基于两端励磁矩形闭合双磁路的低频振动绝对校准技术

发布时间：2020-06-28 04:21

【摘要】：0.1Hz~20Hz低频振动绝对校准是振动计量的重要组成部分,采用稳态正弦振动对低频振动传感器进行激励,采用激光干涉测振方法对低频振动进行测量,获得传感器在0.1Hz~20Hz频率范围内的灵敏度,由此将振动测量结果溯源到激光波长基准。以石英挠性加速度计、地震计为代表的低频振动传感器广泛应用于航空与航天设备振动监控、精密隔微振和地震预报与预警等领域,这些传感器灵敏度的高精度校准对保持航天器姿态平稳、保证空间相机成像清晰、降低隔振器固有频率以及地震烈度速报与预警等具有重要意义。现有的低频振动绝对校准技术存在以下主要问题:1)频率降低至接近0.1Hz时,所需标准振动信号的振幅要求达到1米以上,而现有技术中,随着电磁振动台行程增加,气隙中磁场分布的不均匀性问题变得十分严重,导致稳态正弦振动的谐波失真愈加严重,进而导致振动位移、加速度响应信号谐波失真严重,是影响校准结果的一个关键因素;2)频率增加至接近20Hz时,标准振动信号的振幅降至微米量级,在零差正交激光干涉测振过程中,分光器件分光特性不理想,导致非正交相移误差对波片光轴角度误差存在较大的灵敏度,由此引入的非线性误差严重,影响振动位移测量精度,是影响校准结果的另一关键因素。本论文旨在针对上述问题,探索超大振幅和低加速度波形失真度的稳态正弦振动发生方法和高精度激光干涉测振方法,以期在振幅、加速度波形失真度、非线性误差和测量不确定度等关键技术指标上有所突破,达到提高校准精度的目的。本文主要研究内容如下:针对现有稳态正弦振动发生方法中,气隙中磁场分布不均匀性随着气隙长度的增加愈加严重,进而导致超大振幅的稳态正弦振动存在严重的谐波失真的问题,提出一种基于两端励磁矩形闭合双磁路的稳态正弦振动发生方法。分析了造成稳态正弦低频振动波形失真的最主要因素为气隙中磁场分布的不均匀性和弹性支撑结构刚度的非线性;采用矩形高性能NdFeB永磁体和矩形磁轭构建永磁体位于中心磁轭两端的闭合双磁路,采用真空退火和磨削手段,使矩形磁轭兼顾高磁导率和高加工精度,从而在长气隙中获得了均匀的磁场分布;建立了集总参数等效磁路模型,采用迭代方法对气隙中磁场分布进行解析求解;并构建了基于位移反馈的主动正刚度弹性支撑结构,其在大行程运动范围内表现出恒定刚度特性;该方法实现了超大振幅稳态正弦低频振动,同时降低了加速度波形失真度。针对现有零差正交激光干涉测振方法中波片光轴的角度误差引入非线性误差严重,影响振动位移测量精度,进而影响校准精度的问题,提出一种基于消偏振分光和波片偏航的零差正交激光干涉测振方法。以实验方法对分光镜分光特性进行了测试与分析,并以此为基础,对现有零差正交激光干涉测振方法中波片的非正交误差灵敏度进行了理论分析;通过消偏振分光产生参考光和测量光,抑制了光路的偏振混叠;理论分析了波片偏航对相位延迟的影响,通过调整测量臂与参考臂中波片的偏航角度,补偿了消偏振分光镜的相移误差。该方法可使非正交相移误差为零、非正交相移误差对波片光轴角度旋转的灵敏度也为零,有效消除了因机械漂移、波片光轴安装误差等引入的非线性误差,解决了小振幅振动时纳米量级非线性误差严重影响校准精度的问题。针对通过连续条纹相位解调算法重建振动位移时,需对由零差正交激光干涉测振方法调制的高频载波信号进行过采样,从而导致数据量大、数据处理耗时长的问题,提出一种基于运动参量估计的相位解调算法。深入分析了连续条纹相位解调算法的原理,理论验证了欠采样重建振动位移的可行性;建立了基于运动参量估计的相位解调算法数学模型,根据前序运动参量估计当前采样时刻的位移,结合当前采样时刻的相位修正估计值,实现相位解调;在此基础上,详细阐述了基于速度估计、速度与加速度复合估计的相位解调算法流程。该算法与调制的高频载波信号无关,可直接重建振动位移,显著地降低了数据采样率,减少了数据量和数据处理时间。最后,成功研制了低频振动绝对校准系统,对关键技术指标进行了实验与分析,并对测量结果进行了不确定度评定。实验结果表明,零差正交激光干涉测振方法的非线性误差为0.1nm;在1.4m长气隙中磁场分布不均匀度小于0.12%;1.2m满行程振动的位移波形失真度为0.05%;在0.1Hz~20Hz频率范围内,加速度波形失真度优于1.2%;在0.1Hz和20Hz参考频率点处,振动传感器灵敏度幅值测量的相对扩展不确定度分别为0.12%和0.04%(k=2)。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP212;O441.2;O32
【图文】：

016年CCAUV.V-K3比对结果

绝对校准,测振法,激光干涉,系统组成

动绝对校准系统一般采用百毫米以上行程的振动台对低频振动传感器进行激励，采用零差激光干涉测振方法复现和传递加速度量值。图1-2 采用激光干涉测振法的振动绝对校准系统组成[34]Fig. 1-2 System components of primary vibration calibration by laser interferometry[34]依据国家标准 GB/T 13823.1—2005，振动传感器的加速度复灵敏度 S 为 u aia S Se (1-1)

【参考文献】