高溫環境激光測振實驗研究

徐佳，張炳毅

(中航工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095)

0 引言

目前，振動測量技術在航空航天、建筑交通、兵器船舶、企業制造等領域得到了廣泛應用。振動測量方法分為接觸式測量和非接觸式測量兩類［1］。接觸式測量主要應用壓電加速度計對振動進行測量，其安裝方式、安裝位置對測量有較大影響。激光測振技術是一種重要的非接觸式無損測量技術。該技術測量精度高、動態范圍大，同時不影響被測物體的運動，有著廣闊的應用與發展前景［2］。

隨著現代科學技術的發展，對高溫環境下的振動測量提出了工程需求。壓電加速度計在實際應用中存在靈敏度特性隨溫度變化的問題，單純依靠溫度響應曲線進行靈敏度修正難以獲得準確的加速度，且使用壓電加速度計進行測量能夠達到的溫度具有一定局限性［5］。激光測振技術在高溫環境下具有顯著的優勢。本文對高溫環境下的激光測振技術進行了研究。

1 高溫激光測振試驗系統及工作原理

高溫激光測振試驗系統結構如圖1所示。該系統主要由激光干涉儀、高溫試驗箱和振動臺組成，搭配計算機控制及采集系統，共同組成功能完整的實驗系統。振動臺由功率放大器連接至計算機，為試驗提供振動激勵信號。振動臺臺面中心剛性安裝參考加速度計，由該加速度計提供室溫下的標準加速度作為參考。高溫試驗箱提供高溫環境，其頂部和底部中心分別開觀察孔。振動臺通過安裝在動圈上的動圈連接桿經底部觀察孔將振動傳遞至高溫試驗箱內部。激光干涉儀發出激光，經高溫試驗箱頂部的觀察孔投射至動圈連接桿上表面并反射回激光干涉儀，干涉信號經激光干涉儀發送至計算機，計算得出被測加速度。

圖1 高溫激光測振試驗系統結構圖

為保證高溫試驗箱氣密性及溫度均勻性，頂部觀察孔用石英片覆蓋，底部動圈連接桿與溫箱壁之間用隔溫物質填覆，以減少高溫試驗箱工作時熱輻射及高溫空氣逸出對振動臺工作的影響。

2 實驗及結果分析

本實驗中使用的激光干涉儀為Ometron VH300 +，靈敏度為10 V/(m·s-1);高溫試驗箱為中儀國科DHG-9070B，溫度范圍為室溫加10℃到300℃，溫度均勻度為±2℃;振動臺為東菱ESS-025;參考用加速度計為PCB 301A11，靈敏度為100.6 mV/g。

2.1 動圈連接桿傳遞效果分析

動圈連接桿結構如圖2所示，采用分段設計，頂部和底部采用45 號鋼，便于安裝固定，中間采用氧化鋁陶瓷，更好地進行隔熱。動圈連接桿底部連接件為空心結構，為參考加速度計的安裝預留空間。由于動圈連接桿的材料、結構設計、安裝方式的影響，采用動圈連接桿將振動臺的激勵信號傳遞至高溫試驗箱內部將會引入一定的誤差［4］。為減少誤差源，先就動圈連接桿對振動信號傳遞效果進行分析。

圖2 動圈連接桿結構圖

在室溫下，先將參考加速度計301A11 與加速度計ENDEVCO 2270M8 以“背靠背”方式剛性安裝在振動臺臺面中心，如圖3(a)所示。計算機控制振動臺給出20 ～3000 Hz 標準正弦信號，采用比較法對2270M8 在各頻率下的靈敏度進行測量［3］，測量結果見圖4。再將參考加速度計301A11 剛性安裝在振動臺臺面中心，動圈連接桿剛性安裝在動圈上，并將加速度計2270M8 剛性安裝在動圈連接桿頂部中心，使三者同軸，如圖3(b)所示。計算機控制振動臺給出20 ～3000 Hz 標準正弦信號，采用比較法對2270M8 在各頻率下的靈敏度進行測量，測量結果見圖4。

