CN113640546B - 一种加速度计温度响应校准装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及加速度计校准技术领域，具体公开了一种加速度计温度响应校准装置及方法，校准装置主要包括振动台、加热炉、支撑架、连接件、转接件和冷却风扇。本发明的优点1是改进了确定被校加速度计温度的方法，考虑了连接件传热特性对加速度计温度的影响，被校加速度计的真实温度更接近预期值。优点2是采用氧化锆作为连接件的主体材料，其典型形状为空心短圆锥结构，可以显著提高加速度计的校准频率。优点3是设计了轻质的转接件，既方便被校加速度计的安装，又有助于提高实际的校准频率。

Description

一种加速度计温度响应校准装置及方法

技术领域

本发明涉及加速度计校准技术领域，特别是一种加速度计温度响应校准装置及方法。

背景技术

常温环境下振动加速度计灵敏度校准方法有绝对法和比较法，其中比较法应用最为广泛，将参考加速度计和被校加速度计背靠背、刚性地安装在振动台的台面上进行两者输出响应的比较，从而给出被校加速度计的准确灵敏度值。对于高温环境下的振动加速度计校准，常用方法是增加刚性较好的连接件，连接件一端安装参考加速度计，另一端安装被校加速度计。将参考加速度计放置在常温环境中，而被校加速度计放置在高温环境中。高温环境通常由小型的加热炉来提供，激励由标准振动台提供，参考加速度计与被校加速度计必须刚性同轴安装在振动台台面中心。

控制被校加速度计的温度和非主振向响应是该校准方法的两个关键点，其难点在于安装被校加速度计的连接件的热导率不可能无限低、刚度不可能无限大。由于连接件热导率的存在连接件顶部被校加速度计的实际温度与加热炉内温度控制点的温度之间必然存在差异，如果连接件伸入加热炉内的长度比较长，则两者之间的温度差异就会减小，但是连接件长度的增加又会导致被校加速度计处的非主振向响应太大，可能不满足相关标准的要求，这两种特性相互制约。

在GB/T-13823.16-1995《振动与冲击传感器的校准方法温度响应比较测试法》、JJG 233-2008《压电加速度计检定规程》以及ISO 16063-34：2019《Methods for thecalibration of vibartion and shock transducers Part 34 Testing of sensitivityat fixed temperatures》中，均涉及加速度计的温度响应校准。因为不可能在被校加速度计上安装温度传感器，所以这些标准里均将加热炉的温度作为加速度计的校准温度，忽略了连接件的传热效应，认为在温度稳定后加热炉的温度就是被校加速度计的温度。这种假定带来两个明显问题，1、加热炉的温度偏差通常允许为±2℃，由于连接件热导率的影响，被校加速度计的实际温度与加热炉的温度差异可能已经远大于2℃，使得被校加速度计的真实温度不准确。2、为了减小前述问题1的温度差异，只能将连接件尽可能的做长一点，伸入加热炉内多一点，这必然导致在较低的振动频率处已经出现被校加速度计处的非主振向响应太大，不满足加速度计校准时对横向振动比的要求，使得校准系统能够适用的最高振动频率受到很大的限制。现有标准里只给出了校准时的优选温度和频率，并未给出在优选频率处满足横向振动比要求的具体方法。因此一些公司设计了非常细长的连接件，导致校准时的适用上限频率甚至低于1000Hz，而加速度计的常用频率范围至少需达到2000Hz

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种加速度计温度响应校准方法及校准装置关键部件——连接件的设计方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种加速度计温度响应校准装置，包括振动台、加热炉、支撑架、连接件和转接件，所述加热炉设置在所述支撑架上，所述振动台设置在加热炉的下方，所述振动台的台面中心安装所述连接件，所述连接件的上端伸入所述加热炉内，所述连接件的顶部设置有转接件有用于安装被校加速度计，所述振动台上与连接件同轴安装参考加速度计，所述参考加速度计安装在所述振动台的台面上部或与所述振动台一体化设置安装在所述振动台的台面内侧。

