振动传感器温度灵敏度校准装置的振动传递机构设计

戴宜霖 杨晓伟 朱 刚

（北京航天计量测试技术研究所，北京100076）

1 引言

振动传感器的输出灵敏度一般与温度相关，即随着温度的变化，输出灵敏度会产生改变。为了保证振动测量的准确性，对应用于不同温度下的振动传感器，需要在相应工作的温度下对其输出灵敏度进行校准。北京航天计量测试技术研究所自上世纪九十年代开始进行振动传感器温度特性相关校准方法的研究，截至目前，已经建立了完整的基于绝对法和比较法的振动传感器温度灵敏度溯源体系和校准装置，并于2019年完成了相关校准方法的国际标准制定。

使用振动传感器温度灵敏度校准装置进行校准，一般采用绝对法和比较法，其基本原理为：使用激光测振仪或参考加速度计作为主标准器，高低温试验箱提供可控的环境温度，标准振动台产生振动信号。由于参考加速度计和标准振动台的工作性能均受到温度的影响，应将它们放置于温度试验箱之外，这就需要设计一种振动传递机构，将标准振动台的振动信号传递到温度试验箱内，使被校振动传感器受到振动和温度两个量的同时作用。典型的被校高低温振动传感器安装结构如图1所示。

图1 高低温振动传感器校准安装结构图Fig.1 Structure of vibraion calibration system for fixed temperature calibrataion

用于温度灵敏度校准的振动传递机构需满足以下特征：（1）具有较高的刚度，能够确保整个振动信号发生系统达到较高的频率范围；（2）具有较好的温度特性，在高温下的刚度特性不变；（3）导热率低，确保温度试验箱之内的温度不影响温度试验箱外的参考加速度计和标准振动台；（4）质量轻，在固定推力的振动激励下达到较高的振动加速度。

本文介绍了一种微晶云母陶瓷作为材料的振动传递机构，并对传递机构的结构进行了设计，对其模态特性进行了分析和测试，并对其温度传递特性以及高温振动传递特性进行了测试。

2 振动传递机构的设计

振动传递机构采用微晶云母可加工陶瓷材料，这种材料是由合成氟金云母微晶和玻璃相组成的一种复合多晶材料，由于氟金云母较好的解理性，具有良好的机械可加工性能，可进行车、铣、刨、磨、钻、切割、攻丝等各项加工并达到较高的精度，且无需热处理。该材料绝缘性能优异，无孔隙，耐高温、低温，耐热冲击，不放气，在高低温、核能以及强度腐蚀环境的结构部件等方面都得到广泛的应用。微晶云母陶瓷材料的主要材料特性如表1所示，其质量、刚度、导热率等技术指标均较为优良。

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设计的振动传递机构，如图2所示，陶瓷杆设计为中空的结构，中空结构对振动传递机构的影响总结为二点：

图2 云母陶瓷振动传递机构结构图Fig.2 Design of vibration transfer structure

（1）降低导热率：云母陶瓷导热率约为1.7W/（m·K）；而在一个大气压下，封闭状态下的空气导热率约为0.025W/（m·K），其导热率大大低于陶瓷材料的导热率。因此，使用中空结构可以极大降低热传递，减小温度对参考加速度计、标准振动台等部件的影响。

3 振动传递机构的模态分析与谐振测试

为了确定振动传递机构是否满足测试，需要对其进行模态分析和谐振测试。根据云母陶瓷的材料特性及传递机构的结构进行建模，并计算其谐振频率，如图3所示。机构的横向谐振频率为1920Hz，纵向谐振频率为6223Hz，其余谐振为平移、扭转等，对高低温振动传感器灵敏度校准结果的影响可以忽略不计。

图3 振动传递机构的横向和纵向模态分析结果Fig.3 Model analysis result of vibration transfer structure

在进行模态分析的同时，需对振动传递机构的纵向谐振频率进行测试，测试系统如图4所示，振动传递机构的顶端采用激光测振仪测量振动，底端安装振动传感器，测量二者之间的传递函数，为振动传递机构的纵向谐振频率。如图5所示，纵向谐振频率为6364Hz，与模态分析得出的6223Hz 接近。按照图6 在振动传递机构的顶端安装三向振动传感器，测量其横向振动比。结果如图7所示，横向谐振频率约为1880Hz，与模态分析得出的1920Hz 接近。

