，其中高载波频率是由外差式激光干涉仪中对参考光束加装布拉格盒进行调制实现的，调制后的参考光束与通过振动台反射回来的测量光束干涉产生携带振动信息的干涉信号光，使用光电信号接收器接收干涉信号光。使用高速数据采集卡直接采取被校振动传感器的电压输出信号，同时通过高速数据采集卡同步采集干涉信号。
[0076]
通过光电探测器转化激光干涉信号为电信号，使用标准正余弦正交基将干涉信号转换为两路相互正交的信号，使用的相位展开法对式两路干涉信号的相位进行提取，得到相位表达式。
[0077]
利用正弦逼近法对相位表达式进行拟合，构建矛盾方程组，使用最小二乘法解矛盾方程组得到振动位移表达式，对振动位移表达式进行微分得到被校振动传感器的振动速度以及加速度，利用正弦逼近法拟合被校准传感器输出电压信号得到电压信号幅值和初相，计算得到振动传感器灵敏度幅值和相移。
[0078]
进一步的，所述使用正弦逼近法处理采集到的干涉信号相位以及电压输出信号具体为：
[0079]
①
通过光电探测器转化激光干涉信号为电信号，由于振动台以正弦信号驱动产生激励，故接收器对采集的干涉信号描述为ur(t)：
[0080][0081]
其中u
p
、λ分别为干涉信号峰值、初相以及波长；v
p
、s
p
为振动速度以及位移峰值；fv、为振动频率和初相。
[0082]
②
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：
[0083][0084]
式中ti为采样时间,i＝0,1,2,
…
,n-1，n为采样点数。
[0085]
③
以国际标准iso 16063-11推荐使用的相位展开法对式u1(ti)、u2(ti)干涉信号的相位进行提取,得到：
[0086][0087]
式(3)中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而引入的补偿相位，其中n＝0,1,2,
…
。n每增加1,相位增加π,振动位移变化λ/4。
[0088]
④
利用正弦逼近法对式(3)进行拟合，得到：
[0089][0090]
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):
[0091][0092]
⑤
对式(5)作一阶微分和二阶微分得到被校振动传感器的振动速度以及加速度，其加速度表达式描述为：
[0093][0094]
其中振动加速度幅值为振动加速度信号初相为
[0095]
⑥
同理，利用正弦逼近法拟合被校准传感器输出电压信号v(ti)：
[0096]
v(ti)＝ascos(ωti)-bssin(ωti)+csti+dsꢀꢀ
(7)
[0097]
得到电压v(ti)：
[0098][0099]
其中中电压信号幅值为电压信号初相为
[0100]
故传感器灵敏度幅值s与相位的计算表达式为：
[0101][0102]
本实施实例装置的具体参数为：振动频率范围为2～5000hz最大加速度为100m/s2的标准中频振动台，自研制的可灵活调整环境温度场位置的振动传感器灵敏度高温校准专用支撑框架，控制范围室温～500℃，控制精度
±
2℃的温度控制器，被校准的振动传感器选用endevco公司生产的model:6237m70高温压电式加速度传感器，选用位移分辨率高至纳米的德国polytec ofv-5000外差式激光干涉测振仪用于振动测量，最大采用频率为100mhz的ni pxi-5122高速数据采集卡用于激光干涉信号和传感器输出信号的采集。
[0103]
为了验证本发明振动传感器灵敏度高温校准方法的可行性和校准精度，利用本发明校准方法实现了160hz频率、30m/s2加速度时各个温度环境下的灵敏度幅值和相移的有效校准。参考图4为本发明方法具体实施实例对振动传感器灵敏度高温校准结果图，理想状态下振动传感器的灵敏度幅值应不受温度环境的影响。
[0104]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素”。
[0105]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换
和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。