激光位移傳感器動態幅值校準研究

李杰，陶強，王蘇波，張部聲

（天津航天瑞萊科技有限公司，上海 201100）

引言

基于三角測量法的激光位移傳感器，適用于高精度、短距離的測量[1-3]。首先，通過其上安裝的激光發射器將激光射向被測物體表面，讓物體表面散射或鏡面反射；然后，再由其內部安裝的接收器接收信息；最后數字處理器可通過幾何關系計算出激光位移傳感器與被測物體之間的距離。根據這一特性，激光位移傳感器可應用于振動信號的測量。

目前，針對激光位移傳感器的計量，主要參照中華人民共和國國家計量技術規范JJF 1663《激光測微儀校準規范》[4]，但標準校準的項目為重復性、漂移和示值誤差，且示值誤差僅為靜態誤差。而如果參照中華人民共和國國家計量檢定規程JJG 644《振動位移傳感器檢定規程》中的方法進行計量時[5]，由于采用標準振動臺作為振動激勵源，其最大加速度（一般為100 g 或50 g）遠無法滿足高頻下的位移振幅校準。例如，如果頻率為1 000 Hz，位移振幅為0.5 mm 時，對應需要的加速度為1 974 g。

針對激光位移傳感器幅值校準問題，本文提出了一種激光位移傳感器動態幅值校準的方法。通過激光測振儀對激光位移傳感器進行動態幅值的校準，利用幅值誤差、幅值頻率響應和諧波失真度作為評價指標，并設計標準件對所提出的方法進行驗證研究，以此證明所提出方法的有效性。

1 校準原理

激光測振儀基于激光多普勒效應和激光干涉等來實現對物體位移、速度以及加速度等信息的精確測量，具有測量精度高、動態響應快、測量范圍大、抗電磁干擾等諸多優點[6-7]。在多普勒效應中，接收器接收某一波源發出的頻率，當該波源向接收器移動時，波長逐漸縮小，頻率會逐漸升高；相反，當波源遠離接收器移動時，波長增大，頻率就會降低[8]。 將多普勒效應應用在振動測量中，以振動物體表面的反射光為波源[9]，在某一固定位置設置接收器，當物體發生振動，波源與接收器的相對位置就會發生變化，接收器接收到的波源頻率也會發生變化，依據頻率的變化可以獲得振動信息[10]。目前激光測振儀在國內可通過JJF 1219-2009《激光測振儀校準規范》[11]進行溯源。

同時，利用電磁振動臺激勵標準結構件在共振頻率下產生位移振幅，一般可實現毫米級位移，可作為校準系統中的振動源。

2 校準方案設計

2.1 校準裝置設計

本校準裝置由電磁振動臺、標準結構件、標準結構件夾具、激光測振儀、激光位移傳感器安裝架、待校準激光位移傳感器等組成，其校準裝置的整體示意圖如圖1 所示。

圖1 校準裝置的整體示意圖

2.2 標準結構件設計

高頻動態位移的標準物設計采用懸臂梁結構，根據懸臂梁的厚度，長度，材料密度和彈性模量E 進行設計，其第1 階彎曲模態頻率計算可參考如下計算公式，同時通過有限元方法進行模態分析驗證。

典型的設計參數見表1。長度為50 mm 的標準結構件的模態仿真結果見圖2。

表1 標準物的設計尺寸

圖2 第一階模態振型云圖

由表1 和圖2 可知，第一階彎曲模態頻率的理論計算結果和仿真結果吻合性較高，可根據所要校準的頻率，按照理論計算方法進行校準標準物的設計。

2.3 校準評價指標

1）幅值誤差的校準

在參考頻率和參考位移條件下確定被校傳感器的幅值誤差。被校傳感器的位移輸出值與參考位移的相對誤差，即為幅值誤差。參考頻率可按照實際測量位移信號的頻率，如無特殊要求，可選擇為1 000 Hz、1 500 Hz 和2 000 Hz。參考位移應至少選擇實際測量位移信號的幅值最小值，最大值和中間值，如無特殊要求，可選擇為0.1 mm，0.5 mm 和1 mm，但應滿足頻率按100 Hz 的頻率間隔（100 Hz，500 Hz，1 000 Hz，1 500 Hz，2 000 Hz，2 500 Hz，…）序列選取。振動標準結構的實測第一階共振頻率應處于上述頻率的±5 %的范圍內。位移值按0.1 mm 的位移值間隔（0.1 mm，0.2 mm，0.3 mm，0.4 mm，0.5 mm，…）序列選取。振動標準結構的最大應力應不大于其所用材料屈服強度的40 %。

其中，被校傳感器的幅值誤差按下式計算：

式中：

D1—參考位移，單位為mm；

D2—被校傳感器的位移輸出值，單位為mm。

2）幅值頻率響應的校準

在參考頻率和適當位移條件下，采用逐點法進行校準。在工作頻率范圍內，為保持所用評價指標對應關系的一致性，可選擇1 000 Hz、1 500 Hz 和2 000 Hz 進行校準，并用式（2）計算不同頻率下的幅值誤差。

3）諧波失真度的校準

在參考頻率和適當位移條件下校準諧波失真度，可選擇1 000 Hz、1 500 Hz 和2 000 Hz 進行校準，其位移同樣為滿足研究指標的前后一致性，優先為0.2 mm。動態信號分析儀采用平頂窗函數，線性幅值。用分析儀測量規定頻率下的幅值及至少五倍的諧波幅值，并用式（3）來計算諧波失真度。

式中：

A1，—被校傳感器的基波幅值，單位為mm；

A2，A3，A4，A5—基波的二次、三次、四次、五次等諧波幅值。

3 校準實例

針對工程實際應用的某型號激光位移傳感器開展了校準，設計了第一階模態頻率分別為1 001.0 Hz，1 493.5 Hz、1 974.5 Hz 和2 473.1 Hz 的標準結構件。保證激光測振儀和待校準激光位移傳感器的激光點分別位于標準結構件的正方面對應的同一位置。以激光測振儀的位移信號作為振動控制量，采用共振駐留方法激勵標準結構件在共振頻率下振動。校準狀態如圖3所示。

校準項目包括幅值偏差，頻率響應和諧波失真度，結果如圖4~5 和表2 所示。

表2 諧波失真度

圖4 幅值偏差圖

由圖4 中的幅值偏差結果可知，待校準激光位移傳感器在前3 個頻率下的線性度較好，最大的幅值偏差為-2.20 %，但在2 437.1 Hz 的校準狀態下，幅值偏差為（-2.19~-34.31）%。

由圖5 中的幅值靈敏度頻響圖可知，待校準激光位移傳感器的幅值靈敏度偏差在2 000 Hz 以下時維持在±3 %以下，在2 000 Hz以上時，則快速增大。

圖5 幅值靈敏度頻響擬合曲線圖

由表2 可知，待校準激光位移傳感器在1001.0 Hz 和1 974.5 Hz的校準狀態下，諧波失真度較小，且不大于2 %；在1 493.5 Hz 和2 437.1 Hz 的校準狀態下，諧波失真度較大，分別為18.86 % 和53.83 %。

4 結論

通過激光位移傳感器動態幅值校準裝置的研制，以及校準工作的開展和分析，可得：

1）所設計的校準裝置可實現激光位移傳感器的幅值偏差，頻率響應和諧波失真度校準；

2）通過所提出的校準評價指標，可準確評價激光位移傳感器校準的適用范圍。

綜上所述，本文所提出的一種激光位移傳感器動態幅值校準方法，適用于激光位移傳感器的動態幅值校準，具有一定的實踐意義。