振動(dòng)傳感器溫度靈敏度校準(zhǔn)裝置的振動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

戴宜霖 楊曉偉 朱 剛

（北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100076）

1 引言

振動(dòng)傳感器的輸出靈敏度一般與溫度相關(guān)，即隨著溫度的變化，輸出靈敏度會(huì)產(chǎn)生改變。為了保證振動(dòng)測(cè)量的準(zhǔn)確性，對(duì)應(yīng)用于不同溫度下的振動(dòng)傳感器，需要在相應(yīng)工作的溫度下對(duì)其輸出靈敏度進(jìn)行校準(zhǔn)。北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所自上世紀(jì)九十年代開(kāi)始進(jìn)行振動(dòng)傳感器溫度特性相關(guān)校準(zhǔn)方法的研究，截至目前，已經(jīng)建立了完整的基于絕對(duì)法和比較法的振動(dòng)傳感器溫度靈敏度溯源體系和校準(zhǔn)裝置，并于2019年完成了相關(guān)校準(zhǔn)方法的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定。

使用振動(dòng)傳感器溫度靈敏度校準(zhǔn)裝置進(jìn)行校準(zhǔn)，一般采用絕對(duì)法和比較法，其基本原理為：使用激光測(cè)振儀或參考加速度計(jì)作為主標(biāo)準(zhǔn)器，高低溫試驗(yàn)箱提供可控的環(huán)境溫度，標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)。由于參考加速度計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)的工作性能均受到溫度的影響，應(yīng)將它們放置于溫度試驗(yàn)箱之外，這就需要設(shè)計(jì)一種振動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)，將標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)信號(hào)傳遞到溫度試驗(yàn)箱內(nèi)，使被校振動(dòng)傳感器受到振動(dòng)和溫度兩個(gè)量的同時(shí)作用。典型的被校高低溫振動(dòng)傳感器安裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高低溫振動(dòng)傳感器校準(zhǔn)安裝結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of vibraion calibration system for fixed temperature calibrataion

用于溫度靈敏度校準(zhǔn)的振動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)需滿足以下特征：（1）具有較高的剛度，能夠確保整個(gè)振動(dòng)信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)達(dá)到較高的頻率范圍；（2）具有較好的溫度特性，在高溫下的剛度特性不變；（3）導(dǎo)熱率低，確保溫度試驗(yàn)箱之內(nèi)的溫度不影響溫度試驗(yàn)箱外的參考加速度計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)；（4）質(zhì)量輕，在固定推力的振動(dòng)激勵(lì)下達(dá)到較高的振動(dòng)加速度。

本文介紹了一種微晶云母陶瓷作為材料的振動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)，并對(duì)傳遞機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)其模態(tài)特性進(jìn)行了分析和測(cè)試，并對(duì)其溫度傳遞特性以及高溫振動(dòng)傳遞特性進(jìn)行了測(cè)試。

2 振動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

振動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)采用微晶云母可加工陶瓷材料，這種材料是由合成氟金云母微晶和玻璃相組成的一種復(fù)合多晶材料，由于氟金云母較好的解理性，具有良好的機(jī)械可加工性能，可進(jìn)行車、銑、刨、磨、鉆、切割、攻絲等各項(xiàng)加工并達(dá)到較高的精度，且無(wú)需熱處理。該材料絕緣性能優(yōu)異，無(wú)孔隙，耐高溫、低溫，耐熱沖擊，不放氣，在高低溫、核能以及強(qiáng)度腐蝕環(huán)境的結(jié)構(gòu)部件等方面都得到廣泛的應(yīng)用。微晶云母陶瓷材料的主要材料特性如表1所示，其質(zhì)量、剛度、導(dǎo)熱率等技術(shù)指標(biāo)均較為優(yōu)良。

表1 微晶云母陶瓷材料特性Tab.1 Physical properties of mica ceramics

用微晶云母可加工陶瓷材料設(shè)計(jì)的振動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)，如圖2所示，陶瓷桿設(shè)計(jì)為中空的結(jié)構(gòu)，中空結(jié)構(gòu)對(duì)振動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)的影響總結(jié)為二點(diǎn)：

圖2 云母陶瓷振動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Design of vibration transfer structure

（1）降低導(dǎo)熱率：云母陶瓷導(dǎo)熱率約為1.7W/（m·K）；而在一個(gè)大氣壓下，封閉狀態(tài)下的空氣導(dǎo)熱率約為0.025W/（m·K），其導(dǎo)熱率大大低于陶瓷材料的導(dǎo)熱率。因此，使用中空結(jié)構(gòu)可以極大降低熱傳遞，減小溫度對(duì)參考加速度計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)等部件的影響。

3 振動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)的模態(tài)分析與諧振測(cè)試

為了確定振動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)是否滿足測(cè)試，需要對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析和諧振測(cè)試。根據(jù)云母陶瓷的材料特性及傳遞機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并計(jì)算其諧振頻率，如圖3所示。機(jī)構(gòu)的橫向諧振頻率為1920Hz，縱向諧振頻率為6223Hz，其余諧振為平移、扭轉(zhuǎn)等，對(duì)高低溫振動(dòng)傳感器靈敏度校準(zhǔn)結(jié)果的影響可以忽略不計(jì)。

圖3 振動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)的橫向和縱向模態(tài)分析結(jié)果Fig.3 Model analysis result of vibration transfer structure

