高温环境激光测振实验研究

徐佳，张炳毅

(中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京100095)

0 引言

目前，振动测量技术在航空航天、建筑交通、兵器船舶、企业制造等领域得到了广泛应用。振动测量方法分为接触式测量和非接触式测量两类［1］。接触式测量主要应用压电加速度计对振动进行测量，其安装方式、安装位置对测量有较大影响。激光测振技术是一种重要的非接触式无损测量技术。该技术测量精度高、动态范围大，同时不影响被测物体的运动，有着广阔的应用与发展前景［2］。

随着现代科学技术的发展，对高温环境下的振动测量提出了工程需求。压电加速度计在实际应用中存在灵敏度特性随温度变化的问题，单纯依靠温度响应曲线进行灵敏度修正难以获得准确的加速度，且使用压电加速度计进行测量能够达到的温度具有一定局限性［5］。激光测振技术在高温环境下具有显著的优势。本文对高温环境下的激光测振技术进行了研究。

1 高温激光测振试验系统及工作原理

高温激光测振试验系统结构如图1所示。该系统主要由激光干涉仪、高温试验箱和振动台组成，搭配计算机控制及采集系统，共同组成功能完整的实验系统。振动台由功率放大器连接至计算机，为试验提供振动激励信号。振动台台面中心刚性安装参考加速度计，由该加速度计提供室温下的标准加速度作为参考。高温试验箱提供高温环境，其顶部和底部中心分别开观察孔。振动台通过安装在动圈上的动圈连接杆经底部观察孔将振动传递至高温试验箱内部。激光干涉仪发出激光，经高温试验箱顶部的观察孔投射至动圈连接杆上表面并反射回激光干涉仪，干涉信号经激光干涉仪发送至计算机，计算得出被测加速度。

图1 高温激光测振试验系统结构图

为保证高温试验箱气密性及温度均匀性，顶部观察孔用石英片覆盖，底部动圈连接杆与温箱壁之间用隔温物质填覆，以减少高温试验箱工作时热辐射及高温空气逸出对振动台工作的影响。

2 实验及结果分析

本实验中使用的激光干涉仪为Ometron VH300 +，灵敏度为10 V/(m·s-1);高温试验箱为中仪国科DHG-9070B，温度范围为室温加10℃到300℃，温度均匀度为±2℃;振动台为东菱ESS-025;参考用加速度计为PCB 301A11，灵敏度为100.6 mV/g。

2.1 动圈连接杆传递效果分析

动圈连接杆结构如图2所示，采用分段设计，顶部和底部采用45 号钢，便于安装固定，中间采用氧化铝陶瓷，更好地进行隔热。动圈连接杆底部连接件为空心结构，为参考加速度计的安装预留空间。由于动圈连接杆的材料、结构设计、安装方式的影响，采用动圈连接杆将振动台的激励信号传递至高温试验箱内部将会引入一定的误差［4］。为减少误差源，先就动圈连接杆对振动信号传递效果进行分析。

图2 动圈连接杆结构图

在室温下，先将参考加速度计301A11 与加速度计ENDEVCO 2270M8 以“背靠背”方式刚性安装在振动台台面中心，如图3(a)所示。计算机控制振动台给出20 ～3000 Hz 标准正弦信号，采用比较法对2270M8 在各频率下的灵敏度进行测量［3］，测量结果见图4。再将参考加速度计301A11 刚性安装在振动台台面中心，动圈连接杆刚性安装在动圈上，并将加速度计2270M8 刚性安装在动圈连接杆顶部中心，使三者同轴，如图3(b)所示。计算机控制振动台给出20 ～3000 Hz 标准正弦信号，采用比较法对2270M8 在各频率下的灵敏度进行测量，测量结果见图4。

图3 加速度计安装示意图

图4 动圈连接杆传递效果

由图4 可知，动圈连接杆对振动的传递效果与振动频率有关。当振动频率小于等于1000 Hz 时，传递误差绝对值在2.60%以内，且随着振动频率的增加传递误差逐渐增大。当振动频率大于1000 Hz 时，随着振动频率的增加传递误差迅速增大，当振动频率为3000 Hz 时，传递误差达到-81.21%。可见，动圈连接杆在中频下传递误差较小，高频下传递误差迅速增大，这与动圈连接杆的安装扭矩、横向振动和谐振有关。因此，本文所设计的动圈连接杆结构仅适用于中频实验。在后续激光测振试验中，试验频率选定为160 Hz，以减小动圈连接杆引入的传递误差。

