加速度传感器磁灵敏度校准技术研究

郑术力，郑文炜，刘国栋

（工业和信息化部电子第五研究所，广州 511300）

引言

压电式加速度传感器具有高测量带宽，大量程及工作温度范围广等特点而被广泛应用于航天航空[1]、能源电力[2]等领域的振动测试中。随着压电加速度传感器逐渐国产化，对加速度传感器性能参数特别是应用于特种环境下的加速度传感器的改善需求显得越来越急迫。如在能源电力领域，在使用压电式加速度传感器对电力变压器进行振动检测时，由于交变磁场的影响，压电式加速度传感器在将会输出虚假信号，影响测量准确度。传感器在交变磁场中最大输出值与磁场的磁感应强度的比值称为磁灵敏度[3]，它是压电式加速度传感器的重要参数之一。但是目前国内外对压电式加速度传感器磁灵敏度测试方法及其相关测试装置研究较少。

任峨松[4]提出使用螺管线圈作为磁场发生器，将加速度传感器装铅块上，对加速度传感器进行磁灵敏度测试的方法，最后对Endevco公司的2270标准加速度传感器进行磁灵敏度测试，并将测试结果与传感器出厂磁灵敏度进行对比，证明其提出的校准方法是可行的。

朱目成、赵海云[5]提出使用电磁铁装置产生交变磁场对压电式加速度传感器进行测量，通过改变压电加速度传感器灵敏度轴相对于磁场方向的夹角来测量出磁灵敏度。黄志煌、林喜鉴[6]提出了一种压电加速度传感器磁灵敏度的多维测试装置，该测试方法采用一对匝数相等、尺寸形状都相同的亥姆霍兹线圈形成稳定的磁场，旋转台来控制磁场方向与加速度传感器灵敏度轴的夹角，从而实现压电加速度传感器的磁灵敏度多维测试。

上述研究为深入研究加速度传感器磁灵敏度校准技术开拓了思路，然而，上述校准技术在均存在传感器或线圈转动引起的机械振动，导致校准不确定度变大。因此本文在ISO/DIS 16063-33《振动与冲击传感器的校准方法 磁灵敏度测试》[7]测试方法的基础上提出了一种基于PID控制技术的磁灵敏度校准装置。该校准装置通过磁场旋转扫描，可以自动完成校准过程，无运动部件，不受振动影响，具有测量不确定度低，测试快捷等特点。

1 加速度传感器磁灵敏度校准装置设计方案

1.1 总体技术方案

根据JJG 233-2008 《压电加速度计检定规程》磁灵敏度的检定方法，将被检加速度传感器安装在一个50 Hz或60 Hz的已知磁场中，先将特斯拉计安装加速度计的位置测出磁场强度B，然后旋转加速度传感器或旋转磁场方向，找出加速度传感器输出的最大值。根据加速度传感器的参考灵敏度，将最大输出值换算成等效加速度，再除以磁场磁感应强度，即：

式中：

SB—磁灵敏度；

aBmax—输出最大值的等效加速度；

B—检定时交变磁场的磁场强度。

根据上述要求，我们设计了加速度传感器磁灵敏度的自动校准的总体方案。方案加速度传感器保持不动，通过3对正交的亥姆霍兹线圈产生旋转磁场，改变磁场方向与传感器灵敏度轴的空间夹角，对传感器进行步进扫描，从而能够获得传感器的磁灵敏度。

加速度加速度传感器磁灵敏度校准装置由一个隔振平台、三轴亥姆霍兹线圈、功率放大器、信号发生器、信号采集器、上位机、底座、电流传感器、信号适调器组成，如图1所示。

图1 加速度传感器磁灵敏度校准装置的组成

典型的测试磁场的磁感应强度为10 mT 、频率为50 Hz，本文对加速度传感器磁灵敏度校准装置的指标分解如表1所示。

表1 加速度传感器磁灵敏度自动校准装置的指标分解

1.2 关键技术

1.2.1 三维磁场合成技术

亥姆霍兹线圈可以产生磁场强度高达数百高斯的磁场，磁场均匀区大，操作空间开阔，是理想的磁场发生装置，且亥姆霍兹线圈的输入电流与磁场强度之间有很好的线性关系，可以实现精确控制。通过3对亥姆霍兹线圈产生两两正交的磁场，3个磁场耦合后，在空间可产生任意方向的直流、交流磁场。因此，采用3对亥姆霍兹线圈作为磁场发生装置，可以满足本方案在空间任意方向产生交变均匀磁场的设计需求。根据场的叠加理论，其磁场分布可由3个亥姆霍兹线圈产生的磁场叠加而成。当各个亥姆霍兹线圈产生的磁场交变频率、相位相同而幅值不同时，磁场的方向由各个磁场的磁场强度最大值决定。

