磁流體動力學(xué)微角振動傳感器自動標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)

侯小婷，李醒飛，劉 帆

(天津大學(xué)，精密測試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

0 引言

MHD微角振動傳感器最早是由美國ATA公司開發(fā)研制的，并已有諸多產(chǎn)品。其研制的ARS-12傳感器可實(shí)現(xiàn)1 Hz～1 kHz帶寬內(nèi)角振動信號的高精度拾取(等效噪聲角0.1 μrad)，且已被作為磁流體動力學(xué)慣性基準(zhǔn)(magnetohydrodynamics inertial reference unit，MIRU)的角振動敏感元件，成功應(yīng)用到LLCD中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)視軸的對準(zhǔn)[3]。國內(nèi)對MHD微角振動傳感器的研究起步較晚，華南理工大學(xué)[4]、上海交通大學(xué)[5]、天津大學(xué)[6]等單位均在開展相關(guān)研究。國內(nèi)MHD微角振動傳感器的研究主要圍繞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、微弱信號檢測、誤差分析等展開，目前還停留在樣機(jī)研制階段。在MHD微角振動傳感器的研制過程中，需要對其頻帶(3 Hz～1 kHz)內(nèi)的標(biāo)度及線性度等指標(biāo)進(jìn)行測試，這就需要相應(yīng)的角振動激勵裝置和角振動測量裝置。然而，目前高頻角振動激勵裝置大都實(shí)現(xiàn)的是恒定電壓控制即恒定力矩控制，而非MHD角振動傳感器測試所需的恒定角速率控制。

本文利用105-AVT角振動臺和XL-80激光干涉儀搭建了一套適用于MHD微角振動傳感器的自動測試標(biāo)定系統(tǒng)。通過建立105-AVT角振動臺模擬控制電壓與輸出角速度之間的關(guān)系，并集成到LabVIEW軟件中，實(shí)現(xiàn)了25 Hz～1 kHz內(nèi)0.004～0.12 rad/s量級的恒定角速率輸出。測試系統(tǒng)能夠?qū)HD微角振動傳感器的頻響特性及輸出線性度進(jìn)行自動測試。

1 MHD微角振動傳感器原理

MHD微角振動傳感器原理如圖1所示，導(dǎo)電流體灌裝于與殼體固連的環(huán)形通道內(nèi)，通道的上下表面絕緣，內(nèi)外表面導(dǎo)電，且置于磁場B中。磁場B由與殼體固連的永磁體提供。

圖1 MHD微角振動傳感器工作原理

當(dāng)載體以角速度Ω轉(zhuǎn)動時，導(dǎo)電流體由于慣性與慣性空間保持相對靜止，從而與旋轉(zhuǎn)的磁通量形成相對流速，切割磁力線[7]。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，流體通道內(nèi)外壁間產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢Φ與輸入角速度Ω成正比，滿足以下關(guān)系[8]：

(1)

式(1)所示的傳遞函數(shù)表明，MHD微角振動傳感器頻響曲線近似為“高通”特性。

2 恒定角速率激勵輸出

2.1 105-AVT角振動臺

105-AVT角振動臺由振動臺體和控制器組成，如圖2所示。根據(jù)不同的配置，角振動臺可在輸入電壓Uin的激勵下輸出角速度Ω0，輸出角加速度α，電機(jī)電樞電流I等參數(shù)。

例4 氯氣和二氧化硫都有漂白性,若將等物質(zhì)的量的這兩種氣體同時作用于潮濕的有色物質(zhì),可以觀察到有色物質(zhì)( )。

圖2 105-AVT角振動臺

105-AVT角振動臺內(nèi)部由力矩電機(jī)驅(qū)動，在內(nèi)部電流環(huán)的作用下實(shí)現(xiàn)恒定電流控制即恒定轉(zhuǎn)矩控制。105-AVT角振動內(nèi)部控制框圖如圖3所示，其中K1為電流調(diào)節(jié)增益，K2為積分器調(diào)節(jié)增益。