在進(jìn)行模態(tài)分析的同時(shí)，需對(duì)振動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)的縱向諧振頻率進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)如圖4所示，振動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)的頂端采用激光測(cè)振儀測(cè)量振動(dòng)，底端安裝振動(dòng)傳感器，測(cè)量二者之間的傳遞函數(shù)，為振動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)的縱向諧振頻率。如圖5所示，縱向諧振頻率為6364Hz，與模態(tài)分析得出的6223Hz 接近。按照?qǐng)D6 在振動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)的頂端安裝三向振動(dòng)傳感器，測(cè)量其橫向振動(dòng)比。結(jié)果如圖7所示，橫向諧振頻率約為1880Hz，與模態(tài)分析得出的1920Hz 接近。

圖4 機(jī)構(gòu)的縱向諧振頻率測(cè)試系統(tǒng)圖Fig.4 Testing system of longitudinal resonance frequency of the structure

圖5 機(jī)構(gòu)的縱向諧振頻率測(cè)試圖Fig.5 Longitudinal resonance frequency of the structure

圖6 機(jī)構(gòu)的橫向諧振頻率測(cè)試安裝圖Fig.6 Testing system of transform resonance frequency of the structure

圖7 機(jī)構(gòu)的橫向諧振頻率測(cè)試圖Fig.7 Transform resonance frequency of the structure

4 振動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)的溫度傳遞特性測(cè)試

為了驗(yàn)證參考加速度計(jì)所在位置的溫度不受高低溫試驗(yàn)箱溫度變化的影響，在升溫和降溫過(guò)程中分別測(cè)量振動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)上不同點(diǎn)及參考加速度計(jì)表面的溫度，測(cè)點(diǎn)分布如圖8所示。

圖8 陶瓷桿溫度測(cè)量點(diǎn)分布Fig.8 Temperature test points of ceramics rod

20℃～200℃升溫過(guò)程中不同測(cè)點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)圖如圖9所示。

圖9 20℃～200℃不同測(cè)點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)Fig.9 Temperature change of the three points from 20℃to 200℃

200℃～500℃升溫過(guò)程中不同測(cè)點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)圖如圖10所示。

圖10 200℃～500℃不同測(cè)點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)Fig.10 Temperature change of the three points from 200℃to 500℃

500℃～800℃升溫過(guò)程中不同測(cè)點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)圖如圖11所示。

圖11 500℃～800℃不同測(cè)點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)Fig.11 Temperature change of the three points from 500℃to 800℃

20℃～-50℃降溫過(guò)程中不同測(cè)點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)圖如圖12所示。

圖12 20℃～-50℃不同測(cè)點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)Fig.12 Temperature change of the three points from 20℃to -50℃

-50℃～-120℃降溫過(guò)程中不同測(cè)點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)圖如圖13所示。

圖13 -50℃～-120℃不同測(cè)點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)Fig.13 Temperature change of the three points from-50℃to -120℃

-120℃～-190℃降溫過(guò)程中不同測(cè)點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)圖如圖14所示。

圖14 -120℃～-190℃不同測(cè)點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)Fig.14 Temperature change of the three points from-120℃to -190℃

由此可見(jiàn)，在升降溫過(guò)程中，參考加速度計(jì)處的溫度變化范圍約為5℃～40℃之間，在這一溫度變化范圍之內(nèi)，對(duì)參考加速度計(jì)的溫度變化影響小于0.5%，可以將這一參考靈敏度的偏差作為比較法校準(zhǔn)的測(cè)量不確定度分量進(jìn)行分析。

5 高溫振動(dòng)傳遞特性分析

由于振動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)的陶瓷材料為微晶云母陶瓷，受到溫度的影響，陶瓷材料在高溫狀態(tài)下的彈性模量會(huì)發(fā)生變化，因此需要測(cè)量不同溫度下，傳遞機(jī)構(gòu)的傳遞特性變化情況，作為評(píng)估溫度對(duì)比較法校準(zhǔn)結(jié)果影響量的依據(jù)。

按照?qǐng)D4所示構(gòu)建測(cè)量系統(tǒng)，使用激光測(cè)振儀測(cè)量陶瓷桿表面振動(dòng)與底端的參考加速度計(jì)輸出之間的比例關(guān)系，如表2所示，可以確定不同溫度對(duì)于陶瓷桿振動(dòng)傳遞性能的影響，若監(jiān)測(cè)得到參考加速度計(jì)處的溫度發(fā)生變化，應(yīng)使用該溫度下的參考加速度計(jì)靈敏度。

由表2 可見(jiàn)，在20℃，200℃，500℃和800℃的溫度下，激光測(cè)振儀與參考加速度計(jì)的測(cè)量結(jié)果比例關(guān)系并未發(fā)生顯著變化，最大變化約為0.2%，由此證明了在800℃范圍以內(nèi)，傳遞機(jī)構(gòu)的剛度等物理特性基本未發(fā)生變化。

表2 不同溫度和頻率下的振動(dòng)傳遞關(guān)系Tab.2 Ration of vibration transform for different temperature an frequency

6 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種用于振動(dòng)傳感器溫度靈敏度校準(zhǔn)裝置的振動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)，并從材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到模態(tài)分析和測(cè)試、溫度傳遞特性測(cè)試等多個(gè)方面對(duì)傳遞機(jī)構(gòu)的力學(xué)和溫度特性進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。結(jié)果表明，微晶云母可加工陶瓷質(zhì)量輕、剛度高、導(dǎo)熱率低，作為振動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)的材料能夠滿足寬溫度范圍內(nèi)的振動(dòng)傳遞的要求，同時(shí)可以起到隔熱的作用，對(duì)溫度試驗(yàn)箱外的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備的影響極小。采用微晶云母陶瓷材料的振動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)具有較好的剛度和隔熱特性，能夠滿足振動(dòng)傳感器溫度靈敏度的校準(zhǔn)要求。