具体的，所述连接件为中空结构，其包括大端法兰、中部锥段和小端柱段，所述连接件的大端法兰通过台面螺栓与振动台的台面连接，所述连接件的大端法兰端面与振动台的台面之间具有间隙，所述参考加速度计位于连接件的中空内，所述小端柱段的顶部有通孔用于连接转接件。

具体的，还包括散热风扇，所述散热风扇用于为参考加速度计散热。

具体的，所述转接件包括安装座，所述安装座上设置凸台，所述凸台上设置有安装孔。具体的，所述连接件采用氧化锆材料制成。

一种加速度计温度响应校准方法，包括以下步骤：

S1、制作模拟件，所述模拟件与被校加速度计的尺寸误差≤10％，模拟件与被校加速度计的质量误差≤5％；

S2、在所述模拟件上固定温度传感器；

S3、将模拟件通过转接件安装在连接件的顶部，使振动台、连接件、模拟件、参考加速度计同轴安装，并将模拟件置于加热炉内；

S4、控制加热炉使其升温，实测加热炉温度控制点的实际控制温度及模拟件温度达到稳定所需的时间，作为加热炉温度控制的修正依据，使正式校准时，模拟件表面可以达到预期校准温度；

S5、在校准温度条件下，以参考加速度计作为振动控制点，采用激光测振方法，对模拟件在特定频率下的主振向、非主振向响应进行测量，获得参考加速度计输出值A₁和模拟件响应A₂，计算得到轴向响应的失真度、传递比和横向振动比，判断失真度和横向振动比是否满足要求；

S6、失真度和横向振动比满足要求时将模拟件取下，然后将被校加速度计安装在转接件上；S7、在加热炉上设定修正后的温度控制条件并开始升温；

S8、当温度达到稳定条件后开始进行特定频率和加速度量级下的振动响应测量，根据步骤S5的结果，对被校加速度计的轴向响应进行修正，获得其轴向灵敏度S₂；

式中：S₁－参考加速度计灵敏度值，mV/g或pC/g；

X₁－参考加速度计输出值，mV或pC；

X₂－被校加速度计输出值，mV或pC；

A₁－激光测振时，参考加速度计主振向输出值，g；

A₂－激光测振时，模拟件顶部主振向响应，g。

具体的，在校准的过程中通过散热风扇对参考加速度计进行散热，使其温度满足要求。具体的，所述被校加速度计进行安装时按设定的力矩进行安装，然后在校准完成后使加热炉温度降至室温，检查被校加速度计的安装力矩是否仍满足要求。

具体的，所述被校加速度计安装时应使其安装面与转接件凸台的顶面平行，被校加速度计的导线处于直线状态，将被校加速度计的导线在加热炉外固定，避免在校准过程中出现共振。

本发明具有以下优点：

1、本发明根据被校加速度计的质量和形状，设计可在表面固定温度传感器的钢质质量模拟件，两者在连接件顶部安装方式相同。在正式校准之前通过预实验，获得不同校准优选温度下，模拟件表面温度与加热炉显示温度的差异。修正加热炉的实际控制温度，使模拟件表面的温度达到传感器校准所需的优选温度，并记录模拟件温度稳定所需时间。在正式校准时，使用修正后的温度作为加热炉控制温度，保持前述稳定时间后即可进行灵敏度校准。这样可以使被校加速度计的真实温度更接近预期的优选温度；

2、本发明设计的连接件，采用氧化锆材料制作，拓扑形状为中空圆锥状，可有效降低连接件高度，提高传感器校准频率上限；

3、本发明设计的转接件，可以有效实现被校加速度计与氧化锆连接件之间的振动传递，同时尽可能降低转接件的质量，有助于提高校准频率上限，并提高氧化锆连接件的使用寿命；

4、本发明能对被校加速度计温度准确预估，同时确保被校加速度计质量不大于100g时，可在最高800℃、3000Hz以内的任意频率处进行灵敏度校准，均满足相关加速度校准标准对横向振动比的要求。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图；

