振動傳感器溫度靈敏度校準裝置的振動傳遞機構設計

戴宜霖 楊曉偉 朱 剛

（北京航天計量測試技術研究所，北京100076）

1 引言

振動傳感器的輸出靈敏度一般與溫度相關，即隨著溫度的變化，輸出靈敏度會產生改變。為了保證振動測量的準確性，對應用于不同溫度下的振動傳感器，需要在相應工作的溫度下對其輸出靈敏度進行校準。北京航天計量測試技術研究所自上世紀九十年代開始進行振動傳感器溫度特性相關校準方法的研究，截至目前，已經建立了完整的基于絕對法和比較法的振動傳感器溫度靈敏度溯源體系和校準裝置，并于2019年完成了相關校準方法的國際標準制定。

使用振動傳感器溫度靈敏度校準裝置進行校準，一般采用絕對法和比較法，其基本原理為：使用激光測振儀或參考加速度計作為主標準器，高低溫試驗箱提供可控的環境溫度，標準振動臺產生振動信號。由于參考加速度計和標準振動臺的工作性能均受到溫度的影響，應將它們放置于溫度試驗箱之外，這就需要設計一種振動傳遞機構，將標準振動臺的振動信號傳遞到溫度試驗箱內，使被校振動傳感器受到振動和溫度兩個量的同時作用。典型的被校高低溫振動傳感器安裝結構如圖1所示。

圖1 高低溫振動傳感器校準安裝結構圖Fig.1 Structure of vibraion calibration system for fixed temperature calibrataion

用于溫度靈敏度校準的振動傳遞機構需滿足以下特征：（1）具有較高的剛度，能夠確保整個振動信號發生系統達到較高的頻率范圍；（2）具有較好的溫度特性，在高溫下的剛度特性不變；（3）導熱率低，確保溫度試驗箱之內的溫度不影響溫度試驗箱外的參考加速度計和標準振動臺；（4）質量輕，在固定推力的振動激勵下達到較高的振動加速度。

本文介紹了一種微晶云母陶瓷作為材料的振動傳遞機構，并對傳遞機構的結構進行了設計，對其模態特性進行了分析和測試，并對其溫度傳遞特性以及高溫振動傳遞特性進行了測試。

2 振動傳遞機構的設計

振動傳遞機構采用微晶云母可加工陶瓷材料，這種材料是由合成氟金云母微晶和玻璃相組成的一種復合多晶材料，由于氟金云母較好的解理性，具有良好的機械可加工性能，可進行車、銑、刨、磨、鉆、切割、攻絲等各項加工并達到較高的精度，且無需熱處理。該材料絕緣性能優異，無孔隙，耐高溫、低溫，耐熱沖擊，不放氣，在高低溫、核能以及強度腐蝕環境的結構部件等方面都得到廣泛的應用。微晶云母陶瓷材料的主要材料特性如表1所示，其質量、剛度、導熱率等技術指標均較為優良。

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設計的振動傳遞機構，如圖2所示，陶瓷桿設計為中空的結構，中空結構對振動傳遞機構的影響總結為二點：

圖2 云母陶瓷振動傳遞機構結構圖Fig.2 Design of vibration transfer structure

（1）降低導熱率：云母陶瓷導熱率約為1.7W/（m·K）；而在一個大氣壓下，封閉狀態下的空氣導熱率約為0.025W/（m·K），其導熱率大大低于陶瓷材料的導熱率。因此，使用中空結構可以極大降低熱傳遞，減小溫度對參考加速度計、標準振動臺等部件的影響。

3 振動傳遞機構的模態分析與諧振測試

為了確定振動傳遞機構是否滿足測試，需要對其進行模態分析和諧振測試。根據云母陶瓷的材料特性及傳遞機構的結構進行建模，并計算其諧振頻率，如圖3所示。機構的橫向諧振頻率為1920Hz，縱向諧振頻率為6223Hz，其余諧振為平移、扭轉等，對高低溫振動傳感器靈敏度校準結果的影響可以忽略不計。

圖3 振動傳遞機構的橫向和縱向模態分析結果Fig.3 Model analysis result of vibration transfer structure

在進行模態分析的同時，需對振動傳遞機構的縱向諧振頻率進行測試，測試系統如圖4所示，振動傳遞機構的頂端采用激光測振儀測量振動，底端安裝振動傳感器，測量二者之間的傳遞函數，為振動傳遞機構的縱向諧振頻率。如圖5所示，縱向諧振頻率為6364Hz，與模態分析得出的6223Hz 接近。按照圖6 在振動傳遞機構的頂端安裝三向振動傳感器，測量其橫向振動比。結果如圖7所示，橫向諧振頻率約為1880Hz，與模態分析得出的1920Hz 接近。