圖3 電流環(huán)流程圖

恒定電壓激勵下，角振動臺空載時內(nèi)部扭矩電機(jī)電樞電流I與臺面轉(zhuǎn)動角加速度α隨頻率變化曲線如圖4所示，電機(jī)電樞電流I與輸入模擬電壓間的關(guān)系如圖5所示。

圖4 電機(jī)電流I、角加速度α與頻率f關(guān)系

圖5 電機(jī)電樞電流I與輸入模擬電壓Uin間的關(guān)系

由上圖可知，5 kHz頻帶內(nèi)，105-AVT角振動臺內(nèi)部電機(jī)電樞電流I基本保持恒定，即扭矩電機(jī)輸出恒定轉(zhuǎn)矩。恒定負(fù)載下，角振動臺輸出角加速度保持恒定[8]。另外，角振動臺輸入控制電壓Uin與電機(jī)電樞輸出電流I成正比例關(guān)系，即與振動臺輸出角加速度α成正比。然而，受限于內(nèi)部驅(qū)動器的帶寬，當(dāng)激勵電壓頻率大于5 kHz時，電機(jī)電樞電流逐漸衰減，恒定負(fù)載下輸出的角加速度也會隨之衰減。上述分析可知，105-AVT角振動臺在5 kHz帶寬內(nèi)可以提供與激勵電壓成比例的恒定角加速度輸出，而臺面角速度Ω是由角加速度α積分得到，如式(2)所示，角速度幅值會隨著激勵頻率的改變而變化。

(2)

2.2 角速率及頻率激勵控制

為了實(shí)現(xiàn)105-AVT角振動臺寬頻帶下的恒定角速率激勵，對角振動臺輸入電壓與輸出角速度的關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究?；诮钦駝优_在不同負(fù)載下的掃頻響應(yīng)，建立了輸入模擬電壓與輸出角速度的對應(yīng)關(guān)系。將此轉(zhuǎn)換關(guān)系集成至控制端，實(shí)現(xiàn)角振動臺的恒定角速率輸出。

實(shí)驗(yàn)中，將NI DAQ采集卡的一路模擬輸出配置為角振動臺的激勵信號輸入，利用2路模擬輸入通道，同步采集激勵電壓信號和角振動臺輸出角加速度信號，并在LabVIEW中對角加速度信號進(jìn)行積分，得到角振動臺的輸出角速度信息，并計(jì)算輸出響應(yīng)。將待測傳感器及激光干涉儀相關(guān)鏡組安裝在角振動臺的臺面上，并通過工裝保證傳感器的敏感軸與角振動臺的旋轉(zhuǎn)軸重合，如圖6所示。

圖6 待測傳感器與反射鏡組安裝示意圖

采用掃頻法測試角振動臺的頻響特性(采樣率為為50 kHz)，可輸出穩(wěn)定的角振動信號的頻率范圍。讀取1 kHz范圍內(nèi)特定的一系列頻率(66、76、141、251、351、451、501、651、721、851、901、951、1 001 Hz)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，角振動臺在66 Hz及更大頻率條件下輸出角振動信號穩(wěn)定。在每個指定頻率下，以電壓Uin=Usin(2πf)驅(qū)動角振動臺旋轉(zhuǎn)。同時，為了降低人工操作激勵變換對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，實(shí)驗(yàn)中以頻率數(shù)組作為循環(huán)條件，實(shí)現(xiàn)對特定電壓幅值下，不同頻率激勵電壓的自動索引，將其輸出給角振動臺的模擬激勵端。

圖7為105-AVT角振動臺輸出角速度幅值與激勵電壓的比值隨頻率的變化曲線。與角振動臺響應(yīng)與頻率近似于對數(shù)線性下降的理論相吻合。

圖7 角振動臺臺面角速度響應(yīng)h隨頻率f變化

將曲線對應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)信息集成到LabVIEW軟件中，實(shí)現(xiàn)恒定角速率激勵對激勵電壓的自動索引，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)恒定角速率激勵。

