CN112556827A - 一种基于激光干涉法的高加速度振动校准方法及装置 - Google Patents

一种基于激光干涉法的高加速度振动校准方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于激光干涉法的高加速度振动校准方法及装置，该方法包括：将基于机械共振原理的谐振式高加速度振动发生装置安装于振动台台面，以保证为振动传感器校准提供符合校准需求的高加速度振动激励；采集外差激光干涉信号与振动传感器输出电压信号，利用相位展开法提取干涉信号的相位；然后基于正弦逼近法拟合干涉信号相位与振动传感器输出电压信号；最后实现振动传感器的灵敏度幅值与相位校准。相比于传统的振动校准方法，本方法在有效保证校准精度的前提下，提高了振动校准的加速度激励幅值。本发明方法解决了现有振动校准方法振动加速度幅值有限的不足，同时也解决了高加速度振动量值溯源问题。

Description

一种基于激光干涉法的高加速度振动校准方法及装置
技术领域
本发明属于振动计量与测试领域，尤其适用于高加速度振动校准。
背景技术
振动校准是保证振动传感器测量结果准确和可靠的重要手段。剧烈且持续的高加速度振动会造成物体内部结构的损伤，尤其零部件发生共振时会引起其疲劳失效，可能会带来危险。高加速度振动传感器在航空发动机与燃气轮机的性能测试，机器状态监测，军事武器特性测试等领域应用广泛。因此，对于高加速度振动校准技术的研究具有十分重要的意义。
对于高加速度振动传感器，校准方法主要包括重力场法、离心机法、冲击校准法和振动校准法。其中重力场法和离心机法主要适用于低频、超低频高加速度校准。重力场法利用转台为被校传感器提供峰值恒为1g的重力加速度，校准系统简单灵活，但由于转台离心加速度对校准精度的影响，其校准频率通常小于5 Hz。具有零频响应的振动传感器，可采用离心机法测试振动传感器的线性度，双离心机法适用频率范围为0.7～10Hz，正弦加速度最大幅值仅为700m/s2。不具有零频响应且对线性度没有要求的振动传感器，可采用冲击校准法对其进行校准，冲击校准虽然可以在段时间内获得较高冲击加速度，但是校准指标具有局限性。如果振动传感器不具有零频响应，其线性度要求也较高时，则需要采用振动台进行校准。但是单独的振动台产生的激励加速度往往幅值有限。目前，我国绝对法振动计量基准装置的最大加速度测量能力为100m/s2，比较法中频振动标准装置的最大加速度测量能力为980m/s2。传统的振动校准方法激励幅值不能满足高加速度振动传感器的校准需求。
因此，针对目前振动校准方法物体提供高加速度振动激励、高加速度振动量值无法溯源的不足，本发明提出一种可适用于高加速度振动激励范围校准、校准过程简单、校准精度较高的振动校准方法。
发明内容
针对传统振动校准方法无法提供高加速度振动校准所需的加速度激励幅值，本发明提供一种高效、高加速度振动校准方法，包括：
安装谐振式高加速度振动发生装置：该装置不仅用于高加速度振动激励发生，也用于固定振动传感器，是振动台工作台面与传感器之间的过渡结构；
外差式激光干涉信号提取相位：利用基于Nyquist采样定理的采样频率同步采集外差激光干涉信号与振动传感器输出电压信号，将采集的外差激光干涉信号与一组标准正余弦正交基<I,Q>相乘，转换为两路正交信号，然后利用相位展开法提取干涉信号的相位；
高加速度振动测量与振动传感器输出电压测量：对于提取的干涉信号相位与振动传感器输出电压信号，采用正弦逼近法拟合激励加速度信号与输出电压信号，获得激励加速度信号与输出电压信号的幅值和相位；
振动传感器灵敏度计算：利用激励加速度信号与输出电压信号的幅值与相位，基于传感器灵敏度公式求得振动传感器的灵敏度幅值和相位。
进一步地，所述校准方法包括以下步骤，
