微振動傳感器校準(zhǔn)技術(shù)研究

劉振風(fēng)，付茂岳，劉敬敏

（北京東方計量測試研究所，北京 100094）

微振動傳感器校準(zhǔn)技術(shù)研究

劉振風(fēng)，付茂岳，劉敬敏

（北京東方計量測試研究所，北京 100094）

文章介紹了微振動對航天器的影響，并基于對微振動計量工作的現(xiàn)實需求，根據(jù)現(xiàn)有振動計量技術(shù)和設(shè)備狀態(tài)，提出了基于虛擬儀器技術(shù)的微振動校準(zhǔn)技術(shù)研究方案，通過適當(dāng)量級的振動控制和諧波失真抑制，實現(xiàn)對0.05～400 Hz范圍內(nèi)的微振動傳感器的校準(zhǔn)，提升航天計量保障能力。

微振動；振動量級；諧波失真；比較法校準(zhǔn)

0　引言

航天器在軌運行過程中，各種剩余外力的影響所形成的微振動環(huán)境使得航天器并非處于自由漂移狀態(tài)。通過了解航天器運行時的微振動環(huán)境，可以監(jiān)測航天器運動部件及控制系統(tǒng)的工作狀況，掌握航天器的結(jié)構(gòu)動力學(xué)響應(yīng)特性，分析可能造成失效的潛在因素，以積累經(jīng)驗，提高設(shè)計和制造水平，保證航天器的可靠性和安全性。

1990年發(fā)射的“哈勃”太空望遠(yuǎn)鏡入軌后無法正常工作，后經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，是由于“哈勃”進(jìn)出地影時冷熱交變誘發(fā)太陽電池陣微振動，導(dǎo)致望遠(yuǎn)鏡指向精度發(fā)生變化［1］。這些振動頻率響應(yīng)范圍包括DC～10 Hz的低頻顫振和10～500 Hz的高頻顫振。NASA戈達(dá)德航天中心和蘭利研究中心對地球觀測系統(tǒng)“上午星”（EOS AM—1）作了微振動及穩(wěn)定性的分析計算，發(fā)現(xiàn)反作用輪、低溫制冷器等產(chǎn)生的擾動對衛(wèi)星的指向精度和姿態(tài)穩(wěn)定度造成明顯的影響［2-3］。國內(nèi)也有人開展了衛(wèi)星在軌動力學(xué)環(huán)境的測量，測量結(jié)果顯示其微振動量級為0.01～1 m/s2，頻率范圍為0.1～150 Hz。

微振動傳感器工作頻率一般比較低，加速度幅值遠(yuǎn)小于中高頻振動。而型號任務(wù)中有許多微振動傳感器需要進(jìn)行頻率低至0.1 Hz、幅值小于0.01 m/s2的振動校準(zhǔn)，對校準(zhǔn)系統(tǒng)提出了更高的要求。北京東方計量測試研究所現(xiàn)有的校準(zhǔn)系統(tǒng)由美國恩德?？斯居?0世紀(jì)90年代設(shè)計制造，最大振動幅值（峰值）為158mm、最大承載能力為5 kg、最低頻率僅為1 Hz，已不能滿足型號任務(wù)中微振動傳感器計量對低頻、低幅值的要求，需要進(jìn)行技術(shù)升級。本文為此展開相關(guān)研究。

1　校準(zhǔn)原理

1.1基本原理

校準(zhǔn)系統(tǒng)采用正弦比較法［4］對微振動傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，其校準(zhǔn)原理如圖1所示。

圖1　比較法傳感器校準(zhǔn)原理Fig.1　Principal of comparison calibration

控制系統(tǒng)設(shè)置所需要的校準(zhǔn)頻率和幅值，由信號發(fā)生模塊產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號經(jīng)過功率放大器后驅(qū)動振動臺實現(xiàn)往復(fù)運動；標(biāo)準(zhǔn)傳感器感受到運動激勵的輸出經(jīng)過放大器放大后被信號采集模塊所采集，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后反饋給控制系統(tǒng)；控制系統(tǒng)針對反饋確定是否需要調(diào)整量級以及進(jìn)行諧波失真控制，并測量標(biāo)準(zhǔn)傳感器及被校傳感器的輸出電壓，計算出被校振動傳感器的靈敏度。