3 自動標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)上一章節(jié)的分析，設(shè)計(jì)了圖8所示的MHD微角振動傳感器自動標(biāo)定系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)恒定角速率的循環(huán)激勵及數(shù)據(jù)的自動采集和分析[10]。PC機(jī)內(nèi)部角速度控制模塊根據(jù)圖7所示的轉(zhuǎn)換關(guān)系實(shí)現(xiàn)對不同頻率下特定角速率對所需激勵電壓的自動索引，并將激勵電壓輸出至角振動控制器的激勵信號端。臺面產(chǎn)生恒定角速率激勵后，PC機(jī)產(chǎn)生同步采集指令至A/D采集卡USB-6361與激光干涉儀，同步采集MHD微角振動傳感器輸出電壓與臺面角速度，采集數(shù)據(jù)通過USB接口保存至PC機(jī)指定位置。恒定角速度的循環(huán)激勵環(huán)節(jié)以頻率作為循環(huán)索引,循環(huán)激勵完成后，PC機(jī)對采集的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理，得出MHD微角振動傳感器的重復(fù)性、標(biāo)度因數(shù)、線性度，并將結(jié)果文件自動保存至標(biāo)定數(shù)據(jù)庫。

圖8 MHD微角振動傳感器自動標(biāo)定系統(tǒng)

使用激光干涉儀測量臺面轉(zhuǎn)動角速度，完成溯源。將激光干涉儀的反射鏡組固定在角振動臺臺面上，根據(jù)待測光線通過角度反射鏡組兩個反射鏡的光路差得出角位移。激光干涉儀的測量原理圖如圖9所示。

(a)平衡狀態(tài)下的光路

入射光在分光鏡處分成2路光L1和L2，L1和L2經(jīng)過不同的光路，最終在分光鏡處匯聚并發(fā)生干涉。初始對準(zhǔn)狀態(tài)[圖9(a)]時，2路光束的光程差為恒定值。當(dāng)激光干涉儀進(jìn)入測試狀態(tài)[圖9(b)]后，光電接收器計(jì)算并得到2束光的光程差，輸出相應(yīng)的角位移波形。由幾何計(jì)算可得，總光程差是2路光在反射鏡的入射點(diǎn)和出射點(diǎn)之間的平行方向上的距離差，即有：

ΔL=2Rsinθ

(1)

式中：R為激光干涉儀分光鏡中的2個鏡片中心間距常數(shù)；θ為角位移。

激光干涉儀的輸出值是角度值，通過USB口傳輸至PC機(jī)。

數(shù)據(jù)自動采集和分析環(huán)節(jié)利用采集卡同步采集MHD微角振動傳感器輸出電壓φ及激光干涉儀XL-80所測的溯源角速度Ωs。在激勵信號從某個頻率點(diǎn)向另一個頻率點(diǎn)切換后，根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)計(jì)算對應(yīng)頻率下MHD微角振動傳感器的標(biāo)度及相位，并將數(shù)據(jù)自動保存至結(jié)果文件。待掃頻采集完畢，對所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，自動計(jì)算待測指標(biāo)，從而完成MHD微角振動傳感器的自動測試與標(biāo)定。整體的標(biāo)定時序以及數(shù)據(jù)交換如圖10所示。由PC機(jī)控制角振動激勵和數(shù)據(jù)采集與處理的時序與循環(huán)，通過USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的快速傳輸。

圖10 自動標(biāo)定時序框圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

依據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)搭建了如圖11所示的實(shí)驗(yàn)平臺，對MHD微角振動傳感器樣機(jī)進(jìn)行測試標(biāo)定。角振動臺的激勵電壓以及輸出角加速度均通過同軸線纜與采集卡的模擬通道相連。MHD微角振動傳感器的輸出電壓接至采集卡模擬輸入端。MHD微角振動傳感器與激光干涉儀的反射鏡固聯(lián)在105-AVT角振動臺臺面上，通過工裝保證傳感器的敏感軸、反射鏡中心軸、角振動臺旋轉(zhuǎn)軸三軸合一。

圖11 測試系統(tǒng)實(shí)物圖

此外，完成安裝后，需要調(diào)節(jié)激光干涉儀的激光探頭和分光鏡及反射鏡之間的相對位置，在保證激光干涉儀光路與角振動臺臺面平行的基礎(chǔ)上，提供相對穩(wěn)定的測試光路。

