劉振風(fēng)，付茂岳，劉敬敏

（北京東方計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100094）

微振動(dòng)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(jì)量測(cè)試研究所，北京 100094）

文章介紹了微振動(dòng)對(duì)航天器的影響，并基于對(duì)微振動(dòng)計(jì)量工作的現(xiàn)實(shí)需求，根據(jù)現(xiàn)有振動(dòng)計(jì)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(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)研究方案，通過(guò)適當(dāng)量級(jí)的振動(dòng)控制和諧波失真抑制，實(shí)現(xiàn)對(duì)0.05～400 Hz范圍內(nèi)的微振動(dòng)傳感器的校準(zhǔn)，提升航天計(jì)量保障能力。

微振動(dòng)；振動(dòng)量級(jí)；諧波失真；比較法校準(zhǔn)

0　引言

航天器在軌運(yùn)行過(guò)程中，各種剩余外力的影響所形成的微振動(dòng)環(huán)境使得航天器并非處于自由漂移狀態(tài)。通過(guò)了解航天器運(yùn)行時(shí)的微振動(dòng)環(huán)境，可以監(jiān)測(cè)航天器運(yùn)動(dòng)部件及控制系統(tǒng)的工作狀況，掌握航天器的結(jié)構(gòu)動(dòng)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(yàn)，提高設(shè)計(jì)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(wú)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(shí)冷熱交變誘發(fā)太陽(yáng)電池陣微振動(dòng)，導(dǎo)致望遠(yuǎn)鏡指向精度發(fā)生變化［1］。這些振動(dòng)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(duì)地球觀測(cè)系統(tǒng)“上午星”（EOS AM—1）作了微振動(dòng)及穩(wěn)定性的分析計(jì)算，發(fā)現(xiàn)反作用輪、低溫制冷器等產(chǎn)生的擾動(dòng)對(duì)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(guó)內(nèi)也有人開(kāi)展了衛(wèi)星在軌動(dòng)力學(xué)環(huán)境的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果顯示其微振動(dòng)量級(jí)為0.01～1 m/s2，頻率范圍為0.1～150 Hz。

微振動(dòng)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(dòng)。而型號(hào)任務(wù)中有許多微振動(dòng)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(dòng)校準(zhǔn)，對(duì)校準(zhǔn)系統(tǒng)提出了更高的要求。北京東方計(jì)量測(cè)試研究所現(xiàn)有的校準(zhǔn)系統(tǒng)由美國(guó)恩德福克公司于20世紀(jì)90年代設(shè)計(jì)制造，最大振動(dòng)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(hào)任務(wù)中微振動(dòng)傳感器計(jì)量對(duì)低頻、低幅值的要求，需要進(jìn)行技術(shù)升級(jí)。本文為此展開(kāi)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(duì)微振動(dòng)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(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大器后驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)；標(biāo)準(zhǔn)傳感器感受到運(yùn)動(dòng)激勵(lì)的輸出經(jīng)過(guò)放大器放大后被信號(hào)采集模塊所采集，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后反饋給控制系統(tǒng)；控制系統(tǒng)針對(duì)反饋確定是否需要調(diào)整量級(jí)以及進(jìn)行諧波失真控制，并測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)傳感器及被校傳感器的輸出電壓，計(jì)算出被校振動(dòng)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(cè)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(cè)出。則

1.2振動(dòng)量級(jí)的控制

振動(dòng)量級(jí)是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)傳感器測(cè)出的實(shí)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(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不利于微振動(dòng)傳感器在低頻時(shí)的校準(zhǔn)。為此，本文提出了一種新的指數(shù)式振動(dòng)量級(jí)控制方法來(lái)增加加速度幅值：通過(guò)檢測(cè)當(dāng)前信號(hào)幅值A(chǔ)d，并根據(jù)設(shè)定目標(biāo)值A(chǔ)0（該值通過(guò)系統(tǒng)常數(shù)所需要量級(jí)進(jìn)行估算），給定某一合適的時(shí)間常數(shù)a，使控制信號(hào)按照

