CN113125001B

CN113125001B - 一种用于高精度微振动测量三轴加速度计组件

Info

Publication number: CN113125001B
Application number: CN202110459251.6A
Authority: CN
Inventors: 武耀; 马功泊; 刘闯; 冯国松; 李栋; 冯咬齐; 岳志勇; 刘召颜; 何玲; 李新明
Original assignee: Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering
Current assignee: Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering
Priority date: 2021-04-27
Filing date: 2021-04-27
Publication date: 2022-11-01
Anticipated expiration: 2041-04-27
Also published as: CN113125001A

Abstract

本申请公开了一种用于高精度微振动测量三轴加速度计组件，包括基座、三个加速度传感器、四个温度传感器；三个所述加速度传感器分别安装在所述基座的三个垂直面上；加速度传感器为高精度微振动测量传感器，所述基座上及每个所述加速度传感器上分别贴装有一个所述温度传感器。本申请通过高精度微振动测量传感器测量三个方向的加速度值；同时通过在每个加速度传感器以及基座上均设置温度传感器，测量三个方向的加速度的时候同时采集三个方向的温度值，在进行高精度测量时可以同时测量敏感轴温度信息，使得可以对每个方向的加速度值用该方向的温度值来校正，进而剔除掉温度变化带来的误差，使得加速度测量的数值更加精准。

Description

一种用于高精度微振动测量三轴加速度计组件

技术领域

本公开一般涉及航天器动力学环境试验领域，尤其是涉及一种高精度微振动测量中使用的多参量微振动加速度测量组件。

背景技术

随着航天器分辨率水平的提升，航天器对星上微振动环境的要求越来越高。利用测试的方式对卫星上的微振动环境进行评估和分析是解决微振动干扰问题的必要手段。微振动加速度传感器是进行微振动测试的振动感知单元，以前常用的微振动传感器为1000mv/g的三向微振动传感器。但随着对测试精度的要求不断提高，高精度的测试对微振动传感器的灵敏度要求已高达10000mv/g，而目前市面上能达到此灵敏度要求的微振动传感器大多是单向的传感器，无法直接对某安装点同时进行三向微振动响应的测量。除此之外，随着微振动的量级越来越小，有很多别的环境因素对测量精度的影响变得不能忽略，这些问题都制约了高精度的微振动测量。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种用于高精度微振动测量三轴加速度计组件，包括基座、三个加速度传感器、四个温度传感器；三个所述加速度传感器分别安装在所述基座的三个垂直面上；所述加速度传感器为高精度微振动测量传感器，所述基座上及每个所述加速度传感器上分别贴装有一个所述温度传感器。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述基座包括水平安装体和竖直安装体；所述竖直安装体为薄型方块状，用于安装竖直方向的加速度传感器，其一角与水平安装体的一角下部一体衔接；

所述水平安装体在所述竖直安装体的两侧形成两个安装面，用于安装水平方向的加速度传感器。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述水平安装体与所述竖直安装体的四个角落均设有螺纹安装孔，用于将所述三轴加速度组件固定在被测量件上；所述水平安装体和竖直安装体的一体衔接处的安装孔共用。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述水平安装体的顶部伸出有延伸板；所述延伸板上固定有3个SMA电连接器；每个所述加速度传感器的端部固定有加速度电连接器，每个所述加速度电连接器与对应的SMA电连接器通过导线连接。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述导线通过硅橡胶间断点胶的方式进行固定在对应的加速度传感器表面。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述延伸板的顶端开设有3个顶部缺口的安装口，用于安装所述加速度电连接器。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述水平安装体的侧面设有用于与所有温度传感器电连接的矩形电连接器。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述基座为中空一体式结构，所有所述温度传感器的电连接线通过所述基座的中空腔体连接到所述矩形电连接器。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述加速度传感器的安装面平面度大于等于0.03，表面粗糙度小于等于1.6；三个所述加速度传感器的垂直度大于等于0.1。

本申请中通过在基座的三个垂直面上安装三个加速度传感器，使得本申请的技术方案可以测量三个方向的加速度值；同时本申请的技术方案中，通过在每个加速度传感器以及基座上均设置温度传感器，当加速度传感器选用高精度微振动测量传感器时，在测量三个方向的加速度的时候同时采集三个方向的温度值，在进行高精度测量时可以同时测量敏感轴温度信息，使得可以对每个方向的加速度值用该方向的温度值来校正，进而剔除掉温度变化带来的误差，使得加速度测量的数值更加精准。

