论文部分内容阅读
摘 要：标准角振动台是角振动校准装置中的关键设备，对角振动台的校准是角振动量值溯源中的重要环节，本文通过实例探索性研究了角振动台的校准方法，为国家角振动量值溯源体系的完善提供了依据。
关键词：角振动台；校准方法
基金项目：GF技术基础科研项目（J052001B003）
随着我国工业技术的迅速发展，人们对陀螺、角加速度计和倾角传感器等角运动传感器动态特性的校准需求越来越多，而合格的标准角振动台是校准的必备的条件。标准角振动臺在国内的研究与应用开展时间较晚，还没有可依据的校准规范，笔者结合对标准角振动校准装置研制与校准的实践经验，谈几点标准角振动台校准的体会。
1. 标准角振动台的分类：
标准角振动台按驱动原理一般分为两种，一种是电动式角振动台，另一种是基于无刷电动机的角振动台（以下简称电机式角振动台）。前者是由带电载体（绕制动圈的导线）切割磁场时产生的洛仑兹力激发动态扭矩，驱动装有被校角振动传感器的测量台面实现角振动，与产生直线振动的一般电动振动动台原理相似。由于受设计结构限制，最大转动角度有限制，工作频率能从几赫兹到1000Hz以上；后者采用商用电动机设计和制造，但是需要采用空气轴承作为回转支撑以降低机械摩擦产生的加速度失真。由于采用直流无刷力矩电机结构，工作角度可以360度回转，没有最大幅值限制，但是受电气时间常数的制约其工作频率上限一般100Hz左右，工作频率下限与控制方法及系统噪声有关，一般到0.5Hz左右。
2. 校准项目：
国际标准ISO 16063-15 第4.3.1款对“功率放大器和角振动激励器组合的特性”提出4点要求，但是没有给出校准方法：
a）.总谐波失真：不超过2%，在采用正弦逼近法时允许有较大的谐波失真度。
b）.横向和摇摆角加速度：对于采用角锥棱镜反射的A型干涉仪要求在最小角位移时横向运动应小于切向运动的1%；对于采用衍射光栅的B型激光干涉仪，最大横向位移（包括偏心距）不应超过2μm，这点可以通过采用高精度回转空气轴承来保证。
c）.交流声及噪声：满量程输出时大于70dB。
d）.角加速度幅值稳定性：测量期间不超过读数的±0.05%。
此外，对于台面较大的角振动台可以利用光纤陀螺测量台面角速度均匀度。
首次校准时，我们需要了解角振动台更全面的信息，这时需要校准角振动台的扭振谐振频率、最大角加速度、角速度和角位移。
电机式角振动台可以作360度回转，其轴回转误差、台面端跳和台面平面度可以参考JJF1210-2008低速转台校准规范进行校准，但是如果它采用了高精度回转空气轴承，这几项可以省略。
3. 校准方法
下面我以某电动式角振动台为例，介绍一下角振动台的校准方法及注意事项。
3.1 总谐波失真和最大角加速度幅值的校准
首先要在角振动台工作频率范围内按倍频程选取不少于10个频率点（包含上下限频率），然后将加速度计通过夹具水平沿切线方向安装在台面上。这里注意加速度计的选用不能给系统惯量带来太大的影响，并且安装时要配重平衡，如图1所示，这里选择质量只有4.6g的7259B型加速度计，各频率点下使角振动台产生最大角加速度，然后使用动态信号分析仪测量台面输出并计算总谐波失真。
图1 总谐波失真校准时传感器及配重的安装图
3.2 横向角加速度校准，
假设该角振动台采用以角锥棱镜为合作目标的A型干涉仪，校准时采用两个加速度计，加速度计1沿切线方向安装在台面最外圈的安装孔位，即角锥棱镜的安装位置，并安装配重块。加速度计2安装在回转中心，方向与传感器1平行。选取参考频率80Hz，角加速度开到尽量小，这时传感器1的加速度失真度接近2%。测量加速度计2和加速度计1输出的比值。
图2 横向角角速度校准时传感器的安装图
3.3 交流声及噪声（信噪比）校准
将角加速度计刚性安装在角振动台面中心，角加速度计与台面安装面应做绝缘处理，以减小传感器电噪声的直接引入。角振动台功率放大器增益调到最大，信号输入端开路，测量这时角加速度计的输出的有效值，与角加速度额定值比较。
3.4 角加速度幅值稳定性校准
将角加速度计刚性安装在角振动台面中心，选取参考频率80Hz，角加速度幅值设为100rad/s2，开动角振动台持续振动，每两分钟读取一次角加速度数据，连续读取11次，计算相邻两次读数差值的最大值与设定角加速度的比值。