圖4 機構的縱向諧振頻率測試系統圖Fig.4 Testing system of longitudinal resonance frequency of the structure

圖5 機構的縱向諧振頻率測試圖Fig.5 Longitudinal resonance frequency of the structure

圖6 機構的橫向諧振頻率測試安裝圖Fig.6 Testing system of transform resonance frequency of the structure

圖7 機構的橫向諧振頻率測試圖Fig.7 Transform resonance frequency of the structure

4 振動傳遞機構的溫度傳遞特性測試

為了驗證參考加速度計所在位置的溫度不受高低溫試驗箱溫度變化的影響，在升溫和降溫過程中分別測量振動傳遞機構上不同點及參考加速度計表面的溫度，測點分布如圖8所示。

圖8 陶瓷桿溫度測量點分布Fig.8 Temperature test points of ceramics rod

20℃～200℃升溫過程中不同測點溫度變化趨勢圖如圖9所示。

圖9 20℃～200℃不同測點溫度變化趨勢Fig.9 Temperature change of the three points from 20℃to 200℃

200℃～500℃升溫過程中不同測點溫度變化趨勢圖如圖10所示。

圖10 200℃～500℃不同測點溫度變化趨勢Fig.10 Temperature change of the three points from 200℃to 500℃

500℃～800℃升溫過程中不同測點溫度變化趨勢圖如圖11所示。

圖11 500℃～800℃不同測點溫度變化趨勢Fig.11 Temperature change of the three points from 500℃to 800℃

20℃～-50℃降溫過程中不同測點溫度變化趨勢圖如圖12所示。

圖12 20℃～-50℃不同測點溫度變化趨勢Fig.12 Temperature change of the three points from 20℃to -50℃

-50℃～-120℃降溫過程中不同測點溫度變化趨勢圖如圖13所示。

圖13 -50℃～-120℃不同測點溫度變化趨勢Fig.13 Temperature change of the three points from-50℃to -120℃

-120℃～-190℃降溫過程中不同測點溫度變化趨勢圖如圖14所示。

圖14 -120℃～-190℃不同測點溫度變化趨勢Fig.14 Temperature change of the three points from-120℃to -190℃

由此可見，在升降溫過程中，參考加速度計處的溫度變化范圍約為5℃～40℃之間，在這一溫度變化范圍之內，對參考加速度計的溫度變化影響小于0.5%，可以將這一參考靈敏度的偏差作為比較法校準的測量不確定度分量進行分析。

5 高溫振動傳遞特性分析

由于振動傳遞機構的陶瓷材料為微晶云母陶瓷，受到溫度的影響，陶瓷材料在高溫狀態下的彈性模量會發生變化，因此需要測量不同溫度下，傳遞機構的傳遞特性變化情況，作為評估溫度對比較法校準結果影響量的依據。

按照圖4所示構建測量系統，使用激光測振儀測量陶瓷桿表面振動與底端的參考加速度計輸出之間的比例關系，如表2所示，可以確定不同溫度對于陶瓷桿振動傳遞性能的影響，若監測得到參考加速度計處的溫度發生變化，應使用該溫度下的參考加速度計靈敏度。

由表2 可見，在20℃，200℃，500℃和800℃的溫度下，激光測振儀與參考加速度計的測量結果比例關系并未發生顯著變化，最大變化約為0.2%，由此證明了在800℃范圍以內，傳遞機構的剛度等物理特性基本未發生變化。

表2 不同溫度和頻率下的振動傳遞關系Tab.2 Ration of vibration transform for different temperature an frequency

6 結束語

本文介紹了一種用于振動傳感器溫度靈敏度校準裝置的振動傳遞機構，并從材料選擇、結構設計到模態分析和測試、溫度傳遞特性測試等多個方面對傳遞機構的力學和溫度特性進行測試驗證。結果表明，微晶云母可加工陶瓷質量輕、剛度高、導熱率低，作為振動傳遞機構的材料能夠滿足寬溫度范圍內的振動傳遞的要求，同時可以起到隔熱的作用，對溫度試驗箱外的相關標準和設備的影響極小。采用微晶云母陶瓷材料的振動傳遞機構具有較好的剛度和隔熱特性，能夠滿足振動傳感器溫度靈敏度的校準要求。