CN105842483A - 一种三轴加速度计灵敏度的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三轴加速度计灵敏度的测量方法，X轴、Y轴水平方向的激光测振仪分别采用可调式安装支架安装，并且激光测振仪的激光光斑正对靶体的X轴、Y轴测量反射面中心，Z轴垂直方向的激光测振仪应通过固定支架平台安装在台体上方，激光光斑正对靶体Z轴测量反射面中心；所述靶体与台面通过底板螺栓刚性连接，靶体的三个测量反射面与三轴标准振动台的X、Y、Z轴的对应振动运动方向保持一致。发明是一种三轴向压电加速度计灵敏度的测量新方法，可实现三轴向压电加速度计的三个轴灵敏度一次性同步测量或校准，保证三轴向压电加速度计测量/校准状态与其工作状态相符，提高了灵敏度测量值准确性。

Description

一种三轴加速度计灵敏度的测量方法

技术领域

本发明涉及一种新型三轴加速度计的测量方法，具体是一种针对三轴向压电加速度计的灵敏度进行三轴同步振动测量的方法，属于振动计量技术领域。

背景技术

一般而言，三轴向压电加速度计指具有三个信号输出轴，并能够对X、Y、Z三个正交轴向的加速度进行同步测量的一种加速度传感器。通常与多路适调仪(如多路电荷放大器)配套使用，主要用于同步测量物体三个方向的振动加速度，从而获取物体的矢量加速度。

国家质量检验检疫总局发布有JJG233-2008压电加速度计检定规程，规定了压电加速度计灵敏度的检定方法有比较法和绝对法。比较法和绝对法适用于单轴向压电加速度计的灵敏度检定或校准。因国内无三轴振动标准装置，三轴向压电加速度计的检定或校准均只能参照JJG233-2008压电加速度计检定规程执行，即对X、Y、Z三个轴向灵敏度单个、分别进行测量，获得三轴向压电加速度计的X、Y、Z三个轴向的灵敏度值，实际得到单个轴使用时的灵敏度。

然而，在许多工程振动参数测量过程中，如设备振动表面速度测量、烈度评价、横向振动比、矢量加速度等，均需要使用三轴向压电加速度计，其使用时是同时测量某个位置的X、Y、Z三个方向的同步振动。而现有技术中，校准或测量三轴加速度计的灵敏度是采用单个轴分别进行测量得到的；而三轴加速度计实际振动测量时，是多分量同步振动同时进行测量的，各轴的振动灵敏度存在横向影响。因两种测量状态不一致，导致在不同频率下灵敏度产生较大误差。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种三轴加速度计灵敏度的测量方法，该方法为全新测量方法三轴同步振动绝对测量法，包括三轴振动参考灵敏度、三轴振动灵敏度频率响应、幅值响应、解决三轴向压电加速度计的三轴振动灵敏度的准确测量问题。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种三轴加速度计灵敏度的测量方法，该方法包括如下步骤：

1)X轴、Y轴水平方向的激光测振仪分别采用可调式安装支架安装，并且激光测振仪的激光光斑正对靶体的X轴、Y轴测量反射面中心，Z轴垂直方向的激光测振仪应通过固定支架平台安装在台体上方，激光光斑正对靶体Z轴测量反射面中心；

2)所述靶体与台面通过底板螺栓刚性连接，靶体的三个测量反射面与三轴标准振动台的X、Y、Z轴的对应振动运动方向保持一致；

3)被测三轴加速度计并肩靠在靶体并固定在台面上，且保持三轴加速度计的X、Y、Z三个输出轴的方向与靶体的三个测量反射面一致；

4)三轴加速度计的X、Y、Z轴三个方向的振动输出与多路电荷放大器连接，并将电信号放大后输给多路数据采集处理系统，三轴激光测振仪的三台驱动控制器信号输出端连接多路数据采集处理系统；

5)激光测振仪的控制系统软件的振动参数设定：选定参考频率f_i0＝160Hz、设定X、Y、Z轴为相同振动控制加速度，各轴的初始相位差为0，电荷放大器的灵敏度均置为“1.00”pC/Unit，每个“Unit”对应电荷放大器的增益倍数K，与计算机测量软件系统中的增益倍数与电荷放大器倍数设置相一致；