設(shè)被校傳感器靈敏度為Sx，其輸出Ex經(jīng)阻抗變換和放大后為E′x=KxEx（Kx為放大系數(shù)），并由數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)測出；標(biāo)準(zhǔn)傳感器靈敏度 S0為已知，其輸出E0經(jīng)變換放大后為E′0=K0E0（K0為放大系數(shù)），也由數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)測出。則

1.2振動量級的控制

振動量級是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)傳感器測出的實際加速度值進(jìn)行反饋控制的。目前普遍采用的是步進(jìn)式控制方式［5-6］，即在達(dá)到目標(biāo)幅值之前加速度值呈階梯形式增加。這種方式需要的調(diào)整時間過長，不利于微振動傳感器在低頻時的校準(zhǔn)。為此，本文提出了一種新的指數(shù)式振動量級控制方法來增加加速度幅值：通過檢測當(dāng)前信號幅值A(chǔ)d，并根據(jù)設(shè)定目標(biāo)值A(chǔ)0（該值通過系統(tǒng)常數(shù)所需要量級進(jìn)行估算），給定某一合適的時間常數(shù)a，使控制信號按照

進(jìn)行變化。其中f為信號的頻率。當(dāng)t/a＞5時，當(dāng)前信號 Ad≈0.993A0，可以認(rèn)為信號已經(jīng)達(dá)到設(shè)定目標(biāo)值。此時判斷設(shè)定目標(biāo)值是否達(dá)到所需要的量級，如未達(dá)到則更新設(shè)定目標(biāo)值，重復(fù)前面的過程，直至達(dá)到所需量級，控制信號達(dá)到穩(wěn)定。調(diào)整信號頻率時，程序首先設(shè)定目標(biāo)值為0，使當(dāng)前幅值衰減到較小幅度后重新起振。適當(dāng)調(diào)整時間常數(shù)a，就可以使輸出信號的幅值滿足要求，從而實現(xiàn)加速度幅值的反饋控制。

利用這種方式進(jìn)行調(diào)整，不僅可以節(jié)省大量的調(diào)整時間，還能減小調(diào)整過程中振動臺臺體和傳感器受到的沖擊，保護(hù)設(shè)備的安全。

1.3諧波失真的抑制

諧波失真抑制是低頻振動校準(zhǔn)的重點和難點。為了降低諧波失真提高校準(zhǔn)的不確定度，韓冬等提出了通過有限元分析的數(shù)值方法來保證振動臺與激光測振儀擁有良好的隔振基礎(chǔ)［7］；Ohm等設(shè)計了一種通過在期望頻率共振的懸臂梁產(chǎn)生低失真度低頻振動的校準(zhǔn)裝置［8］；浙江大學(xué)的何聞等通過非線性動態(tài)特性分析提出基于位移反饋的振動控制使得位移失真度＜0.3%［9］；胡春艷等采用諧波陷波的反饋方式進(jìn)行諧波失真的控制，對幅值較大的2個諧波成分進(jìn)行反饋，實現(xiàn)了諧波的補償與抑制［10］。

本文參考隨機振動試驗的控制方法以及諧波陷波法的原理，提出了基于頻率響應(yīng)函數(shù)的諧波陷波法實現(xiàn)諧波失真抑制，如圖2所示。在測定了校準(zhǔn)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)的情況下，對標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器的輸出信號進(jìn)行傅里葉變換得到基波和諧波成分，選擇諧波中的特定成分進(jìn)行反饋補償，從而達(dá)到抑制諧波失真的目的。其中校準(zhǔn)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)通過半正弦波沖擊法來測定。這樣做的好處是可以避免諧波陷波法中諧波成分相移測量不準(zhǔn)帶來的偏差；減少計算的諧波成分，有利于減少運算量，提高系統(tǒng)的運行速度和穩(wěn)定性。

圖2　基于頻率響應(yīng)函數(shù)的諧波陷波法Fig.2　Harmonic notch based on frequency response function（FRF）

2　實施方案

2.1傳感器

傳感器的硬件設(shè)計主要包括加速度計以及其供電、濾波放大電路。加速度計用于感受振動臺的振動激勵，并產(chǎn)生相應(yīng)的電信號。由于振動頻率較低，傳感器輸出的信號較小，為了獲取更好的信噪比和分辨率，傳感器的輸出信號一般需要經(jīng)過低噪聲放大和濾波處理。

