角運動傳感器靈敏度的動態(角沖擊)校準

孫豐甲，彭軍，何群，郭建麟

(中航工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095)

0 引言

隨著角運動傳感器(角位移傳感器、角速度陀螺及角加速度計)在航空、航天、兵器、汽車、機械制造等領域中的廣泛應用，角運動傳感器的動態特性對整個系統的動態響應及系統精度有著十分重要的影響［1-2］，因此對角運動傳感器的動態特性的校準是保證數據準確可靠的基礎環節。

目前國內外在對傳感器動態特性校準中，基本都是采用正弦激勵方式對傳感器的幅頻特性及相頻特性進行校準［3-4］，例如:俄羅斯、德國聯邦(PTB)、美國及中國都建立了自己的正弦角振動實驗設備［5-8］。我所在已完成的正弦角振動標準基礎上，利用高精度空氣軸承，通過振動控制、光柵測量及數據采集等系統實現了對角運動傳感器的角沖擊動態校準，該裝置可以產生半正弦的沖擊波形，實現對角運動傳感器在不同脈沖寬度及不同沖擊幅值下的動態響應進行校準，來保證角運動傳感器靈敏度在角沖擊條件下的量值準確可靠。

1 標準裝置組成及原理

動態角加速度標準裝置如圖1、圖2所示，主要由標準轉臺、振動控制系統、光柵測量系統、數據采集及處理系統組成。

圖1 動態角加速度標準裝置實物圖

標準轉臺結構上采用氣浮軸系，不僅可以得到較高的回轉精度，而且摩擦小，運行平穩，具有較高的運動性能，將整個測量裝置置于隔振地基上，安裝被校傳感器的臺面選擇大理石材料，來降低電磁干擾的影響。

圖2 動態角加速度標準裝置組成圖

振動控制系統用于發生半正弦角沖擊信號來激勵標準轉臺產生角沖擊運動，采用高分辨力的光柵作為測量單元，數據采集及處理系統以PXI 總線系統為核心，實現對標準裝置輸出的標準信號與被校傳感器的輸出信號的同步采集，得到標準信號峰值μ 與傳感器輸出電信號峰值ν，進而得到被校傳感器靈敏度δ=ν/μ，圖3 為時域微分方法處理沖擊加速度信號流程圖。

圖3 時域微分方法處理沖擊加速度信號流程圖

2 實驗過程及結果

分別選取JY-01 型角加速度傳感器和VG949P 型角速度傳感器為被校對象，依據JJF 1453-2014《角運動傳感器(角沖擊絕對法)校準規范》，對傳感器的參考靈敏度及重復性和靈敏度非線性度進行校準，圖4為振動控制系統輸出的半正弦沖擊激勵信號，圖5 為傳感器角沖擊校準的實測波形。

圖4 半正弦角沖擊信號

2.1 角加速度傳感器角沖擊校準

將JY-01 型角加速度傳感器剛性安裝在標準轉臺的臺面上，使傳感器敏感軸與轉臺軸線平行，按被校傳感器要求進行預熱與通電，標準裝置進入角加速度控制模式。進行參考靈敏度及重復性校準時選擇半正弦角沖擊脈沖寬度為10 ms 作為參考點，在角加速度傳感器測量范圍內將標準轉臺的脈沖幅值控制在8500(°)/s2，在此參考點下對角加速度傳感器進行10 次重復角沖擊，同時記錄下標準輸出與傳感器輸出，校準數據見表1。

圖5 角沖擊校準實測波形

表1 JY-01 型角加速度傳感器參考靈敏度校準數據

計算10 次靈敏度的平均值和實驗標準偏差，得到角加速度傳感器的參考靈敏度((°)·s-2)，參考靈敏度重復性0.002 mV/((°)·s-2)，其中n=10。

對JY-01 型角加速度傳感器靈敏度非線性度校準時，選擇半正弦角沖擊脈沖寬度為10 ms，將標準轉臺的脈沖幅值控制在角加速度傳感器測量范圍內，并選擇10 個測量點，同時記錄下標準輸出與傳感器輸出，校準數據見表2。

表2 JY-01 型角加速度傳感器靈敏度非線性度校準數據

依據JJF 1453-2014 中7.2.2.3 數據處理方法得到傳感器角沖擊靈敏度非線性度為0.8%。

2.2 角速度傳感器角沖擊校準

將VG949 型角速度傳感器剛性安裝在標準轉臺的臺面上，使傳感器敏感軸與轉臺軸線平行，按被校傳感器要求進行預熱與通電，標準裝置進入角速度控制模式。進行參考靈敏度及重復性校準時選擇半正弦角沖擊脈沖寬度為80 ms 作為參考點，在角速度傳感器測量范圍內將標準轉臺的脈沖幅值控制在27(°)/s，在此參考點下對角速度傳感器進行10 次重復角沖擊，同時記錄下標準輸出與傳感器輸出，校準數據見表3。

表3 VG949 型角速度傳感器參考靈敏度實驗數據

計算10 次靈敏度的平均值和實驗標準偏差，得到角加速度傳感器的參考靈敏度s-1)，參考靈敏度重復性s=0.011 mV/((°)·s-1)。

對VG949 型角速度傳感器靈敏度非線性度校準時，選擇半正弦角沖擊脈沖寬度為30 ms，將標準轉臺的脈沖幅值控制在角加速度傳感器測量范圍內，并選擇10個測量點，同時記錄下標準輸出與傳感器輸出，校準數據見表4。

表4 VG949 型角速度傳感器靈敏度非線性度校準數據

依據JJF 1453-2014 中7.2.2.3 數據處理方法得到傳感器角沖擊靈敏度非線性度為0.4%。

3 結論

通過對角加速度傳感器和角速度傳感器在角沖擊條件下的靈敏度校準結果進行分析，可以得出在參考點時靈敏度具有較好的重復性，并可以得到角運動傳感器在角沖擊條件下傳感器靈敏度非線性度，對角運動傳感器性能研究和實際應用有著非常大的意義。

本實驗室現有的動態角加速度標準裝置能產生可控的角沖擊運動，可對角運動傳感器的靈敏度進行動態(角沖擊)校準，且準確可靠。

［1］彭軍，何群，孫豐甲.動態角運動校準技術綜述［J］.計測技術，2008，28(5):1-4.

［2］吳校生，陳文元.角加速度計發展綜述［J］.中國慣性技術學報，2007，15(04):458-463.

［3］楊雪松，李長春，母東杰，等.正弦激勵法在傳感器校準中的新應用［J］.傳感器，2014，33(7):154-160.

［4］范錦彪，祖靜，林祖森，等.高g 值加速度傳感器激光絕對法沖擊校準技術研究［J］.振動與沖擊，2012，31(11):149-153.

［5］薛景鋒，彭軍，李新良，等.角振動校準裝置研究［J］.航空學報，2014，31:1-8.

［6］國防科學技術工業委員會GJB/J 6205-2008 角振動傳感器校準規范［S］.北京:國防科工委軍標出版發行部，2008.

［7］ISO16063-15 Primary angular vibration calibration by laser interferometry［S］.

［8］Taubner A，Martens HJ.Measurement of angular accelerations angular velocities and rotational angles by grating interferometry［J］.Measurement，1998，(24):21-32.