6)三轴标准振动台置于工作状态，控制系统软件处于工作界面，并按所述步骤5)中的振动参数启动三轴标准振动台振动，并处于闭环定频振动控制状态；

7)三轴激光测振仪同步测量靶体X、Y、Z三个方向振动加速度a_x0、a_y0、a_z0，同时，被校三轴加速度计测得台面的X、Y、Z轴振动加速度信号经电荷放大器放大后输出电压为Ux、Uy、Uz，则：

被校三轴加速度计的三轴振动参考灵敏度为被校三轴加速度计的X、Y、Z轴输出电压幅值Ux、Uy、Uz与所各轴对应承受的振动加速度幅值a_x0、a_y0、a_z0之比。

所述三轴加速度计振动灵敏度频率响应的测量步骤为：

1)在一定频率范围内，均匀地或按倍频程选取至少7频率点，并使三轴标准振动台保持振动加速度恒定进行激振；

2)选定某个参考频率点，完成该频率点的三轴参考频率灵敏度测量；

3)仅改变振动频率，其他振动参数恒定，分别在第i个频率点下，三轴激光测振仪同步测量靶体X、Y、Z三个方向该频率f_i下的振动加速度a_x0(f_i)、a_y0(f_i)、a_z0(f_i)，

被校三轴加速度计测得台面的X、Y、Z轴频率f_i下振动加速度信号，经电荷放大器放大后输出电压为Ux(f_i)、Uy(f_i)、Uz(f_i)，从而得出被校三轴向压电加速计的X、Y、Z轴输出电压幅值Ux(f_i)、Uy(f_i)、Uz(f_i)与所承受的加速度幅值a_x0(f_i)、a_y0(f_i)、a_z0(f_i)之比。

有益效果：本发明是一种三轴向压电加速度计灵敏度的测量新方法，可实现三轴向压电加速度计的三个轴灵敏度一次性同步测量或校准，保证三轴向压电加速度计测量/校准状态与其工作状态相符，提高了灵敏度测量值准确性。

附图说明

图1为本发明测量方法原理示意图；

图2为本发明工作台俯视示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例，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。

一种三轴加速度计灵敏度的测量方法，该方法包括如下步骤：

1)X轴、Y轴水平方向的激光测振仪分别采用可调式安装支架安装，并且激光测振仪的激光光斑正对靶体的X轴、Y轴测量反射面中心，Z轴垂直方向的激光测振仪应通过固定支架平台安装在台体上方，激光光斑正对靶体Z轴测量反射面中心；

2)所述靶体与台面通过底板螺栓刚性连接，靶体的三个测量反射面与三轴标准振动台的X、Y、Z轴的对应振动运动方向保持一致；

3)被测三轴加速度计并肩靠在靶体并固定在台面上，且保持三轴加速度计的X、Y、Z三个输出轴的方向与靶体的三个测量反射面一致；

4)三轴加速度计的X、Y、Z轴三个方向的振动输出与多路电荷放大器连接，并将电信号放大后输给多路数据采集处理系统，三轴激光测振仪的三台驱动控制器信号输出端连接多路数据采集处理系统；

5)激光测振仪的控制系统软件的振动参数设定：选定参考频率f_i0＝160Hz、设定X、Y、Z轴为相同振动控制加速度，各轴的初始相位差为0，电荷放大器的灵敏度均置为“1.00”pC/Unit，每个“Unit”对应电荷放大器的增益倍数K，与计算机测量软件系统中的增益倍数与电荷放大器倍数设置相一致；

6)三轴标准振动台置于工作状态，控制系统软件处于工作界面，并按所述步骤5)中的振动参数启动三轴标准振动台振动，并处于闭环定频振动控制状态；

7)三轴激光测振仪同步测量靶体X、Y、Z三个方向振动加速度a_x0、a_y0、a_z0，同时，被校三轴加速度计测得台面的X、Y、Z轴振动加速度信号经电荷放大器放大后输出电压为Ux、Uy、Uz，则：

被校三轴加速度计的三轴振动参考灵敏度为被校三轴加速度计的X、Y、Z轴输出电压幅值Ux、Uy、Uz与所各轴对应承受的振动加速度幅值a_x0、a_y0、a_z0之比。