图2为本发明的连接件结构示意图；

图3为本发明的转接件结构图A；

图4为本发明的转接件结构图B；

图中：1-振动台，2-加热炉，3-连接件，31-大端法兰，32-中部锥段，33-小端柱段，4-参考加速度计，5-支撑架，6-转接件，7-被校加速度计，8-温度控制点，9-散热风扇。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”，“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程，方法，物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程，方法，物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程，方法，物品或者设备中还存在另外的相同要素。

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1～4所示，一种加速度计温度响应校准装置，包括振动台1、加热炉2、支撑架5、连接件3和转接件6，所述加热炉2设置在所述支撑架5上，所述振动台1设置在加热炉2的下方，所述振动台1的台面中心安装所述连接件3，所述连接件3的上端伸入所述加热炉2内，所述连接件3的顶部设置有转接件6用于安装被校加速度计7，所述振动台1上与连接件3同轴安装参考加速度计4，所述参考加速度计4安装在所述振动台1的台面上部或与所述振动台1一体化设置安装在所述振动台1的台面内侧。所述连接件3为中空锥状结构，其包括大端法兰31、中部锥段32和小端柱段33，所述连接件3的大端法兰31通过台面螺栓与振动台1的台面连接，所述连接件3的大端法兰31端面与振动台1的台面之间具有间隙，所述参考加速度计4位于连接件3的中空内，所述小端柱段33的顶部有通孔用于连接转接件6。还包括散热风扇9，所述散热风扇9用于为参考加速度计4散热，当参考加速度计4安装在振动台1的台面内部时，散热风扇9可与振动台1内部原有的风扇合并设计。所述转接件5包括安装座，所述安装座上设置凸台，所述凸台上设置有安装孔。所述连接件3采用氧化锆材料制成。使用时先将参考加速度计4通过螺栓安装在振动台1的台面上，然后安装连接件3，连接件3安装时使其与振动台1之间具有间隙，并且参考加速度计4位于连接件3的中空内，参考加速度计4不与连接件3接触，这样在连接件3即能与参考加速度计4同轴，连接件3的温度也不会直接传导给参考加速度计4，降低环境温度的影响；本实施例中通过在连接件3上固定转接件6，然后将被校加速度计7通过螺栓固定在转接件6上，通过螺栓穿过小端柱段(33)的顶部的通孔与转接件6上设置的螺纹孔螺纹连接就能固定转接件6，这样可以实现连接件3与被校加速度计7的有效连接，便于被校加速度计7重复安装，实现振动的有效传递，其中转接件6采用钢质材料，转接件5的安装座用于与连接件3连接，凸台用于与被校加速度计7连接，由于通常加速度计的安装面为矩形安装面单螺钉固定和三角形安装面3颗螺钉固定，因此可以将凸台的结构设计成如图3和4所示的矩形或三角形结构；以加速度计质量为100g为例，连接件3小端的外径设计为Φ42mm，柱段高度20mm，总高度80mm，壁厚6mm，质量约560g～580g，转接件6的质量为35g～40g。本发明设计的连接件3可以使质量100g的加速度计在800℃时实现最高3000Hz的灵敏度校准，实现对市场现有耐高温加速度计常用温度、频率、质量的覆盖，显著提高校准的有效性，具有重要的实用价值，当被校加速度计质量小于100g或所需的最高校准温度低于800℃时，基于本发明中连接件的设计思路，对连接件的具体尺寸做适当修改，能够实现的最高校准频率可进一步提高。

