CN1955644A - 低频角振动台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于校准运动参数传感器的低频角振动台。它主要包括机械振动台、控制系统、光栅、读数头、光栅信号调理器、数据采集系统及数据处理系统；控制系统控制机械振动台根据被校传感器的特性产生正弦振动，光栅的输出信号经光栅信号调理器后一路送给控制系统进行闭环控制，另一路送给数据采集系统，数据采集系统在采集光栅输出信号的同时采集被校传感器的输出信号，经数据处理系统处理后获得运动量与时间关系曲线，计算出被校传感器的幅值灵敏度和相移。本发明采用光栅进行角运动量值溯源，解决了光栅动态信号的采集、非线性补偿、信号解调问题。信号质量好、使用方便，测量准确度高，测量值可以直接溯源到时间和角度量。

Description

低频角振动台

技术领域

本发明涉及一种用于校准运动参数传感器的低频角振动台。

背景技术

运动参数传感器在测量前需要校准，采用线振动标准和角振动标准对上述传感器进行校准。校准中运动参数的溯源方法主要分为两种，一种是绝对法，用激光干涉法将运动参数溯源到时间、长度或角度量，准确度较高；另一种是比较法，用经过校准的标准传感器测量运动量值，其优点是成本低、方法简单，但准确度较低。具体方法可参照《测量(Measurement)2000年28卷》文章“激光干涉法进行振动和冲击测量溯源”(H.-J.v.Martens，A.Tubner，W.Wabinski，A.Link，H.-J.Schlaak，“Traceability of vibration and shock measurements bylaser interferometry”，Measurement，28(2000)，pp.3-20.)。激光干涉仪由激光器、光学系统、光电转换系统及信号处理系统等组成。激光干涉法进行运动参数测量的基本原理是：从运动物体表面反射的激光其相位及频率与入射光的相位及频率发生偏移，通过检测这一偏移量值，即可得到相应的运动参数。采用激光干涉法进行运动参数测量的优点是准确度高、频率响应范围宽、与被测目标非接触，缺点是系统复杂、成本较高，当被测运动物体表面不理想时，信噪比低。

目前，使用的角振动台一般为机械轴承，有刷电机，采用相对法校准。测量准确度及分辨率较低、频响范围窄，不能满足需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量准确度高、分辨率低、频响范围宽的低频角振动台。本发明的技术解决方案是，低频角振动台主要包括机械振动台、控制系统、光栅、读数头、光栅信号调理器、数据采集系统及数据处理系统；控制系统控制机械振动台根据被校传感器的特性产生正弦振动，光栅的输出信号经光栅信号调理器后一路送给控制系统进行闭环控制，另一路送给数据采集系统，数据采集系统在采集光栅输出信号的同时采集被校传感器的输出信号，经数据处理系统处理后获得运动量与时间关系曲线，计算出被校传感器的幅值灵敏度和相移。

机械振动台由无刷电机、光栅及空气轴承组成，电机转子与主轴连接，定子安装在转台的壳体上，光栅安装在无刷力矩电机的主轴上并由空气轴承支撑，一个或多个光栅读数头固定在与光栅相对应的机座上。

数据采集系统中的数模转换器(DAC)发出模拟信号，控制机械振动台，模数转换器(ADC)采集光栅和被测传感器的电信号，两路信号使用同一参考时钟。

数据采集系统将光栅和被校传感器输出的电信号转变为数字信号，经数据处理系统处理后获得运动量与时间关系曲线。

光栅输出的信号经光栅信号调理器后为两路相位间隔90°的正弦电压信号时，表示为：

          U_x＝h+acosφ                         (1)

          U_y＝k+bsin(φ-φ₀)                   (2)

式中，h和k-直流分量；a和b-交流分量的幅值；φ₀-两路信号的非正交相位。可通过数据处理软件方式进行非线性补偿，使得

          U_x′＝a′cosφ                       (3)

          U_y′＝a′sinφ                       (4)

光栅测量得到的正交信号的相位可以表示为：

$s\left[n\right]=({\tan }^{-1}\frac{U_y^{\′}\left[n\right]}{U_x^{\′}\left[n\right]}+\mathrm{k\π})---\left(5\right)$

式中，n-采样序列号；k-0，1，2，3，……

光栅的一个栅距的角度为θ时，对应的正交信号相位变化为2π，角位移值可表示为：

$\mathrm{\Φ}\left[\mathrm{n\Δt}\right]=\frac{\mathrm{\θ}}{2\mathrm{\π}}\×s\left[\mathrm{n\Δt}\right]---\left(6\right)$

