高频_小位移加速度传感器标定方法研究

正 Lissajous 图形的椭圆形状，即光束和光检测器以及线路偏置和增益错误的不对准．使用最小二乘法
技术，把类似椭圆形数据点转变成类似圆形数据点．然后算法通过在两组相关数据之间求积分求出位
移．最后，算法使用卷积积分技术确定振动频率点正弦曲线的峰
5
值位移和相位．这个过程可以依次进行峰值加速度和加速度计的
HUANG Xi-zhen，CHEN Wei，WANG Peng-hui
( Tianjin Navigation Instrument Research Institute, Tianjin 300130, China )
On the basis of describing the comparative calibration method, absolute calibration method and the characteristics of two methods, the paper analyzed the principle of integral interferometer by using accelerometer with high frequency and small displacement, further, and made introduction to the constitutes of the system.
第3期
黄西珍，等：高频、小位移加速度传感器标定方法研究
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察干涉条纹的光检测仪的输出进行精密复杂 的分析运算，得出比较精确的标定结果．该
V 光检测器
仪器为一个积分干涉仪，总是提供有 90 ° 相移的两个波．为了建立积分系统，可以把
偏振光束分离器
可动镜子
被测单元
针对光束分离器的偏振激光源确定在 45 ° H 光检测器 方向．光线因而有相等的水平和垂直分量，
偏振器
即 和 分量．一个偏振光分离器把两个分 激光偏振轴 量分别传给置于同样环境条件的两个干涉仪．
V
但是在两个光束之间有一种临界的化学差分：H
光束通过一个减慢光线的光学减速器，光线
偏振激光
1/4 波 长 减速器
非偏振光束 分离器
沿着减速器的轴偏振，不仅减慢了光速而且
基准镜
使光束针对它的轴正交偏振．因而对其中一 束光的光路增加 1/4 的波长．
calibration；accelerometer； laser interferometer
0 引言
干涉计量是一种能够精确到光的波长级的精密测量技术．应用光的干涉进行测量的方法称为干涉测 量技术．一般干涉测量装置由光源、干涉装置、检测器和信号处理系统组成．其检测精度可以小于光源 波长的一半．例如：利用激光干涉技术，现在可以标定振动位移小于 1 个光波长度的位移传感器以及加 速度计．根据不同的要求，加速度计的测试与标定有不同的试验方法．加速度计线振动试验是利用精密 线振动台产生的线振动加速度作为输入来标定加速度计各项性能的一种试验，主要用于标定加速度计的 二阶非线性系数，也可以用于验证加速度计的标定因数、偏值的长期稳定性和结构强度等．
对于高频的被测加速度计，相当于用一条干涉条纹的一部分
作为最终测量结果的评估，而不是计算完整的干涉条纹．而
B
干涉条纹亮度的改变符合正弦分布．在正弦顶部或底部的变
化很小或甚至没有变化，最大的变化是在上升或下降的斜坡 强度
A
上，如图 2 所示．如果能够确定，这部分的变化量，所得到
的测试数据会准确得多，而使用传统测试设备则无法做到．
合于振荡器组件的机械结构，可以对频率高达 50 kHz 的加 速度计使用绝对标定法进行标定，其成本与比较法标定基 本等同．国外的一个加速度计和标定系统的主要开发商开
光束分离镜 图 1 干涉仪构造示意图 Fig. 1 The structure sketch of interferometer
发了一个完全符合相关国际组织标准化标准的自动化标定
系统 ． [1]
在这种标定系统中使用的是一种改进的干涉仪设备，设备的一端是一面可动的镜子，优于迈克逊-
莫利实验中使用的固定的镜子．使用活动反射镜是标准干涉仪的改进，采用 He-Ne 气体激光器作为光
源，其波长为 0.632 82 m 且十分稳定．把移动镜子与被测试加速度计联接在一起，当镜子移动半个波
参数的最大、最小极限值时，标定数值更难测定．
反射镜
2 高频加速度计及小位移传感器的标定
图 1 是用于标定运动物体位移的光学干涉法原理图．美
国物理学家阿尔伯特 迈克逊和美国化学家爱德华 莫利曾 经在他们非常著名的试验中使用过该方法．在实验中，他
路径补偿装置
们设计了一个干涉仪，这个干涉仪把一束光分开，以使它
（ 天津航 海仪器 研究所， 天津 300130 ）
摘要 在叙述了比较标定方法、绝对标定方法以及两种方法特点的基础上，分析了积分干涉仪用于标定高频、小
位移加速度传感器的原理，并对系统构成作了介绍．
关 键 词 标定；加速度传感器；激光干涉仪
中图分类号 U441.2
文献标识码 A
Research for Calibration Method of Accelerometer with High Frequency and Small Displacement
两种标定法相比较在成本和复杂性上的差别可能会有一个数量级，甚至对某些被测物理量使用两种
方法的差别会更大一些，但是对另外一些参数可能使用绝对标定法更容易．例如，由于长度可以用一种
光源的波长定义，因而长度是比较容易检测的参数．同样地，随着原子钟的普及，精密的时间参数也比
较容易检测．对于某些物理量，像温度和加速度采用绝对标定技术进行标定是比较困难的．当测量这些
亮度和别的机械及光学误差之间的差别，尽管被测位移比激光输出的波长要小得多，标定系统能够求出
位移信息．
对于这种检测方法，边界数据是无意义的．在上述的测试系统中，算法依据已取得的数据并使用不
同的技术处理数据，用于提高数据的有效性，如果把取自每一个光检测的数据会成一个 - 图表，可以
得到一个 Lissajous 图形，如图 4 所示．这种标定系统的算法有几个功能．在最简单的形式中，它可以矫