一种加速度计温度响应校准方法，包括以下步骤：

S1、制作模拟件，所述模拟件与被校加速度计7的尺寸误差≤10％，模拟件与被校加速度计7的质量误差≤5％；

S2、在所述模拟件上固定温度传感器；

S3、将模拟件通过转接件6安装在连接件3的顶部，使振动台1、连接件3、模拟件、参考加速度计4同轴安装，并将模拟件置于加热炉2内；

S4、控制加热炉2使其升温，实测加热炉2温度控制点8的实际控制温度及模拟件温度达到稳定所需的时间，作为加热炉2温度控制的修正依据，使正式校准时，模拟件表面可以达到预期校准温度；

S5、在校准温度条件下，以参考加速度计4作为振动控制点，采用激光测振方法，对模拟件在特定频率下的主振向、非主振向响应进行测量，获得参考加速度计输出值和模拟件响应，计算得到轴向响应的失真度、传递比和横向振动比，判断失真度和横向振动比是否满足要求。如果失真度或横向振动比不满足设计要求，则需要更改连接件3或转接件6的设计；

S6、失真度和横向振动比满足要求时将模拟件取下，然后将被校加速度计7安装在转接件上；

S7、在加热炉2上设定修正后的温度控制条件并开始升温；

S8、当温度达到稳定条件后开始进行特定频率和加速度量级下的振动响应测量，根据步骤S5的结果，对被校加速度计7的轴向响应进行修正，获得其轴向灵敏度S₂；

式中：S1－参考加速度计灵敏度值，mV/g或pC/g；

X1－参考加速度计输出值，mV或pC；

X2－被校加速度计输出值，mV或pC；

A1－激光测振时，参考加速度计主振向输出值，g；

A2－激光测振时，模拟件顶部主振向响应，g。

由于被校加速度计7在进行校准时必须要安装在连接件3上，连接件3的一端位于加热炉2内，而另一端位于加热炉2外部，这样在加热炉2进行加热时连接件3会进行传热，导致连接件3顶部的温度与加热炉2内温度控制点8的温度之间必然存在差异，加热炉的温度偏差通常允许为±2℃，由于连接件热导率的影响，被校加速度计的实际温度与加热炉的温度差异可能已经远大于2℃，使得被校加速度计7的真实温度不准确，本发明基于这一问题，通过在连接件3的顶部设置一个模拟件模拟被校加速度计7，在被校加速度计7进行校准前通过预实验，获得不同校准优选温度下，模拟件表面温度与加热炉2显示温度的差异，修正加热炉2的实际控制温度，使模拟件表面的温度达到传感器校准所需的优选温度，并记录模拟件温度稳定所需时间，在正式校准时，使用修正后的温度作为加热炉2控制温度，保持前述稳定时间后即可进行灵敏度校准，这样可以使被校加速度计7的真实温度更接近预期的优选温度，由于不能直接将温度传感器可靠安装在被校加速度计7表面，所以通过设置模拟件来代替被校加速度计7进行预实验，获得准确的温度数据以及获得参考加速度计输出值A₁和模拟件响应A₂，因此本发明通过设置模拟件来进行预实验，能使被校加速度计7校准时真实温度更接近预期的优选温度，这样校准的准确度更高。

进一步的，在校准的过程中通过散热风扇9对参考加速度计4进行散热，使其温度满足要求。由于连接件3是空心的结构，且在连接件3的顶部设置有孔洞用于安装转接件6，这样连接件3的中空内随着校准的进行温度会升高，而连接件3的中空温度升高会导致参考加速度计4所处的环境温度不在常温环境下，而参考加速度计4的工作温度需要在标准要求的温度，因此通过设置散热风扇9风冷方法控制参考加速度计4在校准全过程中的温度，使其满足相关标准的要求，必要时对参考加速度计的灵敏度进行修正，由于连接件3与振动台1的台面之间具有间隙，这样散热风扇9就能通过间隙将风吹到参考加速度计4处进行散热。

进一步的，步骤S6中取下模拟件后被校加速度计7也通过加热炉2侧面的测试孔进行安装。这样只需要将模拟件取下就能换上被校加速度计7，不用将连接件3等部件拆卸下来重新安装，不会对校准产生影响。