經(jīng)過研究，選用高靈敏度的加速度計。該加速度計是氮氣阻尼的容性微型機械裝置，封裝于經(jīng)過穩(wěn)定處理的陽極氧化鋁殼中。其測量頻率范圍為0～400 Hz、加速度范圍為±2 g，工作溫度范圍為-55～125 ℃。采用圖3所示的低噪聲運算放大電路進(jìn)行信號濾波放大，經(jīng)放大后的加速度靈敏度幅值可達(dá)20 V/（m/s2）。傳感器和運算放大器本身工作在直流狀態(tài)下，且具有零點漂移和溫度漂移的特性，為此設(shè)置了輸出零點調(diào)整功能。

圖3　傳感器的濾波放大電路Fig.3　Circuit of filtering and amplifying of the sensor

2.2控制與采集處理

控制與采集處理系統(tǒng)采用虛擬儀器技術(shù)，利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用，具有性能高、擴展性強、開發(fā)時間少等優(yōu)勢。本設(shè)計的控制與采集處理系統(tǒng)以PXI4461為基礎(chǔ)、以圖形化的LabVIEW為編程語言、以PXI1031為集成平臺進(jìn)行設(shè)計實施。

PXI4461是專為聲學(xué)和振動分析而設(shè)計的高精度數(shù)據(jù)采集設(shè)備，可對加速度傳感器和其他一些具有大動態(tài)范圍的傳感器進(jìn)行精確測量，具有振動監(jiān)測與分析的全部功能。它具有兩通道同步模擬輸出和兩通道同步模擬輸入，分辨率均為24位，最大更新速率可達(dá)204.8 kHz，支持差分/偽差分輸入和直流/交流耦合，動態(tài)范圍達(dá)到 118 dB，符合本研究對信號發(fā)生和采集的硬件需求。

考慮到校準(zhǔn)的要求以及使用的便利性，控制與采集處理系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)層次如圖4所示，并利用LabVIEW來實現(xiàn)。

圖4　軟件的結(jié)構(gòu)層次Fig.4　Structure of the software

振動控制程序具有校準(zhǔn)參數(shù)設(shè)置、校準(zhǔn)方式選擇等功能，并可根據(jù)采集與處理的結(jié)果對輸出信號進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制振動量級以及抑制諧波失真的目的。為了實現(xiàn)振動控制，首先需給出校準(zhǔn)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)。

利用PXI4461的高速高精度采集特性，實現(xiàn)對兩通道輸入信號同步采集，并對采集到的信號進(jìn)行抗混疊濾波、量化等處理，再將處理結(jié)果反饋給振動控制程序。采集程序采集的0.1 Hz下傳感器的加速度輸出波形見圖5，該波形已經(jīng)過諧波失真抑制。

圖5　采集程序采集到的波形（0.1 Hz）Fig.5　Waveform acquired by the program （0.1 Hz）

3　測試結(jié)果

將由高靈敏度的加速度計及濾波放大電路組成的傳感器套組作為標(biāo)準(zhǔn)傳感器，首先在諧波失真抑制方面進(jìn)行測試。圖6中完整的正弦曲線（黑色曲線）是信號源的驅(qū)動波形，紅色曲線為諧波失真抑制前傳感器的輸出波形，波形雖仍具有周期性但已完全不是正弦波形（存在嚴(yán)重的失真）。相比之下，經(jīng)過諧波失真抑制后的波形比較完好、失真度較小，諧波抑制達(dá)到了預(yù)期的目的（參見圖5）。

在諧波失真抑制的條件下，對振動量級的控制準(zhǔn)確度以及諧波失真度進(jìn)行測量，得到表1的結(jié)果。從表中可以看出，振動量級控制水平滿足校準(zhǔn)要求，在 0.1～200 Hz的情況下，諧波失真度均小于2%，達(dá)到預(yù)期控制目的。0.05 Hz時諧波失真度也僅為3.5%，也滿足校準(zhǔn)條件。

圖6　0.1 Hz下未經(jīng)諧波抑制的加速度計輸出波形Fig.6　Waveform output of accelerator at 0.1 Hz without HDR restraint

表1　振動量級控制測試結(jié)果Table 1　Test results of vibration level control

4　結(jié)束語

本文從實際測量需求出發(fā)，提出了超低頻振動傳感器的比較法校準(zhǔn)研究，并基于虛擬儀器技術(shù)對校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行了實現(xiàn)，取得了一些成果：1）通過對振動臺量級控制的研究分析，提出了指數(shù)逼近法的振動量級控制方案，測試結(jié)果表明控制方案達(dá)到了預(yù)期效果；2）基于對隨機振動試驗控制方法和諧波陷波法原理的研究，提出了基于頻率響應(yīng)函數(shù)的諧波陷波法進(jìn)行諧波失真抑制，測試結(jié)果證明抑制效果比較明顯。