S1：将基于机械共振原理建立的谐振式高加速度振动发生装置安装于振动台台面，振动台提供与谐振梁共振频率相等的振动激励信号，谐振梁共振为振动传感器校准提供高加速度振动激励；
S2：利用基于Nyquist采样定理的采样频率同步采集外差激光干涉信号与振动传感器输出电压信号，基于相位展开法提取外差激光干涉信号的相位；
S3：利用正弦逼近法拟合干涉信号相位与振动传感器输出信号，得到振动加速度信号与振动传感器输出信号的幅值和相位；
S4：最后通过拟合获取的加速度信号与输出电压信号的峰值和相位，确定振动传感器的灵敏度幅值与相位。
进一步地，所述安装谐振式高加速度振动发生装置，即：该装置主要由谐振梁、立柱、T型螺母和底座组成，与振动台刚性连接，当外加频率与谐振梁的固有频率相等时，谐振梁共振产生高加速度振动激励。
进一步地，所述基于相位展开法提取外差激光干涉信号相位，具体包括：
(1)外差激光干涉信号与振动传感器输出信号采集
将振动传感器固定于谐振式高加速度振动发生装置上，当振动台提供的振动激励信号频率与谐振梁谐振频率相等时，谐振梁共振提供高加速度振动激励，传感器随谐振梁一同振动。外差激光干涉信号的频率和相位分别受振动速度和振动位移的调制，可描述为：
Figure RE-GDA0002948731520000031
其中，
Figure RE-GDA0002948731520000032
式中，up为干涉信号的峰值，
Figure RE-GDA0002948731520000033
为干涉信号的初相，λ为激光波长；vp和sp分别为振动速度与位移的峰值，fv和
Figure RE-GDA0002948731520000034
分别为振动频率与初相；Δfmax为最大频移，带宽为2vp/λ。
利用基于Nyquist采样定理的采样频率同步采集干涉信号与振动传感器输出电压信号；
(2)外差激光干涉信号转换为两路相互正交的干涉信号
将采集的外差激光干涉信号与一组标准正余弦正交基<I,Q>相乘，将干涉信号转化为两相互正交的信号，其中I(ti)＝sin(2πf1ti)，Q(ti)＝cos(2πf1ti)。经过低通滤波器后得到正交信号u1(ti)和u2(ti)：
Figure RE-GDA0002948731520000035
式中ti为采样时间，i＝1,2,3...,N-1，N为采样点数，u′p为正交信号的峰值。
(3)基于相位展开法提取干涉信号的相位
利用相位展开法提取正交干涉信号的相位，即：
Figure RE-GDA0002948731520000036
式中反正切函数在干涉信号的过零点引入不连续的相位，因此引入相位补偿项 nπ避免相位跳变，其中n＝0,1,2...。
进一步地，对于解调外差激光干涉信号获取的相位
Figure RE-GDA0002948731520000041
以及采集的振动传感器输出电压信号u(ti)，利用正弦逼近法拟合激励位移信号与输出电压信号：
Figure RE-GDA0002948731520000042
u(ti)＝A2 cos(2πfvti)-B2 sin(2πfvti)+C2ti+D2 (6)
式中fv为振动频率。参数A1、B1、C1及D1，A2、B2、C2及D2可通过分别求解 N个方程获得。拟合的激励位移信号为：
Figure RE-GDA0002948731520000043
激励加速度信号为：
Figure RE-GDA0002948731520000044
振动传感器输出电压信号为：
Figure RE-GDA0002948731520000045
进一步地，高加速度振动传感器的灵敏度S(ti)可以表示为：
Figure RE-GDA0002948731520000046
高加速度振动传感器的灵敏度幅值为
Figure RE-GDA0002948731520000047
灵敏度相位为
Figure RE-GDA0002948731520000048