进一步的，所述被校加速度计7进行安装时按设定的力矩进行安装，然后在校准完成后使加热炉2温度降至室温，检查被校加速度计7的安装力矩是否仍满足要求。通过检测校准前后被校加速度计7的安装力矩可以确认被校加速度计7是否有松动，若力矩正常，那么表明校准的数据没有问题，若力矩变化明显，那些数据就不真实，需要重新进行校准，通过这一方式就能简单判断校准是否准确。

进一步的，所述被校加速度计7安装时应使其安装面与转接件6凸台的顶面平行，被校加速度计7的导线处于直线状态，将被校加速度计7的导线在加热炉2外固定，避免在校准过程中出现共振。为了进一步保证被校加速度计7的校准数据更真实，需要控制能控制的一切环境因素，因此使被校加速度计7的安装面与凸台的顶面平行，且被校加速度计7的导线处于直线状态，并在加热炉2外固定。

进一步的，除首次对新型号加速度计进行校准外，对相同型号加速度计进行重复校准时，可利用原校准信息，省略步骤S1～S6。这样可以提高校准效率，降低校准成本。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述所述技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术对以上实施例所做的任何改动修改、等同变化及修饰，均属于本技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.一种加速度计温度响应校准方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、制作模拟件，所述模拟件与被校加速度计(7)的尺寸误差≤10％，模拟件与被校加速度计(7)的质量误差≤5％；

S2、在所述模拟件上固定温度传感器；

S3、将模拟件通过转接件(6)安装在连接件(3)的顶部，使振动台(1)、连接件(3)、模拟件、参考加速度计(4)同轴安装，所述振动台(1)的台面中心安装所述连接件(3)，参考加速度计(4)安装在振动台(1)上并与连接件(3)同轴设置，并将模拟件置于加热炉(2)内；

S4、控制加热炉(2)使其升温，实测加热炉(2)温度控制点(8)达到校准温度时，模拟件表面的实际温度及此温度达到稳定所需的时间，作为加热炉(2)温度控制的修正依据，使修正后的模拟件表面稳定温度达到预期校准温度；

S5、在校准温度条件下，以参考加速度计(4)作为振动控制点，采用激光测振方法，对模拟件在特定频率下的主振向、非主振向响应进行测量，获得参考加速度计(4)输出值A₁和模拟件响应A₂，计算得到轴向响应的失真度、传递比和横向振动比， 判断失真度和横向振动比是否满足要求；

S6、失真度和横向振动比满足要求时将模拟件取下，然后将被校加速度计(7)安装在转接件(6)上；

S7、在加热炉(2)上设定修正后的温度控制条件并开始升温；

S8、当温度达到稳定条件后开始进行特定频率和加速度量级下的振动响应测量，根据步骤S5的结果，对被校加速度计(7)的轴向响应进行修正，获得其轴向灵敏度S₂；

式中：S₁－参考加速度计灵敏度值，mV/g或pC/g；

X₁－参考加速度计输出值，mV或pC；

X₂－被校加速度计输出值，mV或pC；

A₁－激光测振时，参考加速度计主振向输出值，g；

A₂－激光测振时，模拟件顶部主振向响应，g。

2.根据权利要求1所述一种加速度计温度响应校准方法，其特征在于：在校准的过程中通过散热风扇(9)对参考加速度计(4)进行散热，使其温度满足要求。

3.根据权利要求2所述一种加速度计温度响应校准方法，其特征在于：所述被校加速度计(7)进行安装时按设定的力矩进行安装，然后在校准完成后使加热炉(2)温度降至室温，检查被校加速度计(7)的安装力矩是否下降。

4.根据权利要求3所述一种加速度计温度响应校准方法，其特征在于：所述被校加速度计(7)安装时应使其安装面与转接件(6)凸台的顶面平行，被校加速度计(7)的导线处于直线状态，将被校加速度计(7)的导线在加热炉(2)外固定，避免在校准过程中出现共振。

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