所述三轴加速度计振动灵敏度频率响应的测量步骤为：

1)在一定频率范围内，均匀地或按倍频程选取至少7频率点，并使三轴标准振动台保持振动加速度恒定进行激振；

2)选定某个参考频率点，完成该频率点的三轴参考频率灵敏度测量；

3)仅改变振动频率，其他振动参数恒定，分别在第i个频率点下，三轴激光测振仪同步测量靶体X、Y、Z三个方向该频率f_i下的振动加速度a_x0(f_i)、a_y0(f_i)、a_z0(f_i)，

被校三轴加速度计测得台面的X、Y、Z轴频率f_i下振动加速度信号，经电荷放大器放大后输出电压为Ux(f_i)、Uy(f_i)、Uz(f_i)，从而得出被校三轴向压电加速计的X、Y、Z轴输出电压幅值Ux(f_i)、Uy(f_i)、Uz(f_i)与所承受的加速度幅值a_x0(f_i)、a_y0(f_i)、a_z0(f_i)之比。

工作原理：如图1所示，计算机控制软件输出数字X、Y、Z轴的振动幅值参数(位移、速度、加速度)、振动频率、相位等数字控制信号，经多路振动同步控制器将数字控制振动信号转换为模拟控制输出信号，通过三轴功率放大器驱动X、Y、Z三个轴向的标准电动振动台产生X、Y、Z轴向振动，并将三个轴向振动传递给集成振动发生器，集成振动发生器复合传导三个轴向方向的振动至振动台台面，形成三轴同步复合振动。台面安装的三个单轴压电加速度计将X、Y、Z三个分量的振动信号反馈给多路振动同步控制器，形成闭环控制。

同时，三轴激光测振仪的三路测量光分别入射到靶体三个互为垂直的测量反射表面上，测量靶体X、Y、Z三个轴向的振动。三台激光测振仪的输出信号、被测三轴压电加速度计三路输出经电荷放大器放大后的电压信号均传输给计算机内的多路数据采集卡进行同步采集(注：也可采用数字电压表测量，但电压测量数据需人工输入计算机测量软件进行自动计算)，所有测量数据通过计算机测量软件系统进行相关的数据处理和运算，最终给出测量或校准结果。

实施例

如图2所示：

环境条件：1)环境温度：20℃±5℃；2)湿度：小于80％FIH；3)环境振动:对三轴标准振动台、X和Y向的激光测振仪支架、Z轴方向激光测振仪固定支架平台等应采取隔振措施，不得有相互振动影响以及外部振动影响,减小振动环境对测量结果的影响。

步骤A：控制系统软件振动参数设定：选定参考频率f_i0＝160Hz、设定X、Y、Z轴为相同振动控制加速度a＝10m/s²，各轴的初始相位差为0；电荷放大器的灵敏度均置为“1.00”pC/Unit，每个“Unit”对应电荷放大器的增益倍数K，取值如1mV档、10mV档、100mV档等，与计算机测量软件系统中的增益倍数与电荷放大器倍数设置相一致。

步骤B：三轴标准振动台置于工作状态，三轴控制系统软件处于工作界面，并按上述振动参数启动三轴标准振动台振动，并处于闭环定频振动控制状态。

步骤C：三轴激光测振仪同步测量靶体X、Y、Z三个方向振动加速度a_x0、a_y0、a_z0，同时，被校三轴加速度计测得台面的X、Y、Z轴振动加速度信号经电荷放大器放大后输出电压为Ux、Uy、Uz，则：

被校三轴向压电加速计三轴振动参考灵敏度为被校三轴向压电加速计的X、Y、Z轴输出电压幅值Ux、Uy、Uz与所各轴对应承受的振动加速度幅值a_x0、a_y0、a_z0之比。