校准不同频率下的灵敏度可确定振动传感器的频率特性。
进一步地，实现该方法的装置主要包括：标准中频振动台(1)、谐振式高加速度振动发生装置(2)、振动传感器(3)、外差式激光干涉仪固定装置(4)、三角棱镜(5)、激光头(6)、外差式激光干涉仪(7)、信号采集与传输设备(8)、处理与显示设备(9)。
标准中频振动台(1)用于提供与谐振式高加速度振动发生装置(2)固有频率相等的振动激励；振动传感器(3)固定于谐振式高加速度发生装置(2)上；外差式激光干涉仪(4)用于固定三角棱镜(5)、激光头(6)和外差式激光干涉仪(7)；三角棱镜 (5)使激光头(6)发出的激光发生偏折垂直照射到振动传感器(3)表面；信号采集与传输设备(8)用于外差式激光干涉仪(7)与振动传感器(3)输出信号的采集与传输；处理与显示设备(9)处理激光干涉信号与传感器输出电压信号，保存与显示校准结果。
本发明高加速度振动传感器校准方法具有如下优势：
⑴本发明方法稳定、可靠、实用，可实现中频范围内不同频率的高加速度振动校准。
⑵本发明方法校准过程灵活，适用于不同型号与尺寸的振动传感器校准。
⑶本发明方法基于激光干涉法实现高加速度振动精确测量，提高了振动传感器灵敏度校准精度。
⑷本发明方法通过激光干涉法将测得的高加速度振动量值溯源至时间(s)和激光波长(m)。
⑸本发明方法属于高加速度振动校准方法，能够在中频范围内实现高精度的振动传感器校准。
附图说明
附图1为本发明方法具体实施实例装置示意图；
附图2为一种基于激光干涉法的高加速度振动校准方法流程图；
附图3为外差式激光干涉信号相位提取流程图；
附图4为振动传感器灵敏度幅值与相位求解流程图；
附图5为本发明方法具体实施实例对振动传感器的灵敏度校准结果图。
具体实施方式
为解决现有振动校准方法无法提高高加速度振动激励、高加速度振动量值无法实现溯源的问题，本发明提供了一种基于激光干涉法的高加速度振动校准方法及装置，本发明方法对于振动传感器校准可获得较高的灵敏度幅值与相位校准精度，下面结合附图和具体的实施实例对本发明做出详细描述。
参考图1为本发明方法的实施实例装置示意图，该装置主要包括：标准中频振动台(1)、谐振式高加速度振动发生装置(2)、振动传感器(3)、外差式激光干涉仪固定装置(4)、三角棱镜(5)、激光头(6)、外差式激光干涉仪(7)、信号采集与传输设备(8)、处理与显示设备(9)。其特征在于：标准中频振动台(1)用于提供与谐振式高加速度振动发生装置(2)固有频率相等的振动激励；振动传感器(3)固定于谐振式高加速度发生装置(2)上；外差式激光干涉仪(4)用于固定三角棱镜(5)、激光头(6)和外差式激光干涉仪(7)；三角棱镜(5)使激光头(6)发出的激光发生偏折垂直照射到振动传感器(3)表面；信号采集与传输设备(8)用于外差式激光干涉仪(7) 与振动传感器(3)输出信号的采集与传输；处理与显示设备(9)处理激光干涉信号与输出电压信号，保存与显示校准结果。
参考图2一种基于激光干涉法的高加速度振动校准方法流程图。本发明高加速度振动校准方法主要包括以下步骤：
步骤S10：将谐振式高加速度振动发生装置安装于振动台工作台面，振动台提供与谐振梁固有频率相等的振动激励；
步骤S20：外差激光干涉信号相位提取，其包括：利用基于Nyquist采样定理的采样频率同步采集外差激光干涉信号与振动传感器输出电压信号，通过将干涉信号转换为两路正交信号，然后利用相位展开法提取干涉信号的相位；
步骤S30：高加速度振动测量与振动传感器输出电压测量：对于提取的干涉信号相位与振动传感器的电压信号，采用正弦逼近法拟合激励加速度信号与输出电压信号，获得激励加速度信号与输出电压信号的幅值和相位；
步骤S40：振动传感器灵敏度计算：利用激励加速度信号与输出电压信号的幅值与相位，基于传感器灵敏度公式求得振动传感器的灵敏度幅值和相位。