根据本申请实施例提供的技术方案，通过设置在一个角落一体衔接的水平安装体和竖直安装体，使得竖直方向的加速度传感器可以下沉安装在基座上；三个加速度传感器的安装面以一体衔接角为中心相互垂直邻接设置，从而使得整个三轴加速度计组件的结构紧凑，重量更轻，并且提升了基座的固有频率，当单个传感器的重量不超过220g时，整体的固有频率可以达到2000Hz以上，提升了测量的动态范围，从而使得本申请的技术方案可以在三个方向均适用于高精度微振动的测量。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述水平安装体与所述竖直安装体的四个角落均设有螺纹安装孔，且所述水平安装体和竖直安装体的一体衔接处的安装孔共用。也就是说加速度计组件通过7个安装孔固定安装于测量位置，在装配完成后，水平向安装区和垂直向安装区均能保证有4个螺钉紧固。

根据本申请实施例提供的技术方案，基座设置为中空结构，温度传感器的布线从中空结构的腔体走线，不仅降低了整个三轴加速度计的重量，还进一步紧凑了结构，从而提高了三轴加速度计组件的自身固有频率，从而实现宽动态范围高精度的测量。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本申请实施例1的结构示意图；

图2为本申请实施例1中基座的立体结构示意图；

图3为本申请实施例1中基座的俯视结构示意图；

图4为本申请实施例1中基座的侧视结构示意图；

图5为本申请实施例1的原理框图。

图中标号：

1、基座；(2x，2y，2z)、加速度传感器；3、温度传感器；4、水平安装体；5、竖直安装体；6、螺纹安装孔；10、延伸板；7、SMA电连接器；8、加速度电连接器；9、导线；11、矩形电连接器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

实施例1

请参考图1，本实施例提供一种用于高精度微振动测量三轴加速度计组件，包括基座1、三个加速度传感器(2x，2y，2z)、四个温度传感器3；三个所述加速度传感器(2x，2y，2z)分别安装在所述基座1的三个垂直面上，且均为高精度微振动测量传感器，所述基座1上及每个所述加速度传感器(2x，2y，2z)上分别贴装有一个所述温度传感器3。

图1中标号2x表示x轴方向的加速度传感器，2y表示y轴方向的加速度传感器，2z表示z轴方向的加速度传感器。

其中，三个加速度传感器(2x，2y，2z)均为高精度单向加速度传感器，型号可根据需求选取，一般用于高精度微振动测量时其灵敏度越高越好，当有其他耐温、耐冲击等需求时也可根据需求选取，相同性能的前提下尽量选择尺寸较小较轻的传感器，并且，与用于传输的导线的连接为螺接或焊接方式。在本实施例中，加速度传感器选型为Endevoc 87型传感器，在其他实施例中，加速度传感器也可以根据需求选用合适的型号。

其中，选取量程范围内的热敏电阻作为温度传感器3，也可选取其他类型具有相同功能的传感器作为测温传感器。

其中，基座由铝合金块整体加工而成，主要功能是安装加速度传感器和温度传感器，并且，为各个传感器提供外部的安装接口。本发明中，基座1采取中空式设计的一体式结构，分为2个设计区域，如图3所示，分别是位于水平安装体4上的水平传感器(X向\Y向)安装区域和位于竖直安装体5上的垂直传感器安装区域(Z向)。

本实施例中通过在基座1的三个垂直面上安装三个加速度传感器，使得本申请的技术方案可以测量三个方向的加速度值；同时本申请的技术方案中，通过在每个加速度传感器以及基座上均设置温度传感器，在测量三个方向的加速度的时候同时采集三个方向的温度值，使得可以对每个方向的加速度值用该方向的温度值来校正，使得加速度测量的数值更加精准。

加速度传感器的灵敏度是随着温度变化的，灵敏度的变化会直接导致测量结果的变化。当进行常规测量时，这部分变化可以被忽略，可是当进行高精度的微振动测量时，这部分误差不可忽略。因此，可以首先对传感器进行温度灵敏度的标定，标定出所用传感器的灵敏度随着温度变化的变化规律。然后，在测量的时候，一方面测量传感器当前的温度值，一方面同时测量加速度响应值，通过传感器的温度信息来标定当前温度的真实灵敏度，再通过当前的灵敏度来修正加速度响应结果值，达到高精度测量的目的。另外，在宽温度范围的常规加速度测量时，也可以使用本方案的设计思路。