3.5 台面角速度均匀度校准
将加速度计1沿切线方向安装在角振动台面外圈的安装螺孔位置，光纤陀螺2分别安装在回转中心、角振动台中圈螺孔位置和外圈螺孔位置，测量光纤陀螺2在不同位置时角速度输出与加速度计1测得的参考角速度的比值，计算比值平均值，取各比值与比值平均值的最大差值为台面均匀度。频率点按3.1方法选取。
图3 台面角速度均匀度校准时传感器的安装图
3.6 角振动台的扭振谐振频率校准
传感器安装同3.1，以白噪声驱动角振动台，动态信号分析仪设置为最高采样频率，测量传感器的输出信号，通过FFT分析识别谐振频率。
4. 校准实验数据
以下为部分校准实验数据。
表1. 总谐波失真校准数据
表2. 其他校准数据
表3. 台面角速度均匀度校准数据
5. 结论
本文结合国际标准中标准角振动台的性能要求和国内的标准角振动台发展现状，探索性的研究了角振动台的校准方法，通过实测结果表明该方法能够较全面的评价标准角振动台的性能，并具有较好的可操作性，为我国国家角振动量值溯源体系的更加完善提供了依据。
参考文献
[1] ISO 16063-15： 2006， Methods for calibration of vibration and shock transducers， Part 15： Primary angular vibration calibration by interferometer [S].
[2] GB/T 20485-15： 2010， 振动与冲击传感器校准方法，第15部分：激光干涉法角振动绝对校准[S].GB/T 20485-15： 2010， Methods for calibration of vibration and shock transducers， Part 15： Primary angular vibration calibration by interferometer [S]. （in Chinese）.
[3] JJF1210-2008， 低速转台校准规范 [S].
[4] 彭军，何群，孙丰甲.动态角运动校准技术综述[J]. 计测技术， 2008，28（5）：1-4.
关键词：角振动台；校准方法
基金项目：GF技术基础科研项目（J052001B003）
随着我国工业技术的迅速发展，人们对陀螺、角加速度计和倾角传感器等角运动传感器动态特性的校准需求越来越多，而合格的标准角振动台是校准的必备的条件。标准角振动臺在国内的研究与应用开展时间较晚，还没有可依据的校准规范，笔者结合对标准角振动校准装置研制与校准的实践经验，谈几点标准角振动台校准的体会。
1. 标准角振动台的分类：
标准角振动台按驱动原理一般分为两种，一种是电动式角振动台，另一种是基于无刷电动机的角振动台（以下简称电机式角振动台）。前者是由带电载体（绕制动圈的导线）切割磁场时产生的洛仑兹力激发动态扭矩，驱动装有被校角振动传感器的测量台面实现角振动，与产生直线振动的一般电动振动动台原理相似。由于受设计结构限制，最大转动角度有限制，工作频率能从几赫兹到1000Hz以上；后者采用商用电动机设计和制造，但是需要采用空气轴承作为回转支撑以降低机械摩擦产生的加速度失真。由于采用直流无刷力矩电机结构，工作角度可以360度回转，没有最大幅值限制，但是受电气时间常数的制约其工作频率上限一般100Hz左右，工作频率下限与控制方法及系统噪声有关，一般到0.5Hz左右。
2. 校准项目：
国际标准ISO 16063-15 第4.3.1款对“功率放大器和角振动激励器组合的特性”提出4点要求，但是没有给出校准方法：
a）.总谐波失真：不超过2%，在采用正弦逼近法时允许有较大的谐波失真度。
b）.横向和摇摆角加速度：对于采用角锥棱镜反射的A型干涉仪要求在最小角位移时横向运动应小于切向运动的1%；对于采用衍射光栅的B型激光干涉仪，最大横向位移（包括偏心距）不应超过2μm，这点可以通过采用高精度回转空气轴承来保证。
c）.交流声及噪声：满量程输出时大于70dB。
d）.角加速度幅值稳定性：测量期间不超过读数的±0.05%。
此外，对于台面较大的角振动台可以利用光纤陀螺测量台面角速度均匀度。