步骤D：三轴振动参考灵敏度的计算

X、Y、Z轴均为同一振动加速度a条件下，X轴、Y轴、Z轴的三轴振动参考灵敏度S_Xref、S_Yref、S_Zref按式(1)至式(3)计算：

$S_{Xref}=\frac{U_X}{a_{X0}}\×\frac{1}{K}---\left(1\right)$

$S_{Yref}=\frac{U_Y}{a_{Y0}}\×\frac{1}{K}---\left(2\right)$

$S_{Zref}=\frac{U_Z}{a_{Z0}}\×\frac{1}{K}---\left(3\right)$

式中

Ux——在三个方向同振条件下，三轴向加速度计的X轴输出的振动电信号幅值，mV。

UY——在三个方向同振条件下，三轴向加速度计的Y轴输出的振动电信号幅值，mV。

UZ——在三个方向同振条件下，三轴向加速度计的Z轴输出的振动电信号幅值，mV。

a_x0——在三个方向同振条件下，三轴激光测振仪同步测量靶体X方向实际振动加速度，m/s²。

a_Y0——在三个方向同振条件下，三轴激光测振仪同步测量靶体Y方向实际振动加速度，m/s²。

a_Z0——在三个方向同振条件下，三轴激光测振仪同步测量靶体Z方向实际振动加速度，m/s²。

S_Xref——在三个方向同振条件下，三轴向加速度计的X轴三轴振动参考灵敏度幅值，pC/(ms^-2)。

S_Yref——在三个方向同振条件下，三轴向加速度计的Y轴三轴振动参考灵敏度幅值，pC/(ms^-2)。

S_Zref——在三个方向同振条件下，三轴向加速度计的Z轴三轴振动参考灵敏度幅值，pC/(ms^-2)。

K——三轴向加速度计的X、Y、Z轴输出电荷放大器上的增益，如选1mV、10mV、100mV档等。

三轴振动灵敏度频率响应的测量方法

1)在(20～1000)频率范围内，均匀地或按倍频程选取至少7个点，如(20、40、80、160、315、630、1000)Hz频率点，保持三轴标准振动台保持振动加速度恒定进行激振。

2)选择160Hz参考频率点，完成160Hz频率点的三轴参考灵敏度测量，同第3.2条。

3)仅改变振动频率，其他振动参数恒定，分别在第i个频率点下，三轴激光测振仪同步测量靶体X、Y、Z三个方向该频率fi下的振动加速度a_x0(f_i)、a_y0(f_i)、a_z0(f_i)；同时，被校三轴加速度计测得台面的X、Y、Z轴频率f_i下振动加速度信号,经电荷放大器放大后输出电压为Ux(f_i)、Uy(f_i)、Uz(f_i)，则被校三轴向压电加速计的X、Y、Z轴输出电压幅值Ux(f_i)、Uy(f_i)、Uz(f_i)与所承受的加速度幅值a_x0(f_i)、a_y0(f_i)、a_z0(f_i)之比。

4)三轴振动参考灵敏度及频率响应的计算

X、Y、Z轴均设置为相同频率fi Hz，其他振动条件与参考条件测量相同，则各轴的三轴振动灵敏度S_X(f_i)、S_Y(f_i)、S_Z(f_i)按式(4)至式(6)计算：

$S_X\left(f_i\right)=\frac{U_X\left(f_i\right)}{a_{X0}\left(f_i\right)}\×\frac{1}{K}---\left(4\right)$

$S_Y\left(f_i\right)=\frac{U_Y\left(f_i\right)}{a_{Y0}\left(f_i\right)}\×\frac{1}{K}---\left(5\right)$

$S_Z\left(f_i\right)=\frac{U_Z\left(f_i\right)}{a_{Z0}\left(f_i\right)}\×\frac{1}{K}---\left(6\right)$

式中

S_X(f_i)——在第i频率点，测得的三轴向加速度计X轴振动灵敏度幅值，pC/(ms^-2)；

S_Y(f_i)——在第i频率点，，测得的三轴向加速度计Y轴振动灵敏度幅值，pC/(ms^-2)；

S_Z(f_i)——在第i频率点，测得的三轴向加速度计Z轴振动灵敏度幅值，pC/(ms^-2)。

5)三轴振动灵敏度频率响应的计算

其他频率下的X、Y、Z轴三轴振动灵敏度幅值与其对应的参考频率160Hz下的X、Y、Z轴三轴参考灵敏度幅值的相对偏差，取最大偏差值作为三轴振动灵敏度幅值频率响应。则第i频率点，各轴的三轴振动灵敏度频率响应的相对偏差为e_X(f_i)、e_Y(f_i)、e_Z(f_i)按式(7)至式(9)计算：

$e_X\left(f_i\right)=\frac{S_X\left(f_i\right)-S_{Xef}}{S_{Xref}}\×100\%---\left(7\right)$

$e_Y\left(f_i\right)=\frac{S_Y\left(f_i\right)-S_{Yef}}{S_{Yref}}\×100\%---\left(8\right)$