例如x轴方向上矫正后的加速度值a_x通过以下公式(一)校正得到：

a_x＝(k_0x+k_1x*t_x)*a_测x 公式(一)；

a_测x为x轴方向上加速度传感器的实际测量值，

t_x为x轴方向上的温度传感器的温度测量值，

k_0x和k_1x为x轴方向上的灵敏度与x轴方向上温度进行标定时得到的常数；

同理，y轴方向上的矫正后的加速度值a_y通过以下公式(二)校正得到：

a_y＝(k_0y+k_1y*t_y)*a_测y 公式(二)；

a_测y为y轴方向上加速度传感器的实际测量值，

t_x为y轴方向上的温度传感器的温度测量值，

k_0y和k_1y为y轴方向上的灵敏度与y轴方向上温度进行标定时得到的常数；

同理，z轴方向上的矫正后的加速度值a_z通过以下公式(三)校正得到：

a_z＝(k_0z+k_1z*t_z)*a_测z 公式(三)；

a_测z为z轴方向上加速度传感器的实际测量值，

t_z为z轴方向上的温度传感器的温度测量值，

k_0z和k_1z为z轴方向上的灵敏度与z轴方向上温度进行标定时得到的常数；

因此本申请在在进行高精度测量时可以同时测量敏感轴温度信息，进而剔除掉温度变化带来的误差，使得测试更准确。

其中，如图2所示，本实施例中，所述基座包括水平安装体4和竖直安装体5；所述竖直安装体5为薄型方块状，用于安装竖直方向的加速度传感器2z，其一角与水平安装体4的一角下部一体衔接；

所述水平安装体4在所述竖直安装体的两侧形成两个安装面，用于安装水平方向的加速度传感器(2x，2y)。

上述设置在一个角落一体衔接的水平安装体和竖直安装体，使得竖直方向的加速度传感器可以下沉安装在基座上；三个加速度传感器的安装面以一体衔接角为中心相互垂直邻接设置，从而使得整个三轴加速度计组件的结构紧凑，提升了基座的固有频率，从而提升了测量的动态范围，进而使得本申请的技术方案可以在三个方向均适用于高精度微振动的测量。

如图3所示，本实施例中，所述水平安装体4与所述竖直安装体5的四个角落均设有螺纹安装孔6，用于将所述三轴加速度组件固定在被测量件上；所述水平安装体4和竖直安装5的一体衔接处的安装孔共用。也就是说加速度计组件通过7个安装孔固定安装于测量位置，在装配完成后，水平向安装区和垂直向安装区均能保证有4个螺钉紧固。每个加速度传感器通过其安装面中心的孔固定在基座上。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述水平安装体的顶部伸出有延伸板10；所述延伸板10上固定有3个SMA电连接器7；每个所述加速度传感器的端部固定有加速度电连接器8，每个所述加速度电连接器8与对应的SMA电连接器通过导线9连接。所述导线通过硅橡胶间断点胶的方式进行固定在对应的加速度传感器表面。硅橡胶的连接方式保证了本申请技术方案的减震效果。

其中，所述延伸板的顶端开设有3个顶部缺口的安装口，用于安装所述加速度电连接器8。安装孔的顶部设置缺口，用于导线的穿插。安装口的四周均布有4个M2螺纹孔用于安装SMA电连接器。在安装时，先将硬质导线穿过延伸板上的缺口放入到安装孔中，然后将3个SMA电连接器分别通过4个M2的螺钉紧固到基座上，再将另一端与加速度传感器相连。

如图4所示，基座上设有矩形电连接器11的第一连接区12和SMA电连接器的第二连接区13。

基座1上用于水平方向的安装加速度传感器(2x，2y)的安装位置设计为圆弧形，圆弧形可以保证基座强度的同时，减轻基座的重量。其中，所述水平安装体4的侧面设有用于与所有温度传感器3电连接的矩形电连接器11。其中，所述基座1为中空一体式结构，所有所述温度传感器的电连接线通过所述基座的中空腔体连接到所述矩形电连接器。

温度传感器3通过粘贴的方式安装到3个传感器上以及基座顶面的预留安装处，分别用于测量传感器的温度以及基座1的温度。每个温度传感器3有两根测试电缆，汇聚于基座顶部的预留通孔后，穿过通孔，伸入到基座内部，再与矩形电连接器的安装点焊接。连接完成后，矩形电连接器11通过2个M2的螺钉紧固到基座1预留的安装孔处。在本实施例中，温度传感器的型号为MF-501型热敏电阻，在其他实施例中，也可以根据需求选择合适的其他型号的温度传感器。