式中：

Fx、Fy、Fz—X轴、Y轴和Z轴线圈产生的磁场强度最大值；

f—磁场交变频率；

t—时间；

θ—相位角。

1.2.2 磁场监测技术

开环霍尔电流传感器是基于霍尔效应对电流进行测试的传感器。如图2所示，开环霍尔电流传感器对被测电流IP产生的磁场进行测试，其霍尔元件输出与被测电流IP成正比的电压VH，电压VH经过运算放大器被比例放大为输出电压VO，该输出电压VO与被测电流IP成正比。HALL开环电流传感器可以测量直流、交流和复杂的电流波形，具有电气绝缘，插入损耗小，测量精度高，价格便宜等优点[8]。

图2 开环霍尔电流传感器

本文选择HALL开环电流传感器作为监测亥姆霍兹线圈电流的传感器。通过测试亥姆霍兹线圈绕线的电流幅度、相位和频率来求得亥姆霍兹线圈产生磁场的强度、方向、磁场频率等。亥姆霍兹线圈的磁场强度与电流I之间的关系表达式如式（3）。

Bmax—磁场强度最大值；

µ0—磁导率；

N0—线圈匝数；

I—线圈电流；

R—线圈半径。

1.2.3 磁场控制技术

PID控制器是应用最广泛的一种控制器，按比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制，其输入输出关系如式4所示。PID控制器适用性强，对于数学模型不易于精确求得，参数变化大的被控对象，采用PID校正往往能够得到满意的控制效果。

本文提出的磁灵敏度自动校准装置中信号发生器分别产生正弦信号通过功率放大器驱动3对磁场线圈分别产生的正弦磁场，进而耦合为空间任意方向的合成磁场。在磁灵敏度自动校准装置在控制过程中，采用3个PID控制器分别单独对3个轴进行控制，3个控制器均应设定合适的PID调节参数，以消除稳态误差并保持良好的动态特性。具体的PID调节参数需要在测试过程中反复调节选定。PID控制原理图如图3所示。

图3 亥姆霍兹线圈PID控制原理图

2 实验验证

为在实验上验证本文提出的加速度传感器磁灵敏度校准装置方案的可行性，对校准装置的技术性能进行了验证。我们定义磁场B的矢量方向由磁场在X-Y平面上的投影与X轴的夹角α，磁场与Z轴的夹角β确定。X轴、Y轴、Z轴方向上的磁场强度分量Bx、By、Bz分别由以下式子确定：

使用特斯拉计对校准装置产生的磁场进行校准，校准频率为60 Hz，磁场强度为10 mT，测试结果如表2所示。考虑到信号源具有锁相功能并且在（40～60）Hz的条件下功率放大器的相位漂移很小，我们认为磁场相位漂移对合成磁场稳定性影响很小。

表2 磁场测量表

本文还选择Endevco公司生产的2270型标准加速度传感器进行磁灵敏度测试，在频率为60 Hz、磁场强度为10 mT、空间步进角度为10 °的条件下，测得其磁灵敏度为21.74 m/s2/T。 经查阅说明书，2270加速度传感器标称磁灵敏度不超过30 m/s2/T，考虑到压电加速度传感器产品质量一致性和测试过程中的测量不确定度等因素，所测磁灵敏度与标称磁灵敏度处于同数量级且小于标称磁灵敏度，测试数据合理。

以上2个试验结果表明，本文研制的加速度传感器磁灵敏度校准装置能够满足加速度传感器的校准需求。

3 结论

本文在ISO/DIS 16063-33《振动与冲击传感器的校准方法 磁灵敏度测试》的测试方法的基础上提出了一种基于PID控制技术的磁灵敏度校准装置。该校准装置在校准过程中，无运动部件，被检加速度传感器不受机械振动影响，具有测量不确定度低，测试快捷等特点。对加速度传感器的质量提升有一定的积极作用。