参考图3为外差式激光干涉信号相位提取流程图。本发明外差激光干涉信号相位提取包括如下步骤：
步骤S21：读取采集的外差激光干涉信号；
步骤S22：将采集的外差激光干涉信号与一组标准正余弦正交基<I,Q>相乘，将干涉信号转化为两路相互正交的干涉信号；
步骤S23：将两路干涉信号通过数字低通滤波器滤波；
步骤S24：基于相位展开法提取外差激光干涉信号的相位。
参考图4为振动传感器灵敏度幅值与相位求解流程图。本发明基于激光干涉法的高加速度激励振动传感器校准包括如下步骤：
步骤S31：读取提取的外差激光干涉信号的相位信息与振动传感器输出电压信号；
步骤S32：采用正弦逼近法拟合激励加速度信号与输出电压信号，以获得相应的拟合峰值和相位；
步骤S33：基于灵敏度计算公式计算振动传感器的灵敏度幅值与相位；
步骤S34：显示、保存振动传感器的灵敏度幅值与相位。
本实施实例装置的具体参数为：振动频率范围为5～4000Hz最大加速度为 200m/s2的标准中频振动台，由谐振梁、两个立柱、两个T型螺母、底座组成的谐振式高加速度振动发生装置，被校振动传感器选用Kistler 8742A10振动传感器，选用位移分辨率高至亚纳米的德国Polytec OFV-5000外差式激光干涉仪用于振动测量，最大采样率为200MHz的凌华PCI-9852采集卡用于激光干涉信号的采集。
为验证本发明振动传感器灵敏度校准方法的校准精度，利用本发明校准方法实现了140～2929Hz频率范围、100～10000m/s2加速度范围内振动传感器的灵敏度幅值与相位的有效校准。参考图5为本发明方法具体实施实例对振动传感器的灵敏度幅值与相位校准结果图，本次校准的标准中频振动台提供的最大加速度幅值为200m/s2。校准的灵敏度幅值与相位结果与振动传感器出厂证书提供的灵敏度数值相似。
上述描述为本发明实施实例的详细介绍，其并非用于对本发明作任何形式上的限定。本领域相关技术人员可在本发明的基础上可做出一系列的优化、改进及修改等。因此，本发明的保护范围应由所附权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种基于激光干涉法的高加速度振动校准方法，其特征在于：所述校准方法包括以下步骤，
S1：将基于机械共振原理建立的谐振式高加速度振动发生装置安装于振动台台面，振动台提供与谐振梁共振频率相等的振动激励信号，谐振梁共振为振动传感器校准提供高加速度振动激励；
S2：利用基于Nyquist采样定理的采样频率同步采集外差激光干涉信号与振动传感器输出电压信号，基于相位展开法提取外差激光干涉信号的相位；
S3：利用正弦逼近法拟合干涉信号相位与振动传感器输出信号，得到振动加速度信号与振动传感器输出信号的幅值和相位；
S4：最后通过拟合获取的加速度信号与输出电压信号的峰值和相位，确定振动传感器的灵敏度幅值与相位。
2.根据权利要求1所述的一种基于基于激光干涉法的高加速度振动校准方法，其特征在于：
谐振式高加速度振动发生装置，由谐振梁、立柱、T型螺母和底座组成，与振动台刚性连接，当外加频率与谐振梁的固有频率相等时，谐振梁共振产生高加速度振动激励。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光干涉法的高加速度振动校准方法，其特征在于：
基于相位展开法提取外差激光干涉信号相位过程，具体包括：
(1)外差激光干涉信号与振动传感器输出信号采集
将振动传感器固定于谐振式高加速度振动发生装置上，当振动台提供的振动激励信号频率与谐振梁谐振频率相等时，谐振梁共振提供高加速度振动激励，传感器随谐振梁一同振动；外差激光干涉信号的频率和相位分别受振动速度和振动位移的调制，描述为：
Figure RE-FDA0002948731510000011
其中，
