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Research on Temperature and Transverse Sensitivity Calibration Techniques for High Precision Vibration Transducers
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摘要: 高精度振动传感器被广泛用于航空航天发动机振动监测、高低温地面环境试验、模态试验等测量领域，是保障被测设备工作可靠的重要技术手段之一。精确测量振动传感器在高低温环境下的灵敏度温度响应，以及传感器的横向灵敏度，不仅对研究传感器性能、提高传感器工艺质量具有着重要意义，而且也是保障型号产品研制生产过程中各类地面测试试验数据可靠的关键。通过开展高精度振动传感器关键性能校准技术研究，基于振动比较法、温度逐点快速测试技术、横向灵敏度精确测量技术，采用PXI总线架构组建一套振动传感器关键参数一体化快速校准装置，形成一套测量评价系统，通过LabVIEW平台编写了控制与校准软件，实现了一体化控制与测量，解决高精度振动传感器温度响应、横向灵敏度等关键参数快速校准测试的难题。通过对校准装置进行测量不确定度分析评估以及验证试验，结果显示该方法可解决传感器温度特性、横向灵敏度等型号测试试验的特殊需求，优化传感器结构设计，进一步保障高精度振动传感器在线工作的稳定。Abstract: High-precision vibration transducers, extensively employed in aerospace engine vibration monitoring, high and low temperature ground environmental testing, and modal testing, play a critical role in ensuring the reliability of tested equipment. Accurate measurement of these transducers' sensitivity to temperature variations and their transverse sensitivity is crucial for understanding transducer performance, enhancing manufacturing process quality, and guaranteeing the reliability of various ground testing data in product development and production. This paper presents research on key calibration techniques for high-precision vibration transducers, utilizing vibration comparison methods, point-by-point rapid temperature testing technology, and precise measurement of transverse sensitivity. An integrated rapid calibration device for key parameters of vibration transducers was developed using a PXI bus architecture, creating a comprehensive measurement IEWevaluation system. Control and calibration software were developed on the LabView platform to enable integrated control and measurement. This advancement addresses the challenges in rapidly calibrating critical parameters like temperature response and transverse sensitivity. Measurement uncertainty analysis and verification experiments of the calibration device demonstrate this method's ability to meet specific testing requirements for transducer temperature characteristics and transverse sensitivity, optimize transducer design, and ensure stability in high-precision vibration transducers' online operation.
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图 1 灵敏度温度响应校准方法示意图
Figure 1. Schematic of the sensitivity temperature response calibration method
图 2 温度逐点控制技术实现流程图
Figure 2. Flowchart of the point-by-point temperature control technology
图 6 校准测试系统总体技术方案设计框图
Figure 6. Block diagram of the overall technical scheme for the calibration and testing system
图 16 160 Hz灵敏度温度响应测试数据
Figure 16. Sensitivity temperature response test data at 160 Hz
图 17 高低温下灵敏度温度响应幅值测试数据
Figure 17. Sensitivity temperature response amplitude test data at high and low temperatures
表 1 温度响应测量不确定度分量汇总
Table 1. Summary of measurement uncertainty components for temperature response
不确定度来源 半宽 扩展因子 相对标准不确定度 振动台失真度引入的不确定度分量urel,1(V) 0.68% $ \sqrt 3 $ 0.39% 标准振动台横向振动比引入的不确定度分量urel,2(V) 0.54% $ \sqrt {18} $ 0.13% 数据采集仪采集电压信号的测量误差引入的不确定度分量urel,3(V) 0.1% $ \sqrt 3 $ 0.11% 陶瓷传递杆引入的不确定度分量urel,4(V) 2% $ \sqrt 3 $ 1.16% 环境因素引入的不确定度分量urel,5(V) 0.5% $ \sqrt 3 $ 0.29% 温度变化对标准传感器灵敏度变化引入的测量不确定度分量urel,6(V) 0.36% $ \sqrt 3 $ 0.21% 安装参数引入的测量不确定度分量urel,7(V) 0.05% $ \sqrt 3 $ 0.029% 电荷放大器设定的归一化档读数引入的相对不确定度urel(D) 0.2% $ \sqrt 3 $ 0.12% 电荷放大器设定的增益档读数引入的不确定度分量urel(G) 0.5% $ \sqrt 3 $ 0.29% 标准传感器的灵敏度引入的不确定度分量urel(S) 160Hz：0.5%
其他点：1.0%2 160Hz：0.25%
其他点：0.50%测量重复性引入的不确定度分量urel(A) 0.05% / 0.05% 合成标准不确定度ucrel 160Hz：1.40%
其他点：1.46%扩展不确定度Urel 160Hz：2.8%
其他点：3.0%
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表 2 横向灵敏度测量不确定度分量汇总
Table 2. Summary of measurement uncertainty components for transverse sensitivity
不确定度来源 半宽 扩展因子 相对标准不确定度 振动台失真度引入的测量不确定度分量urel,1(V) 0.68% $ \sqrt 3 $ 0.39% 振动台横向振动比引入的测量不确定度分量urel,2(V) 0.54% $ \sqrt {18} $ 0.13% 数据采集仪采集电压信号的测量误差引入的测量不确定度分量urel,3(V) 0.1% $ \sqrt 3 $ 0.11% 横向灵敏度测量装置引入的测量不确定度分量urel,4(V) 1% $ \sqrt 3 $ 0.71% 环境因素引入的测量不确定度分量urel,5(V) 0.5% $ \sqrt 3 $ 0.29% 温度变化对标准传感器灵敏度变化引入的测量不确定度分量urel,6(V) 0.36% $ \sqrt 3 $ 0.21% 安装参数引入的测量不确定度分量urel,7(V) 0.05% $ \sqrt 3 $ 0.029% 电荷放大器设定的归一化档读数引入的相对不确定度urel(D) 0.2% $ \sqrt 3 $ 0.12% 电荷放大器设定的增益档读数引入的相对不确定度urel(G) 0.5% $ \sqrt 3 $ 0.29% 标准加速度计的灵敏度引入的相对不确定度urel(S) 1.0% 2 0.50% 测量重复性引入的不确定度分量urel(A) 0.05% / 0.05% 合成标准不确定度ucrel 1.08% 扩展不确定度Urel 2.1%
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表 3 高低温下温度响应幅值数据汇总
Table 3. Summary of temperature response amplitude data at high and low temperatures
温度点(℃) −70 85 200 最大偏差点频率(Hz) 640 10 20 最大偏差(%) 0.63 −1.26 −1.73
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