式中，Δt-ADC采样时间间隔。

由(6)获得每个测量时刻角位移与时间的关系。

本发明采用空气静压轴系，由于气膜产生的均化效应，不仅可获得较高的回转精度，而且摩擦小，运行平稳，具有较高的运动性能；采用无刷永磁电机作为驱动元件，由于该电机无电刷，自身无机械轴承支持，所以可有效减小由于摩擦产生的力矩波动；采用高分辨率的光栅元件作为测量反馈元件，解决了低频角振动的测量与控制问题；采用隔磁、光电隔离、滤波等技术，有效的抑制噪声对测量和控制带来的不利影响；采用数据处理软件方式进行非线性补偿，提高测量精度。可实现对角运动传感器的高准确度绝对法校准。

采用光栅进行角运动量值溯源，解决了光栅动态信号的采集、非线性补偿、信号解调问题。运动参数测量仪克服了采用激光干涉仪系统进行运动参数测量系统复杂、成本较高的缺点，具有信号质量好、使用方便等特点；与其他角振动台相比，具有测量准确度高，测量值可以直接溯源到时间和角度量等优点。

本发明的主要优点如下：

1.采用空气静压轴系，由于气膜产生的均化效应，可得较高的回转精度，运动时摩擦阻力小，运行平稳，具有较高的运动性能。

2.采用无刷永磁电机作为驱动元件，可有效减小由于摩擦产生的力矩波动。

3.采用高分辨率的光栅元件作为测量反馈元件，解决了低频角振动的测量与控制问题。

4.光栅和光栅读数头的准确度可以直接溯源到角度标准，A/D转换器的采样频率可以直接溯源的时间标准，因而最终测量值具有可以直接溯源到时间和角度量，实现绝对法校准。

5.采用多个光栅多个读数头进行测量可以减少光栅的刻划误差、光栅的的安装误差对测量准确度的影响；利用软件对角振动台的非理想运动引入的误差分量进行补偿，从而提高测量精度。

6.与激光干涉法相比，采用光栅+读数头的测量方式由于不依赖与被测运动体表面的对光反射特征，因而信噪比高，且信号质量稳定。

附图说明

图1是本发明系统示意图；

图2是本发明的机械振动台结构示意图；

图3采用多个读数头测量原理图；

图4某型角加速度计幅频特性与相频特性图。

具体实施方式

如图1和2所示，低频角振动台产生可以溯源到国际单位制(SI)标准角位移、角速度和角加速度，用正弦信号对角位移传感器、角速度传感器(陀螺、转速表等)和角加速度计进行幅频和相频特性校准。采用气浮轴系，由于气膜产生的均化效应，不仅可获得较高的回转精度，而且摩擦小，运行平稳。低频角振动台主要包括机械振动台1、光栅2被校传感器3、控制系统4、读数头5、光栅信号调理器6、数据采集系统7及数据处理系统8；控制系统控制机械振动台根据被校传感器的特性产生正弦振动，光栅的输出信号经光栅信号调理器后一路送给控制系统进行闭环控制，另一路送给数据采集系统，数据采集系统在采集光栅输出信号的同时采集被校传感器的输出信号，经数据处理系统处理后获得运动量与时间关系曲线，计算出被校传感器的幅值灵敏度和相移。

电机作为驱动元件，其转子9直接安装在主轴11上，定子10安装在转台1的机座12上。高准确度光栅2安装在旋转主轴11上，主轴11由空气轴承13支撑可360度旋转，读数头5则安装在相对静止的机座12上。台面14开有螺纹孔，用来安装被校传感器3。多通道模数转换器用于采集光栅和被校传感器的电信号。计算机进行信号处理。

数据采集系统中的数模转换器(DAC)发出模拟信号，控制机械振动台，模数转换器(ADC)采集光栅和被测传感器的电信号，两路信号使用同一参考时钟。

数据采集系统将光栅和被校传感器输出的电信号转变为数字信号，经数据处理系统处理后获得运动量与时间关系曲线。

光栅输出的信号经光栅信号调理器后为两路相位间隔90°的正弦电压信号时，表示为：

             U_x＝h+acosφ                       (1)

             U_y＝k+bsin(φ-φ₀)                 (2)

式中，h和k-直流分量；a和b-交流分量的幅值；φ₀-两路信号的非正交相位。可通过数据处理软件方式进行非线性补偿，使得

             U_x′＝a′cosφ                    (3)

             U_y′＝a′sinφ                    (4)

光栅测量得到的正交信号的相位可以表示为：

$s\left[n\right]=({\tan }^{-1}\frac{U_y^{\′}\left[n\right]}{U_x^{\′}\left[n\right]}+\mathrm{k\π})---\left(5\right)$

式中，n-采样序列号；k-0，1，2，3，……

光栅的一个栅距的角度为θ时，对应的正交信号相位变化为2π，角位移值可表示为：

$\mathrm{\Φ}\left[\mathrm{n\Δt}\right]=\frac{\mathrm{\θ}}{2\mathrm{\π}}\×\left[\mathrm{n\Δt}\right]---\left(6\right)$