Figure RE-FDA0002948731510000012
式中，up为干涉信号的峰值，
Figure RE-FDA0002948731510000021
为干涉信号的初相，λ为激光波长；vp和sp分别为振动速度与位移的峰值，fv和
Figure RE-FDA0002948731510000022
分别为振动频率与初相；Δfmax为最大频移，带宽为2vp/λ；
利用基于Nyquist采样定理的采样频率同步采集干涉信号与振动传感器输出电压信号；
(2)外差激光干涉信号转换为两路相互正交的干涉信号
将采集的外差激光干涉信号与一组标准正余弦正交基<I,Q>相乘，将干涉信号转化为两相互正交的信号，其中I(ti)＝sin(2πf1ti)，Q(ti)＝cos(2πf1ti)；经过低通滤波器后得到正交信号u1(ti)和u2(ti)：
Figure RE-FDA0002948731510000023
式中ti为采样时间，i＝1,2,3...,N-1，N为采样点数，u′p为正交信号的峰值；
(3)基于相位展开法提取干涉信号的相位
利用相位展开法提取正交干涉信号的相位，即：
Figure RE-FDA0002948731510000024
式中反正切函数在干涉信号的过零点引入不连续的相位，因此引入相位补偿项nπ避免相位跳变，其中n＝0,1,2...。
4.根据权利要求1所述的一种基于激光干涉法的高加速度振动校准方法及装置，其特征在于：
对于解调外差激光干涉信号获取的相位
Figure RE-FDA0002948731510000026
以及采集的振动传感器输出电压信号u(ti)，利用正弦逼近法拟合激励位移信号与输出电压信号：
Figure RE-FDA0002948731510000025
u(ti)＝A2 cos(2πfvti)-B2 sin(2πfvti)+C2ti+D2 (6)
式中fv为振动频率；参数A1、B1、C1及D1，A2、B2、C2及D2可通过分别求解N个方程获得；拟合的激励位移信号为：
Figure RE-FDA0002948731510000031
激励加速度信号为：
Figure RE-FDA0002948731510000032
振动传感器输出电压信号为：
Figure RE-FDA0002948731510000033
5.根据权利要求1所述的一种基于激光干涉法的高加速度振动校准方法及装置，其特征在于：
高加速度振动传感器的灵敏度S(ti)可以表示为：
Figure RE-FDA0002948731510000034
高加速度振动传感器的灵敏度幅值为
Figure RE-FDA0002948731510000035
灵敏度相位为
Figure RE-FDA0002948731510000036
校准不同频率下的灵敏度确定振动传感器的频率特性。
6.利用权利要求1所述方法设计的一种高加速度振动校准方法的校准装置，其特征在于：
该装置包括：标准中频振动台(1)、谐振式高加速度振动发生装置(2)、振动传感器(3)、外差式激光干涉仪固定装置(4)、三角棱镜(5)、激光头(6)、外差式激光干涉仪(7)、信号采集与传输设备(8)、处理与显示设备(9)；
标准中频振动台(1)用于提供与谐振式高加速度振动发生装置(2)固有频率相等的振动激励；振动传感器(3)固定于谐振式高加速度发生装置(2)上；外差式激光干涉仪(4)用于固定三角棱镜(5)、激光头(6)和外差式激光干涉仪(7)；三角棱镜(5)使激光头(6)发出的激光发生偏折垂直照射到振动传感器(3)表面；信号采集与传输设备(8)用于外差式激光干涉仪(7)与振动传感器(3)输出信号的采集与传输；处理与显示设备(9)处理激光干涉信号与传感器输出电压信号，保存与显示校准结果。
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