加速度傳感器磁靈敏度校準技術研究

鄭術力，鄭文煒，劉國棟

（工業和信息化部電子第五研究所，廣州 511300）

引言

壓電式加速度傳感器具有高測量帶寬，大量程及工作溫度范圍廣等特點而被廣泛應用于航天航空[1]、能源電力[2]等領域的振動測試中。隨著壓電加速度傳感器逐漸國產化，對加速度傳感器性能參數特別是應用于特種環境下的加速度傳感器的改善需求顯得越來越急迫。如在能源電力領域，在使用壓電式加速度傳感器對電力變壓器進行振動檢測時，由于交變磁場的影響，壓電式加速度傳感器在將會輸出虛假信號，影響測量準確度。傳感器在交變磁場中最大輸出值與磁場的磁感應強度的比值稱為磁靈敏度[3]，它是壓電式加速度傳感器的重要參數之一。但是目前國內外對壓電式加速度傳感器磁靈敏度測試方法及其相關測試裝置研究較少。

任峨松[4]提出使用螺管線圈作為磁場發生器，將加速度傳感器裝鉛塊上，對加速度傳感器進行磁靈敏度測試的方法，最后對Endevco公司的2270標準加速度傳感器進行磁靈敏度測試，并將測試結果與傳感器出廠磁靈敏度進行對比，證明其提出的校準方法是可行的。

朱目成、趙海云[5]提出使用電磁鐵裝置產生交變磁場對壓電式加速度傳感器進行測量，通過改變壓電加速度傳感器靈敏度軸相對于磁場方向的夾角來測量出磁靈敏度。黃志煌、林喜鑒[6]提出了一種壓電加速度傳感器磁靈敏度的多維測試裝置，該測試方法采用一對匝數相等、尺寸形狀都相同的亥姆霍茲線圈形成穩定的磁場，旋轉臺來控制磁場方向與加速度傳感器靈敏度軸的夾角，從而實現壓電加速度傳感器的磁靈敏度多維測試。

上述研究為深入研究加速度傳感器磁靈敏度校準技術開拓了思路，然而，上述校準技術在均存在傳感器或線圈轉動引起的機械振動，導致校準不確定度變大。因此本文在ISO/DIS 16063-33《振動與沖擊傳感器的校準方法 磁靈敏度測試》[7]測試方法的基礎上提出了一種基于PID控制技術的磁靈敏度校準裝置。該校準裝置通過磁場旋轉掃描，可以自動完成校準過程，無運動部件，不受振動影響，具有測量不確定度低，測試快捷等特點。

1 加速度傳感器磁靈敏度校準裝置設計方案

1.1 總體技術方案

根據JJG 233-2008 《壓電加速度計檢定規程》磁靈敏度的檢定方法，將被檢加速度傳感器安裝在一個50 Hz或60 Hz的已知磁場中，先將特斯拉計安裝加速度計的位置測出磁場強度B，然后旋轉加速度傳感器或旋轉磁場方向，找出加速度傳感器輸出的最大值。根據加速度傳感器的參考靈敏度，將最大輸出值換算成等效加速度，再除以磁場磁感應強度，即：

式中：

SB—磁靈敏度；

aBmax—輸出最大值的等效加速度；

B—檢定時交變磁場的磁場強度。

根據上述要求，我們設計了加速度傳感器磁靈敏度的自動校準的總體方案。方案加速度傳感器保持不動，通過3對正交的亥姆霍茲線圈產生旋轉磁場，改變磁場方向與傳感器靈敏度軸的空間夾角，對傳感器進行步進掃描，從而能夠獲得傳感器的磁靈敏度。

加速度加速度傳感器磁靈敏度校準裝置由一個隔振平臺、三軸亥姆霍茲線圈、功率放大器、信號發生器、信號采集器、上位機、底座、電流傳感器、信號適調器組成，如圖1所示。

圖1 加速度傳感器磁靈敏度校準裝置的組成

典型的測試磁場的磁感應強度為10 mT 、頻率為50 Hz，本文對加速度傳感器磁靈敏度校準裝置的指標分解如表1所示。

表1 加速度傳感器磁靈敏度自動校準裝置的指標分解

1.2 關鍵技術

1.2.1 三維磁場合成技術

亥姆霍茲線圈可以產生磁場強度高達數百高斯的磁場，磁場均勻區大，操作空間開闊，是理想的磁場發生裝置，且亥姆霍茲線圈的輸入電流與磁場強度之間有很好的線性關系，可以實現精確控制。通過3對亥姆霍茲線圈產生兩兩正交的磁場，3個磁場耦合后，在空間可產生任意方向的直流、交流磁場。因此，采用3對亥姆霍茲線圈作為磁場發生裝置，可以滿足本方案在空間任意方向產生交變均勻磁場的設計需求。根據場的疊加理論，其磁場分布可由3個亥姆霍茲線圈產生的磁場疊加而成。當各個亥姆霍茲線圈產生的磁場交變頻率、相位相同而幅值不同時，磁場的方向由各個磁場的磁場強度最大值決定。