图4 机构的纵向谐振频率测试系统图Fig.4 Testing system of longitudinal resonance frequency of the structure

图5 机构的纵向谐振频率测试图Fig.5 Longitudinal resonance frequency of the structure

图6 机构的横向谐振频率测试安装图Fig.6 Testing system of transform resonance frequency of the structure

图7 机构的横向谐振频率测试图Fig.7 Transform resonance frequency of the structure

4 振动传递机构的温度传递特性测试

为了验证参考加速度计所在位置的温度不受高低温试验箱温度变化的影响，在升温和降温过程中分别测量振动传递机构上不同点及参考加速度计表面的温度，测点分布如图8所示。

图8 陶瓷杆温度测量点分布Fig.8 Temperature test points of ceramics rod

20℃～200℃升温过程中不同测点温度变化趋势图如图9所示。

图9 20℃～200℃不同测点温度变化趋势Fig.9 Temperature change of the three points from 20℃to 200℃

200℃～500℃升温过程中不同测点温度变化趋势图如图10所示。

图10 200℃～500℃不同测点温度变化趋势Fig.10 Temperature change of the three points from 200℃to 500℃

500℃～800℃升温过程中不同测点温度变化趋势图如图11所示。

图11 500℃～800℃不同测点温度变化趋势Fig.11 Temperature change of the three points from 500℃to 800℃

20℃～-50℃降温过程中不同测点温度变化趋势图如图12所示。

图12 20℃～-50℃不同测点温度变化趋势Fig.12 Temperature change of the three points from 20℃to -50℃

-50℃～-120℃降温过程中不同测点温度变化趋势图如图13所示。

图13 -50℃～-120℃不同测点温度变化趋势Fig.13 Temperature change of the three points from-50℃to -120℃

-120℃～-190℃降温过程中不同测点温度变化趋势图如图14所示。

图14 -120℃～-190℃不同测点温度变化趋势Fig.14 Temperature change of the three points from-120℃to -190℃

由此可见，在升降温过程中，参考加速度计处的温度变化范围约为5℃～40℃之间，在这一温度变化范围之内，对参考加速度计的温度变化影响小于0.5%，可以将这一参考灵敏度的偏差作为比较法校准的测量不确定度分量进行分析。

5 高温振动传递特性分析

由于振动传递机构的陶瓷材料为微晶云母陶瓷，受到温度的影响，陶瓷材料在高温状态下的弹性模量会发生变化，因此需要测量不同温度下，传递机构的传递特性变化情况，作为评估温度对比较法校准结果影响量的依据。

按照图4所示构建测量系统，使用激光测振仪测量陶瓷杆表面振动与底端的参考加速度计输出之间的比例关系，如表2所示，可以确定不同温度对于陶瓷杆振动传递性能的影响，若监测得到参考加速度计处的温度发生变化，应使用该温度下的参考加速度计灵敏度。

由表2 可见，在20℃，200℃，500℃和800℃的温度下，激光测振仪与参考加速度计的测量结果比例关系并未发生显著变化，最大变化约为0.2%，由此证明了在800℃范围以内，传递机构的刚度等物理特性基本未发生变化。

表2 不同温度和频率下的振动传递关系Tab.2 Ration of vibration transform for different temperature an frequency

6 结束语

本文介绍了一种用于振动传感器温度灵敏度校准装置的振动传递机构，并从材料选择、结构设计到模态分析和测试、温度传递特性测试等多个方面对传递机构的力学和温度特性进行测试验证。结果表明，微晶云母可加工陶瓷质量轻、刚度高、导热率低，作为振动传递机构的材料能够满足宽温度范围内的振动传递的要求，同时可以起到隔热的作用，对温度试验箱外的相关标准和设备的影响极小。采用微晶云母陶瓷材料的振动传递机构具有较好的刚度和隔热特性，能够满足振动传感器温度灵敏度的校准要求。