3
灵敏度的计算．两个检测器通道必须有相同的触发，以使取得的
数据有确定的相位关系．测试一个加速度计包括复杂地机械结构．
为保证固定可动镜子的运动极板和被测加速度计的横向对准具有
-6
0
6
很小的行程，系统设计使用自定忠信的空气轴承．另外，采用铍
-1
极板，可以具有密度低、刚度好的特点．激光源和干涉仪必须在
最大程度上与振荡器的运动和操作环境分离开．这就要求在激光
第 36 卷 第 3 期 Vol.36 No.3
河北工业大学学报 JOURNAL OF HEBEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
文章 编号：1007-2373 (2007) 03-0075-03
2007 年 6 月 June 2007
高频、小位移加速度传感器标定方法研究
黄西珍，陈 伟，王鹏辉
参考文献：
[1] Sillm，Robert D．A Quadrature Laser Interferometer for Accelerometer Calibration [D]．Endevco TP 316，2000． [2] Schweber，Bill，Optics．Electronics merge to provide a sense of where you are [J]．Electrical Design News，2002，47（12）：33-34． [3] 万 德安． 激光基准 高精度测 量技术 [M]． 北京： 国防工业 出版社，1999． [4] 罗 先和， 张广军， 骆飞，等 ．光电 检测技术 [M]．北京： 航空航天 大学出 版社，1999． [5] 黄 俊钦． 测试系统 动力学 [M]． 北京：国 防工业 出版社，1999． [6] 江 之水， 积守洙． 普通物理 学 [M]．北京 ：人民 教育出版 社，1981． [7] 何 铁春， 周世勤． 惯性导航 加速度 计 [M]．北京 ：国防工 业出版社 ，1983．
要解决上面提到的问题，可以对普通干涉仪进行改造，
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通过 使用一个偏振 激光器，2 个光 检测仪和 1 个 光减速器， 1/4 1/2 3/4 1 -1/4
组成一个积分干涉仪，如图 3 所示．一条光路光程总是比另 一路光程长 1/4 波长，增强了干涉仪的自身功能．加之对观
路径差 图 2 干涉条纹强度变化与路径差的关系 Fig. 2 The interference stripe and path difference
长，光路改变一个波长．利用这种干涉仪在低频地每个振动周期，能呈现出足够明显的干涉条纹，由此
可以测出有意义的和精确的结果．但是，当振动频率很高，振动位移很小以至于不能产生一个完整的干
涉条纹，它可能只出现一个干涉条纹的百分之几，这种情况下很难评定被测参数．
对于频率高于 1 kHz 的加速度计进行标定，可以采用以下的方法克服使用基本干涉仪标定时的缺陷．
们沿着相互垂直并独立的路线传播，然后再重新叠加．试 光源
验中能观察到两束波叠加后形成的明、暗的干涉条纹．对
反
于频率高于 1 kHz 的加速度计的标定，加速度计的位移只
射
镜
相当于一种光波的波长，标定这种加速度计使用传统的激
光干涉技术以及进行干涉条纹的计算并不是很好的测量方法．
有些专业厂家对上述干涉仪器进行了改变，设计出适
收 稿日期：2006-03-14 作 者简介： 黄西珍 （1963-）， 女 （汉族），高级 工程师．
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河北工业大学学报
第 36 卷
减小测量结果．另一种标定方法是绝对标定法，在这种方法中，可以通过一些基准物理量进行标定，这
些物理量不是直接的被测参数．例如，原子钟可以给微波-频率计量器提供时间基准．一般情况下，绝 对标定法比比较标定法更复杂、成本更高，但是某些测试结果只能用绝对标定法取得．
1 比较标定法与绝对标定法
实现标定的通用方法是使用比较法，例如标定一个信息源就是采用比较标定法．通常标定一个信号 源的基本技术是使用 19 世纪法国的物理学者 Jules A Lissajous 命名的 Lissajous 图形比较．使用这个技术， 必须提供一个已知的、标准频率的晶振源，例如，将 100 kHz 引入到示波器的垂直通道，同时把要测试 的信号输入到水平通道．当频率不一致的时候，产生椭圆转动，当它们的频率数值接近时转动减慢，当 未知的信号频率和已知的信号频率匹配时转动停止．如果它们的频率差是 2.1，能得到一个 8 字型图形． 这种检测也可以利用其它整数比例关系，测量被测信号，这个整数关系可以通过计算屏幕上 X 轴对 Y 轴的环数得到．另一方面，通过观察 Lissajous 图形的旋转，也能够判断与标准信号源比较的未知信号 的漂移．但是在整个标定的一些特定阶段，可能不存在比被测信号更好的信号源，因而采用这个方法有 一定的局限性．此外，在比较的整个过程中存在固有的不可避免的误差，并且数据处理方法本身趋向于
图 3 积分干涉仪工作原理图 Fig. 3 The working theory of integral interferometer
使用该设备，其中一个光检测中，在或靠近最大斜坡的区域总能看见一个干涉条纹图案，所以被观
测的数据总是与其变化相一致．然后通过使用两个光检测器输出的两组相互关联的数据，矫正干涉条纹
台和运动台之间使用弹性隔振固定架．
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3 结论
图 4 Lissajous 图 样 Fig. 4 The draft of Lissajous
使用这个系统，可以标定振动频率从 20 kHz 到 2 500 kHz 的加速度计，误差约为 0.5 %，从 5 kHz 到 10 kHz 的加速度计，误差均为 1%，从 10 kHz 到 20 kHz 的加速度计，误差约为 3%．