式中：

Fx、Fy、Fz—X軸、Y軸和Z軸線圈產生的磁場強度最大值；

f—磁場交變頻率；

t—時間；

θ—相位角。

1.2.2 磁場監測技術

開環霍爾電流傳感器是基于霍爾效應對電流進行測試的傳感器。如圖2所示，開環霍爾電流傳感器對被測電流IP產生的磁場進行測試，其霍爾元件輸出與被測電流IP成正比的電壓VH，電壓VH經過運算放大器被比例放大為輸出電壓VO，該輸出電壓VO與被測電流IP成正比。HALL開環電流傳感器可以測量直流、交流和復雜的電流波形，具有電氣絕緣，插入損耗小，測量精度高，價格便宜等優點[8]。

圖2 開環霍爾電流傳感器

本文選擇HALL開環電流傳感器作為監測亥姆霍茲線圈電流的傳感器。通過測試亥姆霍茲線圈繞線的電流幅度、相位和頻率來求得亥姆霍茲線圈產生磁場的強度、方向、磁場頻率等。亥姆霍茲線圈的磁場強度與電流I之間的關系表達式如式（3）。

Bmax—磁場強度最大值；

μ0—磁導率；

N0—線圈匝數；

I—線圈電流；

R—線圈半徑。

1.2.3 磁場控制技術

PID控制器是應用最廣泛的一種控制器，按比例（P）、積分（I）和微分（D）進行控制，其輸入輸出關系如式4所示。PID控制器適用性強，對于數學模型不易于精確求得，參數變化大的被控對象，采用PID校正往往能夠得到滿意的控制效果。

本文提出的磁靈敏度自動校準裝置中信號發生器分別產生正弦信號通過功率放大器驅動3對磁場線圈分別產生的正弦磁場，進而耦合為空間任意方向的合成磁場。在磁靈敏度自動校準裝置在控制過程中，采用3個PID控制器分別單獨對3個軸進行控制，3個控制器均應設定合適的PID調節參數，以消除穩態誤差并保持良好的動態特性。具體的PID調節參數需要在測試過程中反復調節選定。PID控制原理圖如圖3所示。

圖3 亥姆霍茲線圈PID控制原理圖

2 實驗驗證

為在實驗上驗證本文提出的加速度傳感器磁靈敏度校準裝置方案的可行性，對校準裝置的技術性能進行了驗證。我們定義磁場B的矢量方向由磁場在X-Y平面上的投影與X軸的夾角α，磁場與Z軸的夾角β確定。X軸、Y軸、Z軸方向上的磁場強度分量Bx、By、Bz分別由以下式子確定：

使用特斯拉計對校準裝置產生的磁場進行校準，校準頻率為60 Hz，磁場強度為10 mT，測試結果如表2所示。考慮到信號源具有鎖相功能并且在（40～60）Hz的條件下功率放大器的相位漂移很小，我們認為磁場相位漂移對合成磁場穩定性影響很小。

表2 磁場測量表

本文還選擇Endevco公司生產的2270型標準加速度傳感器進行磁靈敏度測試，在頻率為60 Hz、磁場強度為10 mT、空間步進角度為10 °的條件下，測得其磁靈敏度為21.74 m/s2/T。 經查閱說明書，2270加速度傳感器標稱磁靈敏度不超過30 m/s2/T，考慮到壓電加速度傳感器產品質量一致性和測試過程中的測量不確定度等因素，所測磁靈敏度與標稱磁靈敏度處于同數量級且小于標稱磁靈敏度，測試數據合理。

以上2個試驗結果表明，本文研制的加速度傳感器磁靈敏度校準裝置能夠滿足加速度傳感器的校準需求。

3 結論

本文在ISO/DIS 16063-33《振動與沖擊傳感器的校準方法 磁靈敏度測試》的測試方法的基礎上提出了一種基于PID控制技術的磁靈敏度校準裝置。該校準裝置在校準過程中，無運動部件，被檢加速度傳感器不受機械振動影響，具有測量不確定度低，測試快捷等特點。對加速度傳感器的質量提升有一定的積極作用。