2.2 高温环境下激光测振实验及结果分析

2.2.1 高温环境下加速度计温度响应

首先对高温环境下加速度计2270M8 温度响应进行实验。由于2270M8 温度响应范围为-54 ～177 ℃，设定高温试验箱的温度由50℃逐步增加至170 ℃，温度间隔为20 ℃。将参考加速度计301A11 刚性安装在振动台台面中心，动圈连接杆套在参考加速度计上且与振动台台面刚性连接，两者不接触，2270M8 安装在动圈连接杆顶部中心，三者同轴，如图3(b)所示，采用比较法对2270M8 加速度进行测量。测量结果见表1。

由表1 可知，使用比较法测得的2270M8 加速度均略小于参考加速度，随着温度的升高，加速度计灵敏度逐渐增大，导致比较法测得加速度与参考加速度的相对误差逐渐增大。此外，常用压电加速度计的工作温度范围通常不超过180 ℃，使得高温环境下加速度测量具有一定的温度局限性。

表1 高温环境下2270M8 温度响应

2.2.2 高温环境下激光测振与参考加速度对比

计算机控制振动台输出频率为160 Hz，设定高温试验箱的温度由50℃逐步增加至250℃，温度间隔为20℃，采用激光测振法对动圈连接杆上表面进行加速度测量。同时，将参考加速度计301A11 刚性安装在振动台台面中心，对加速度进行测量作为参考。测量结果见表2。

由表2 可知，在高温环境下激光测振法测得的加速度均略小于参考加速度。激光测振结果与参考值的相对误差分布在-0.71%到-5.63%之间，在70℃时，相对误差最大。为找到影响因素，按照本节方法再进行3 组实验，所得激光测振法加速度与参考加速度相对误差如图5所示。

表2 不同温度下激光测振结果

图5 激光测振加速度与参考加速度相对误差

由图5 可知，激光测振所得加速度与参考加速度之间的相对误差在-3.5%以内，随温度变化随机分布。其影响因素主要包括以下几方面:①高温试验箱控温均匀度为±2℃，内部空气温度不同导致的密度不同，使得激光在传播中发生折射，从而影响测振结果;②每次测量时振动台提供的振动加速度不完全相同，振幅也不完全相同，从而激光在动圈连接杆上表面发生反射的位置也不相同。动圈连接杆上表面未进行抛光处理，不同位置的激光反射角度存在差异，从而影响测振结果。此外，表2 中70℃时相对误差较大，还可能与高温试验箱发生振动等其他干扰有关。

采用该激光测振试验系统，在250℃高温下激光测振依然能正常工作，弥补了压电加速度计在高温条件下测振的不足，且激光测振在高温条件下具有较好的稳定性和较高的精度。

3 结论

根据激光测振原理，搭建了一套高温激光测振试验系统。通过实验分析了动圈连接杆对振动的传递效果，在中频下传递误差较小，高频下传递误差较大，并为高温激光测振实验选定了实验频率，减小了动圈连接杆引入的误差。采用该试验系统进行了高温环境下的比较法测振和激光测振实验。实验结果表明:压电加速度计在高温环境下测振具有一定的温度局限性，激光测振能够弥补压电加速度计在高温下测振的不足，且具有较好的稳定性和较高的精度。

［1］赵锦春.激光测振在振动计量中的发展概况及作用［J］.计量与测试技术，2011，38(6):11-13，15.

［2］郑光亮.激光非接触测振方法在振动试验中的应用［D］.南京:南京航空航天大学，2012.

［3］任红磊，邵新慧.加速度计高频振动校准中的相关技术问题［J］.计测技术，2010，30(4):33-35.

［4］李军强，史楠楠.深井高温对钻柱横向振动固有频率影响研究［J］.石油机械，2006，34(6):14-16.

［5］洪宝林.力学计量［M］.北京:原子能出版社，2002.