進(jìn)行變化。其中f為信號(hào)的頻率。當(dāng)t/a＞5時(shí)，當(dāng)前信號(hào) Ad≈0.993A0，可以認(rèn)為信號(hào)已經(jīng)達(dá)到設(shè)定目標(biāo)值。此時(shí)判斷設(shè)定目標(biāo)值是否達(dá)到所需要的量級(jí)，如未達(dá)到則更新設(shè)定目標(biāo)值，重復(fù)前面的過(guò)程，直至達(dá)到所需量級(jí)，控制信號(hào)達(dá)到穩(wěn)定。調(diào)整信號(hào)頻率時(shí)，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(shí)間常數(shù)a，就可以使輸出信號(hào)的幅值滿足要求，從而實(shí)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(shí)間，還能減小調(diào)整過(guò)程中振動(dòng)臺(tái)臺(tái)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(dòng)校準(zhǔn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。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(guò)有限元分析的數(shù)值方法來(lái)保證振動(dòng)臺(tái)與激光測(cè)振儀擁有良好的隔振基礎(chǔ)［7］；Ohm等設(shè)計(jì)了一種通過(guò)在期望頻率共振的懸臂梁產(chǎn)生低失真度低頻振動(dòng)的校準(zhǔn)裝置［8］；浙江大學(xué)的何聞等通過(guò)非線性動(dòng)態(tài)特性分析提出基于位移反饋的振動(dòng)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(duì)幅值較大的2個(gè)諧波成分進(jìn)行反饋，實(shí)現(xiàn)了諧波的補(bǔ)償與抑制［10］。

本文參考隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)諧波失真抑制，如圖2所示。在測(cè)定了校準(zhǔn)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)的情況下，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器的輸出信號(hào)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(bǔ)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(guò)半正弦波沖擊法來(lái)測(cè)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(cè)量不準(zhǔn)帶來(lái)的偏差；減少計(jì)算的諧波成分，有利于減少運(yùn)算量，提高系統(tǒng)的運(yùn)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(shí)施方案

2.1傳感器

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

經(jīng)過(guò)研究，選用高靈敏度的加速度計(jì)。該加速度計(jì)是氮?dú)庾枘岬娜菪晕⑿蜋C(jī)械裝置，封裝于經(jīng)過(guò)穩(wěn)定處理的陽(yáng)極氧化鋁殼中。其測(cè)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(yùn)算放大電路進(jìn)行信號(hào)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(yùn)算放大器本身工作在直流狀態(tài)下，且具有零點(diǎn)漂移和溫度漂移的特性，為此設(shè)置了輸出零點(diǎn)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(lái)完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用，具有性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開(kāi)發(fā)時(shí)間少等優(yōu)勢(shì)。本設(shè)計(jì)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(yǔ)言、以PXI1031為集成平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)施。

PXI4461是專為聲學(xué)和振動(dòng)分析而設(shè)計(jì)的高精度數(shù)據(jù)采集設(shè)備，可對(duì)加速度傳感器和其他一些具有大動(dòng)態(tài)范圍的傳感器進(jìn)行精確測(cè)量，具有振動(dòng)監(jiān)測(cè)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(dòng)態(tài)范圍達(dá)到 118 dB，符合本研究對(duì)信號(hào)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(lái)實(shí)現(xiàn)。

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

振動(dòng)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(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制振動(dòng)量級(jí)以及抑制諧波失真的目的。為了實(shí)現(xiàn)振動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)兩通道輸入信號(hào)同步采集，并對(duì)采集到的信號(hào)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(dòng)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(jiàn)圖5，該波形已經(jīng)過(guò)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(cè)試結(jié)果

將由高靈敏度的加速度計(jì)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(cè)試。圖6中完整的正弦曲線（黑色曲線）是信號(hào)源的驅(qū)動(dòng)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(guò)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(jiàn)圖5）。

在諧波失真抑制的條件下，對(duì)振動(dòng)量級(jí)的控制準(zhǔn)確度以及諧波失真度進(jìn)行測(cè)量，得到表1的結(jié)果。從表中可以看出，振動(dòng)量級(jí)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(shí)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(jì)輸出波形Fig.6　Waveform output of accelerator at 0.1 Hz without HDR restraint

表1　振動(dòng)量級(jí)控制測(cè)試結(jié)果Table 1　Test results of vibration level control

4　結(jié)束語(yǔ)

本文從實(shí)際測(cè)量需求出發(fā)，提出了超低頻振動(dòng)傳感器的比較法校準(zhǔn)研究，并基于虛擬儀器技術(shù)對(duì)校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，取得了一些成果：1）通過(guò)對(duì)振動(dòng)臺(tái)量級(jí)控制的研究分析，提出了指數(shù)逼近法的振動(dòng)量級(jí)控制方案，測(cè)試結(jié)果表明控制方案達(dá)到了預(yù)期效果；2）基于對(duì)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)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(cè)試結(jié)果證明抑制效果比較明顯。

本研究在現(xiàn)有振動(dòng)臺(tái)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(hào)任務(wù)的計(jì)量保障能力，助力我國(guó)航天事業(yè)的健康發(fā)展。

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（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?yàn)閮x器科學(xué)與技術(shù)、振動(dòng)沖擊計(jì)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(jì)量測(cè)試研究所副總工程師，主要從事振動(dòng)沖擊方向計(jì)量與測(cè)試工作。

2015-03-27；

2015-11-22