本实施例的上述设计完成后，基座1的基础频率要高于10000Hz。不仅只用于高精度三轴微振动的测量，也可扩展用于其他的需要三轴集成的包含温度及加速度综合的测量领域，比如三向超高温加速度传感器测量等。

如图5所示，本申请的测量原理框图所示，所有温度传感器的信号通过矩形连接器传输给信号采集系统；所有加速度传感器的信号通过SMA连接器传输给信号采集系统；信号处理模块可以根据合适的计算方法根据各个方向的温度信号来校正该方向的加速度计的信号。基座的温度信号用于与传感器所测得温度相互作为判断依据。因为温度的传递分为周围环境温度与结构温度两部分，通过两部分的温度进行综合的温度判读，可以使得温度修正更加准确。

例如可以使用各个加速速度计上的温度传感器的值校正得到的测量结果与基座上温度传感器的值校正得到的测量结果进行求平均；

例如x轴方向上矫正后的加速度值a_x通过以下公式(四)校正得到：

a_x＝【(k_0x+k_1x*t_x)*a_测x+(k_2x+k_3x*t_基)*a_测x】/2 公式(四)；

a_测x为x轴方向上加速度传感器的实际测量值，

t_x为x轴方向上的温度传感器的温度测量值，

T_基为基座上的温度传感器的温度测量值，

K_2x和k_3x为x轴方向上的灵敏度与基座上温度进行标定时得到的常数；

同理，y轴方向上矫正后的加速度值a_y通过以下公式(五)校正得到：

a_y＝【(k_0y+k_1y*t_y)*a_测y+(k_2y+k_3y*t_基)*a_测y】/2 公式(五)；

a_测y为y轴方向上加速度传感器的实际测量值，

t_y为y轴方向上的温度传感器的温度测量值，

T_基为基座上的温度传感器的温度测量值，

K_2y和k_3y为y轴方向上的灵敏度与基座上温度进行标定时得到的常数；

同理，z轴方向上矫正后的加速度值a_z通过以下公式(五)校正得到：

a_z＝【(k_0z+k_1z*t_z)*a_测z+(k_2z+k_3z*t_基)*a_测z】/2 公式(五)；

a_测z为z轴方向上加速度传感器的实际测量值，

t_z为z轴方向上的温度传感器的温度测量值，

T_基为基座上的温度传感器的温度测量值，

K_2z和k_3z为z轴方向上的灵敏度与基座上温度进行标定时得到的常数；

因此本申请进一步将环境温度和结构温度进行结合判断，进一步剔除掉多温度变化带来的误差，使得测试更准确。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims

1.一种用于高精度微振动测量三轴加速度计组件，其特征在于，包括基座、三个加速度传感器、四个温度传感器；三个所述加速度传感器分别安装在所述基座的三个垂直面上；所述加速度传感器为高精度微振动测量传感器，所述基座上及每个所述加速度传感器上分别贴装有一个所述温度传感器，信号处理模块根据设定的计算方法根据各个方向的温度信号来校正该方向的加速度传感器的信号；所述基座包括水平安装体和竖直安装体；所述竖直安装体为薄型方块状，用于安装竖直方向的加速度传感器，其一角与水平安装体的一角下部一体衔接；

所述水平安装体在所述竖直安装体的两侧形成两个安装面，用于安装水平方向的加速度传感器；

所述水平安装体的顶部伸出有延伸板；所述延伸板上固定有3个SMA电连接器；每个所述加速度传感器的端部固定有加速度电连接器，每个所述加速度电连接器与对应的SMA电连接器通过导线连接；

所述导线通过硅橡胶间断点胶的方式进行固定在对应的加速度传感器表面；

所述延伸板的顶端开设有3个顶部缺口的安装口，用于安装所述加速度电连接器；所述水平安装体的侧面设有用于与所有温度传感器电连接的矩形电连接器；

所述基座为中空一体式结构，所有所述温度传感器的电连接线通过所述基座的中空腔体连接到所述矩形电连接器。

2.根据权利要求1所述的用于高精度微振动测量三轴加速度计组件，其特征在于，所述水平安装体与所述竖直安装体的四个角落均设有螺纹安装孔，用于将所述三轴加速度计组件固定在被测量件上；所述水平安装体和竖直安装体的一体衔接处的安装孔共用。

3.根据权利要求1或2所述的用于高精度微振动测量三轴加速度计组件，其特征在于，所述加速度传感器的安装面平面度大于等于0.03，表面粗糙度小于等于1.6；三个所述加速度传感器的垂直度大于等于0.1。