式中，Δt-ADC采样时间间隔。

由(6)获得每个测量时刻角位移与时间的关系。

对于正弦角振动，公式(6)获得的角位移测量结果可以表示为：

式中， 是角位移幅值，_Φ是角位移的相位，Δt是ADC采样的时间间隔，ω振动的角频率，ω＝2πf，C是常数，n＝0，1，2，…。

对于正弦角运动，角速度和角加速度的幅值和相位可以表示为

$\widehat{\mathrm{\Ω}}=2\mathrm{\πf}\×\widehat{\mathrm{\Φ}},$ _Ω＝_Φ-π/2                 (8)

$\widehat{\mathrm{\α}}={\left(2\mathrm{\πf}\right)}^2\×\widehat{\mathrm{\Φ}},$ _α＝_Φ-π                   (9)

式中，f是振动频率，

和_Ω是角速度的幅值和相位， 和_α是角加速度的幅值和相位。

ADC采集到的被校传感器输出电压可以表示为

式中，

是电压幅值，_H是传感器输出电压的相位，C_H是常数。

在(7)和(10)中，角位移的幅值和相位以及被校传感器输出电压的幅值和相位 _Φ，

_H可以采用两种方法进行计算，一种是正弦逼近法，采用最小二乘法进行计算；另一种方法是快速傅立叶变换法，具体实现可参照国家计量检定规程JJG624-2006以及国际标准ISO16063-11。

被校传感器的幅值灵敏度可表示为

$S_{\mathrm{\η}}=\frac{U}{\mathrm{\ϵ}}---\left(11\right)$

式中，ε为角运动量的幅值，视被校传感器的类型可以分别为角位移、角速度和角加速度的幅值。

被校传感器的相移可表示为

                Δ＝_τ-_H              (12)

式中，_τ为角运动量的相位，视被校传感器的类型可以分别为角位移、角速度和角加速度的相位。

校准某型角加速度计实例：

将被校角加速度计安装在台面上，按要求给角加速度计供电，将其输出信号接到数采卡上；启动低频角振动台，在不同频率下给角加速度计施加一定幅值的正弦角加速度激励，同时测量角振动台光栅输出信号和角加速度计的输出信号，经过解调处理，得到该型角加速度计的幅频特性和相移特性，如图4示。

Claims (6)

1.一种低频角振动台，其特征在于：它主要包括机械振动台、控制系统、光栅、读数头、光栅信号调理器、数据采集系统及数据处理系统；控制系统控制机械振动台根据被校传感器的特性产生正弦振动，光栅的输出信号经光栅信号调理器后一路送给控制系统进行闭环控制，另一路送给数据采集系统，数据采集系统在采集光栅输出信号的同时采集被校传感器的输出信号，经数据处理系统处理后获得运动量与时间关系曲线，计算出被校传感器的幅值灵敏度和相移。

2.根据权利要求1所述的低频角振动台，其特征在于：机械振动台由无刷电机、光栅及空气轴承组成，电机转子与主轴连接，定子安装在转台的壳体上，光栅安装在主轴上并由空气轴承支撑，光栅读数头固定在与光栅相对应的机座上。。

3.根据权利要求1所述的低频角振动台，其特征在于：数据采集系统中的数模转换器发出模拟信号，控制机械振动台，模数转换器采集光栅和被测传感器的电信号，两路信号使用同一参考时钟。

4.根据权利要求1所述的低频角振动台，其特征在于：数据采集系统将光栅和被校传感器输出的电信号转变为数字信号，经数据处理系统处理后获得运动量与时间关系曲线。

5.根据权利要求2所述的低频角振动台，其特性在于：光栅读数头为一个或一组。

6.根据权利要求4所述的低频角振动台，其特性在于：光栅输出的信号经光栅信号调理器后为两路相位间隔90°的正弦电压信号时，表示为：

             U_x＝h+acosφ

             U_y＝k+bsin(φ-φ₀)

通过数据处理软件方式进行非线性补偿，使得

$U_x^{\′}=a^{\′}\cos \mathrm{\φ}$

$U_y^{\′}=a^{\′}\sin \mathrm{\φ}$

光栅测量得到的正交信号的相位表示为：

$s\left[n\right]=({\tan }^{-1}\frac{U_y^{\′}\left[n\right]}{U_x^{\′}\left[n\right]}+\mathrm{k\π})$

当光栅的一个栅距的角度为θ时，对应的正交信号相位变化为2π，角位移值表示为：

$\mathrm{\Φ}\left[\mathrm{n\Δt}\right]=\frac{\mathrm{\θ}}{2\mathrm{\π}}\×s\left[\mathrm{n\Δt}\right]$

获得每个测量时刻角位移与时间的关系。

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