本研究在現(xiàn)有振動臺系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行，有效提升了校準(zhǔn)裝置的校準(zhǔn)范圍和校準(zhǔn)能力，提高了型號任務(wù)的計量保障能力，助力我國航天事業(yè)的健康發(fā)展。

（

）

［1］Wie B， Liu Qiang， Bauer F.Classical and robust H∞control redesign for the Hubble space telescope［C］//AIAA Guidance， Navigation and Conference， l992-08

［2］Neeck S P， Venator T J， Bolek J T.Jitter and stability calculation for the ASTER instrument［C］//Satellite Remote Sensing.International Society for Optics and Photonics， 1995： 70-81

［3］Ram M， Throckmorton A.EOS instrument jitter assessment and mitigation［C］//Aerospace Design Conference.AIAA，1993

［4］趙煜， 周東強.“海洋二號”衛(wèi)星主動段、自由飛行段力學(xué)環(huán)境測量與分析［J］.航天器環(huán)境工程， 2012， 29（4）：458-463 Zhao Yu， Zhou Dongqiang.In-situ measurement and analysis of mechanical environment on HY-2 satellite［J］.Spacecraft Environment Engineering， 2012， 29（4）： 458-463

［5］國防科工委科技與質(zhì)量司.力學(xué)計量（下）［M］.北京：原子能出版社， 2002： 646-647

［6］王光慶， 何聞， 賈叔仕.振動校準(zhǔn)自動控制系統(tǒng)中軟件設(shè)計的研究［J］.機電工程， 2001， 18（5）： 193-195 Wang Guangqing， He Wen， Jia Shushi.The design of control software in vibration calibrate system［J］.Mechanical & Electrical Engineering Magazine， 2001，18（5）： 193-195

［7］韓冬， 何聞.超低頻標(biāo)準(zhǔn)振動系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)計技術(shù)［J］.振動與沖擊， 2008， 27（9）： 20-22 Han Dong， He Wen.Design of foundation for standard vibration systems with ultra-low-frequency［J］.Journal of Vibration and Shock， 2008， 27（9）： 20-22

［8］Ohm W S， Wu L， Hanes P， et al.Generation of low-frequency vibration using a cantilever beam for calibration of accelerometers［J］.Journal of Sound & Vibration， 2006， 289（1）：192-209

［9］ He W， Zhu C， Ma F.Realization of low-distortion ultra-low-frequency vibration based on feedback control technology［C］//Networking， Sensing and Control， 2005.Proceedings.2005 IEEE， 2005： 795-798

［10］胡春艷， 李新良.諧波陷波法超低頻標(biāo)準(zhǔn)振動臺失真度控制［J］.計測技術(shù)， 2010（4）： 3-4 Hu Chunyan， Li Xinliang.Distortion control of super low frequency standard shaker using harmonic notch method［J］.Metrology & Measurement Technology，2010（4）： 3-4

（編輯：王 洋）

The calibration of micro-vibration sensor

Liu Zhenfeng， Fu Maoyue， Liu Jingmin
（Beijing Oriental Institute of Measurement and Test， Beijing 100094， China）

This paper first briefly discusses the effect of the micro-vibration on spacecraft.Based on the practical demands for the calibration of micro-vibration and the present status of techniques and equipments of the vibration calibration， we come up with a micro-vibration calibration solution.By a proper vibration level control and the harmonic distortion restraint-notch（HDR）， we make the calibration from 0.05 Hz to 400 Hz， which has enhanced our ability to calibrate and complete the launch tasks， and guarantees the sustainable development of our aerospace career.

micro-vibration； vibration level； harmonic distortion； comparison calibration

V476.3

B

1673-1379（2015）06-0652-04

10.3969/j.issn.1673-1379.2015.06.017

劉振風(fēng)（1988—），男，碩士研究生，研究方向為儀器科學(xué)與技術(shù)、振動沖擊計量；E-mail： lzfbrick6911@163.com。指導(dǎo)教師：付茂岳（1957—），男，碩士學(xué)位，北京東方計量測試研究所副總工程師，主要從事振動沖擊方向計量與測試工作。

2015-03-27；

2015-11-22