$e_Z\left(f_i\right)=\frac{S_Z\left(f_i\right)-S_{Zef}}{S_{Zref}}\×100\%---\left(9\right)$

式中

e_X(f_i)——在第i频率点，测得的三轴向加速度计X轴振动灵敏度幅值与X轴参考加速度灵敏度的相对偏差，％；

e_Y(f_i)——在第i频率点，测得的三轴向加速度计Y轴振动灵敏度幅值与Y轴参考加速度灵敏度的相对偏差，％；

e_Z(f_i)——在第i频率点，测得的三轴向加速度计Z轴振动灵敏度幅值与Z轴参考加速度灵敏度的相对偏差，％。

本发明设计的三轴向压电加速度计灵敏度的全新测量方法——三轴同步振动绝对测量法,已经在某公司研制的三轴中频振动标准装置上获得成功应用。本发明主要用于三轴压电加速度计三轴灵敏度的同步测量(校准)，有效解决三轴压电加速度计三轴振动灵敏度准确测量的方法问题。该测量方法是三轴压电加速度计实际使用情况提出，比现有国家检定规程规定的方法更有针对性、科学性、适用性。

Claims (2)

1.一种三轴加速度计灵敏度的测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1)X轴、Y轴水平方向的激光测振仪分别采用可调式安装支架安装，并且激光测振仪的激光光斑正对靶体的X轴、Y轴测量反射面中心，Z轴垂直方向的激光测振仪应通过固定支架平台安装在台体上方，激光光斑正对靶体Z轴测量反射面中心；

2)所述靶体与台面通过底板螺栓刚性连接，靶体的三个测量反射面与三轴标准振动台的X、Y、Z轴的对应振动运动方向保持一致；

3)被测三轴加速度计并肩靠在靶体并固定在台面上，且保持三轴加速度计的X、Y、Z三个输出轴的方向与靶体的三个测量反射面一致；

4)三轴加速度计的X、Y、Z轴三个方向的振动输出与多路电荷放大器连接，并将电信号放大后输给多路数据采集处理系统，三轴激光测振仪的三台驱动控制器信号输出端连接多路数据采集处理系统；

5)激光测振仪的控制系统软件的振动参数设定：选定参考频率f_i0＝160Hz、设定X、Y、Z轴为相同振动控制加速度，各轴的初始相位差为0，电荷放大器的灵敏度均置为“1.00”pC/Unit，每个“Unit”对应电荷放大器的增益倍数K，与计算机测量软件系统中的增益倍数与电荷放大器倍数设置相一致；

6)三轴标准振动台置于工作状态，控制系统软件处于工作界面，并按所述步骤5)中的振动参数启动三轴标准振动台振动，并处于闭环定频振动控制状态；

7)三轴激光测振仪同步测量靶体X、Y、Z三个方向振动加速度a_x0、a_y0、a_z0，同时，被校三轴加速度计测得台面的X、Y、Z轴振动加速度信号经电荷放大器放大后输出电压为Ux、Uy、Uz，则：

被校三轴加速度计的三轴振动参考灵敏度为被校三轴加速度计的X、Y、Z轴输出电压幅值Ux、Uy、Uz与所各轴对应承受的振动加速度幅值a_x0、a_y0、a_z0之比。

2.根据权利要求1所述的一种三轴加速度计灵敏度的测量方法，其特征在于，所述三轴加速度计振动灵敏度频率响应的测量步骤为：

1)在一定频率范围内，均匀地或按倍频程选取至少7频率点，并使三轴标准振动台保持振动加速度恒定进行激振；

2)选定某个参考频率点，完成该频率点的三轴参考频率灵敏度测量；

3)仅改变振动频率，其他振动参数恒定，分别在第i个频率点下，三轴激光测振仪同步测量靶体X、Y、Z三个方向该频率f_i下的振动加速度a_x0(f_i)、a_y0(f_i)、a_z0(f_i)，

被校三轴加速度计测得台面的X、Y、Z轴频率f_i下振动加速度信号，经电荷放大器放大后输出电压为Ux(f_i)、Uy(f_i)、Uz(f_i)，从而得出被校三轴向压电加速计的X、Y、Z轴输出电压幅值Ux(f_i)、Uy(f_i)、Uz(f_i)与所承受的加速度幅值a_x0(f_i)、a_y0(f_i)、a_z0(f_i)之比。