【摘要】：0.1Hz~20Hz低頻振動絕對校準(zhǔn)是振動計量的重要組成部分,采用穩(wěn)態(tài)正弦振動對低頻振動傳感器進行激勵,采用激光干涉測振方法對低頻振動進行測量,獲得傳感器在0.1Hz~20Hz頻率范圍內(nèi)的靈敏度,由此將振動測量結(jié)果溯源到激光波長基準(zhǔn)。以石英撓性加速度計、地震計為代表的低頻振動傳感器廣泛應(yīng)用于航空與航天設(shè)備振動監(jiān)控、精密隔微振和地震預(yù)報與預(yù)警等領(lǐng)域,這些傳感器靈敏度的高精度校準(zhǔn)對保持航天器姿態(tài)平穩(wěn)、保證空間相機成像清晰、降低隔振器固有頻率以及地震烈度速報與預(yù)警等具有重要意義�，F(xiàn)有的低頻振動絕對校準(zhǔn)技術(shù)存在以下主要問題:1)頻率降低至接近0.1Hz時,所需標(biāo)準(zhǔn)振動信號的振幅要求達(dá)到1米以上,而現(xiàn)有技術(shù)中,隨著電磁振動臺行程增加,氣隙中磁場分布的不均勻性問題變得十分嚴(yán)重,導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)正弦振動的諧波失真愈加嚴(yán)重,進而導(dǎo)致振動位移、加速度響應(yīng)信號諧波失真嚴(yán)重,是影響校準(zhǔn)結(jié)果的一個關(guān)鍵因素;2)頻率增加至接近20Hz時,標(biāo)準(zhǔn)振動信號的振幅降至微米量級,在零差正交激光干涉測振過程中,分光器件分光特性不理想,導(dǎo)致非正交相移誤差對波片光軸角度誤差存在較大的靈敏度,由此引入的非線性誤差嚴(yán)重,影響振動位移測量精度,是影響校準(zhǔn)結(jié)果的另一關(guān)鍵因素。本論文旨在針對上述問題,探索超大振幅和低加速度波形失真度的穩(wěn)態(tài)正弦振動發(fā)生方法和高精度激光干涉測振方法,以期在振幅、加速度波形失真度、非線性誤差和測量不確定度等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)上有所突破,達(dá)到提高校準(zhǔn)精度的目的。本文主要研究內(nèi)容如下:針對現(xiàn)有穩(wěn)態(tài)正弦振動發(fā)生方法中,氣隙中磁場分布不均勻性隨著氣隙長度的增加愈加嚴(yán)重,進而導(dǎo)致超大振幅的穩(wěn)態(tài)正弦振動存在嚴(yán)重的諧波失真的問題,提出一種基于兩端勵磁矩形閉合雙磁路的穩(wěn)態(tài)正弦振動發(fā)生方法。分析了造成穩(wěn)態(tài)正弦低頻振動波形失真的最主要因素為氣隙中磁場分布的不均勻性和彈性支撐結(jié)構(gòu)剛度的非線性;采用矩形高性能NdFeB永磁體和矩形磁軛構(gòu)建永磁體位于中心磁軛兩端的閉合雙磁路,采用真空退火和磨削手段,使矩形磁軛兼顧高磁導(dǎo)率和高加工精度,從而在長氣隙中獲得了均勻的磁場分布;建立了集總參數(shù)等效磁路模型,采用迭代方法對氣隙中磁場分布進行解析求解;并構(gòu)建了基于位移反饋的主動正剛度彈性支撐結(jié)構(gòu),其在大行程運動范圍內(nèi)表現(xiàn)出恒定剛度特性;該方法實現(xiàn)了超大振幅穩(wěn)態(tài)正弦低頻振動,同時降低了加速度波形失真度。針對現(xiàn)有零差正交激光干涉測振方法中波片光軸的角度誤差引入非線性誤差嚴(yán)重,影響振動位移測量精度,進而影響校準(zhǔn)精度的問題,提出一種基于消偏振分光和波片偏航的零差正交激光干涉測振方法。以實驗方法對分光鏡分光特性進行了測試與分析,并以此為基礎(chǔ),對現(xiàn)有零差正交激光干涉測振方法中波片的非正交誤差靈敏度進行了理論分析;通過消偏振分光產(chǎn)生參考光和測量光,抑制了光路的偏振混疊;理論分析了波片偏航對相位延遲的影響,通過調(diào)整測量臂與參考臂中波片的偏航角度,補償了消偏振分光鏡的相移誤差。該方法可使非正交相移誤差為零、非正交相移誤差對波片光軸角度旋轉(zhuǎn)的靈敏度也為零,有效消除了因機械漂移、波片光軸安裝誤差等引入的非線性誤差,解決了小振幅振動時納米量級非線性誤差嚴(yán)重影響校準(zhǔn)精度的問題。針對通過連續(xù)條紋相位解調(diào)算法重建振動位移時,需對由零差正交激光干涉測振方法調(diào)制的高頻載波信號進行過采樣,從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)處理耗時長的問題,提出一種基于運動參量估計的相位解調(diào)算法。深入分析了連續(xù)條紋相位解調(diào)算法的原理,理論驗證了欠采樣重建振動位移的可行性;建立了基于運動參量估計的相位解調(diào)算法數(shù)學(xué)模型,根據(jù)前序運動參量估計當(dāng)前采樣時刻的位移,結(jié)合當(dāng)前采樣時刻的相位修正估計值,實現(xiàn)相位解調(diào);在此基礎(chǔ)上,詳細(xì)闡述了基于速度估計、速度與加速度復(fù)合估計的相位解調(diào)算法流程。該算法與調(diào)制的高頻載波信號無關(guān),可直接重建振動位移,顯著地降低了數(shù)據(jù)采樣率,減少了數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)處理時間。最后,成功研制了低頻振動絕對校準(zhǔn)系統(tǒng),對關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進行了實驗與分析,并對測量結(jié)果進行了不確定度評定。實驗結(jié)果表明,零差正交激光干涉測振方法的非線性誤差為0.1nm;在1.4m長氣隙中磁場分布不均勻度小于0.12%;1.2m滿行程振動的位移波形失真度為0.05%;在0.1Hz~20Hz頻率范圍內(nèi),加速度波形失真度優(yōu)于1.2%;在0.1Hz和20Hz參考頻率點處,振動傳感器靈敏度幅值測量的相對擴展不確定度分別為0.12%和0.04%(k=2)。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TP212;O441.2;O32
【圖文】：

016年CCAUV.V-K3比對結(jié)果

動絕對校準(zhǔn)系統(tǒng)一般采用百毫米以上行程的振動臺對低頻振動傳感器進行激勵，采用零差激光干涉測振方法復(fù)現(xiàn)和傳遞加速度量值。圖1-2 采用激光干涉測振法的振動絕對校準(zhǔn)系統(tǒng)組成[34]Fig. 1-2 System components of primary vibration calibration by laser interferometry[34]依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 13823.1—2005，振動傳感器的加速度復(fù)靈敏度 S 為 u aia S Se (1-1)

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2732547