在進(jìn)行測試標(biāo)定實(shí)驗(yàn)之前，首先對角振動臺的角速度輸出精度進(jìn)行測試。設(shè)置角振動臺提供微角速度幅值為0.015 rad/s、頻率范圍為65 Hz～1 kHz的掃頻激勵。激光干涉儀檢測角速度幅值，結(jié)果如圖12所示?？梢?，角振動臺輸出角速度幅值在65 Hz～1 kHz內(nèi)基本穩(wěn)定。使用激光干涉儀輸出角速度作為傳感器標(biāo)定的基準(zhǔn)。

圖12 角振動臺輸出角速度控制結(jié)果

設(shè)置角振動臺提供角速度幅值為0.015 rad/s、頻率范圍為65 Hz～1 kHz的掃頻激勵，測試MHD微角振動傳感器帶寬內(nèi)的標(biāo)度因數(shù)。MHD微角振動傳感器標(biāo)度因數(shù)隨頻率的變化曲線如圖13所示?？梢姡跍y試頻帶內(nèi)的MHD輸出感應(yīng)電壓幅值約為7.5 mV，標(biāo)度因數(shù)幅值為0.5 V/(rad·s)，最大偏離為17.5 mV/(rad·s)。

圖13 標(biāo)度因數(shù)S幅值隨頻率變化曲線

對66 Hz及801 Hz時MHD微角振動傳感器輸出線性度進(jìn)行測試，分別控制角振動輸出0.015、0.1、0.03、0.04、0.06、0.07、0.08、0.09、0.12 rad/s等一系列角速度幅值激勵，傳感器輸出電壓φ隨輸入角速度Ωs的變化曲線如圖14所示。可見，傳感器輸出線性度較好，線性擬合度優(yōu)于99.8%。801 Hz時，擬合曲線與實(shí)際值的最大誤差出現(xiàn)在0.06 rad/s,差值為0.246 mV，66 Hz時，最大差值出現(xiàn)在0.015 rad/s時，差值為0.1 mV。

圖14 MHD微角振動傳感器線性度

5 結(jié)束語

由于角振動臺輸入輸出對應(yīng)關(guān)系是離散化的，所以只能點(diǎn)頻測試。并且角振動臺內(nèi)置的加速度傳感器誤差以及USB-6361的輸出誤差，導(dǎo)致角振動臺的此對應(yīng)關(guān)系有微小的差別，角速度幅值控制結(jié)果會在設(shè)定角速度幅值上下進(jìn)行小范圍的波動，但傳感器的標(biāo)定基準(zhǔn)使用激光干涉儀輸出角速度，顯著提高了標(biāo)定精度。整個標(biāo)定系統(tǒng)的誤差主要來自激光干涉儀的輸出誤差，以及USB-6361對傳感器輸出電壓的采集誤差。其中，激光干涉儀精度高，自身測量誤差較小，環(huán)境對角度測量影響較小，所以主要的標(biāo)定誤差來源于安裝誤差，使得反射鏡組與傳感器敏感的真實(shí)角速度有差別，以及光路對準(zhǔn)會產(chǎn)生誤差。

為了滿足MHD微角振動傳感器對寬頻帶(3 Hz～1 kHz)恒定角速率激勵裝置的需求，建立了105-AVT角振動臺輸入模擬電壓與輸出角速度之間的關(guān)系，并將其集成到角振動臺控制端，最終能夠提供0.004～0.15 rad/s范圍內(nèi)的恒定角速率激勵。結(jié)合激光干涉儀搭建了適用于MHD微角振動傳感器的自動測試標(biāo)定系統(tǒng)，能夠根據(jù)測試需求自動對所需頻率、幅值下的傳感器輸出進(jìn)行采集處理。利用該測試系統(tǒng)對MHD微角振動傳感器帶寬內(nèi)的標(biāo)度因數(shù)及線性度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。結(jié)果表明，MHD微角振動傳感器的測量帶寬可達(dá)1 kHz，且輸出線性度優(yōu)于99.8%。