首次校准时，我们需要了解角振动台更全面的信息，这时需要校准角振动台的扭振谐振频率、最大角加速度、角速度和角位移。
电机式角振动台可以作360度回转，其轴回转误差、台面端跳和台面平面度可以参考JJF1210-2008低速转台校准规范进行校准，但是如果它采用了高精度回转空气轴承，这几项可以省略。
3. 校准方法
下面我以某电动式角振动台为例，介绍一下角振动台的校准方法及注意事项。
3.1 总谐波失真和最大角加速度幅值的校准
首先要在角振动台工作频率范围内按倍频程选取不少于10个频率点（包含上下限频率），然后将加速度计通过夹具水平沿切线方向安装在台面上。这里注意加速度计的选用不能给系统惯量带来太大的影响，并且安装时要配重平衡，如图1所示，这里选择质量只有4.6g的7259B型加速度计，各频率点下使角振动台产生最大角加速度，然后使用动态信号分析仪测量台面输出并计算总谐波失真。
图1 总谐波失真校准时传感器及配重的安装图
3.2 横向角加速度校准，
假设该角振动台采用以角锥棱镜为合作目标的A型干涉仪，校准时采用两个加速度计，加速度计1沿切线方向安装在台面最外圈的安装孔位，即角锥棱镜的安装位置，并安装配重块。加速度计2安装在回转中心，方向与传感器1平行。选取参考频率80Hz，角加速度开到尽量小，这时传感器1的加速度失真度接近2%。测量加速度计2和加速度计1输出的比值。
图2 横向角角速度校准时传感器的安装图
3.3 交流声及噪声（信噪比）校准
将角加速度计刚性安装在角振动台面中心，角加速度计与台面安装面应做绝缘处理，以减小传感器电噪声的直接引入。角振动台功率放大器增益调到最大，信号输入端开路，测量这时角加速度计的输出的有效值，与角加速度额定值比较。
3.4 角加速度幅值稳定性校准
将角加速度计刚性安装在角振动台面中心，选取参考频率80Hz，角加速度幅值设为100rad/s2，开动角振动台持续振动，每两分钟读取一次角加速度数据，连续读取11次，计算相邻两次读数差值的最大值与设定角加速度的比值。
3.5 台面角速度均匀度校准
将加速度计1沿切线方向安装在角振动台面外圈的安装螺孔位置，光纤陀螺2分别安装在回转中心、角振动台中圈螺孔位置和外圈螺孔位置，测量光纤陀螺2在不同位置时角速度输出与加速度计1测得的参考角速度的比值，计算比值平均值，取各比值与比值平均值的最大差值为台面均匀度。频率点按3.1方法选取。
图3 台面角速度均匀度校准时传感器的安装图
3.6 角振动台的扭振谐振频率校准
传感器安装同3.1，以白噪声驱动角振动台，动态信号分析仪设置为最高采样频率，测量传感器的输出信号，通过FFT分析识别谐振频率。
4. 校准实验数据
以下为部分校准实验数据。
表1. 总谐波失真校准数据
表2. 其他校准数据
表3. 台面角速度均匀度校准数据
5. 结论
本文结合国际标准中标准角振动台的性能要求和国内的标准角振动台发展现状，探索性的研究了角振动台的校准方法，通过实测结果表明该方法能够较全面的评价标准角振动台的性能，并具有较好的可操作性，为我国国家角振动量值溯源体系的更加完善提供了依据。
参考文献
[1] ISO 16063-15： 2006， Methods for calibration of vibration and shock transducers， Part 15： Primary angular vibration calibration by interferometer [S].
[2] GB/T 20485-15： 2010， 振动与冲击传感器校准方法，第15部分：激光干涉法角振动绝对校准[S].GB/T 20485-15： 2010， Methods for calibration of vibration and shock transducers， Part 15： Primary angular vibration calibration by interferometer [S]. （in Chinese）.
[3] JJF1210-2008， 低速转台校准规范 [S].
[4] 彭军，何群，孙丰甲.动态角运动校准技术综述[J]. 计测技术， 2008，28（5）：1-4.