圖3 加速度計安裝示意圖

圖4 動圈連接桿傳遞效果

由圖4 可知，動圈連接桿對振動的傳遞效果與振動頻率有關。當振動頻率小于等于1000 Hz 時，傳遞誤差絕對值在2.60%以內，且隨著振動頻率的增加傳遞誤差逐漸增大。當振動頻率大于1000 Hz 時，隨著振動頻率的增加傳遞誤差迅速增大，當振動頻率為3000 Hz 時，傳遞誤差達到-81.21%?？梢?，動圈連接桿在中頻下傳遞誤差較小，高頻下傳遞誤差迅速增大，這與動圈連接桿的安裝扭矩、橫向振動和諧振有關。因此，本文所設計的動圈連接桿結構僅適用于中頻實驗。在后續激光測振試驗中，試驗頻率選定為160 Hz，以減小動圈連接桿引入的傳遞誤差。

2.2 高溫環境下激光測振實驗及結果分析

2.2.1 高溫環境下加速度計溫度響應

首先對高溫環境下加速度計2270M8 溫度響應進行實驗。由于2270M8 溫度響應范圍為-54 ～177 ℃，設定高溫試驗箱的溫度由50℃逐步增加至170 ℃，溫度間隔為20 ℃。將參考加速度計301A11 剛性安裝在振動臺臺面中心，動圈連接桿套在參考加速度計上且與振動臺臺面剛性連接，兩者不接觸，2270M8 安裝在動圈連接桿頂部中心，三者同軸，如圖3(b)所示，采用比較法對2270M8 加速度進行測量。測量結果見表1。

由表1 可知，使用比較法測得的2270M8 加速度均略小于參考加速度，隨著溫度的升高，加速度計靈敏度逐漸增大，導致比較法測得加速度與參考加速度的相對誤差逐漸增大。此外，常用壓電加速度計的工作溫度范圍通常不超過180 ℃，使得高溫環境下加速度測量具有一定的溫度局限性。

表1 高溫環境下2270M8 溫度響應

2.2.2 高溫環境下激光測振與參考加速度對比

計算機控制振動臺輸出頻率為160 Hz，設定高溫試驗箱的溫度由50℃逐步增加至250℃，溫度間隔為20℃，采用激光測振法對動圈連接桿上表面進行加速度測量。同時，將參考加速度計301A11 剛性安裝在振動臺臺面中心，對加速度進行測量作為參考。測量結果見表2。

由表2 可知，在高溫環境下激光測振法測得的加速度均略小于參考加速度。激光測振結果與參考值的相對誤差分布在-0.71%到-5.63%之間，在70℃時，相對誤差最大。為找到影響因素，按照本節方法再進行3 組實驗，所得激光測振法加速度與參考加速度相對誤差如圖5所示。

表2 不同溫度下激光測振結果

圖5 激光測振加速度與參考加速度相對誤差

由圖5 可知，激光測振所得加速度與參考加速度之間的相對誤差在-3.5%以內，隨溫度變化隨機分布。其影響因素主要包括以下幾方面:①高溫試驗箱控溫均勻度為±2℃，內部空氣溫度不同導致的密度不同，使得激光在傳播中發生折射，從而影響測振結果;②每次測量時振動臺提供的振動加速度不完全相同，振幅也不完全相同，從而激光在動圈連接桿上表面發生反射的位置也不相同。動圈連接桿上表面未進行拋光處理，不同位置的激光反射角度存在差異，從而影響測振結果。此外，表2 中70℃時相對誤差較大，還可能與高溫試驗箱發生振動等其他干擾有關。

采用該激光測振試驗系統，在250℃高溫下激光測振依然能正常工作，彌補了壓電加速度計在高溫條件下測振的不足，且激光測振在高溫條件下具有較好的穩定性和較高的精度。

3 結論

根據激光測振原理，搭建了一套高溫激光測振試驗系統。通過實驗分析了動圈連接桿對振動的傳遞效果，在中頻下傳遞誤差較小，高頻下傳遞誤差較大，并為高溫激光測振實驗選定了實驗頻率，減小了動圈連接桿引入的誤差。采用該試驗系統進行了高溫環境下的比較法測振和激光測振實驗。實驗結果表明:壓電加速度計在高溫環境下測振具有一定的溫度局限性，激光測振能夠彌補壓電加速度計在高溫下測振的不足，且具有較好的穩定性和較高的精度。

［1］趙錦春.激光測振在振動計量中的發展概況及作用［J］.計量與測試技術，2011，38(6):11-13，15.

［2］鄭光亮.激光非接觸測振方法在振動試驗中的應用［D］.南京:南京航空航天大學，2012.

［3］任紅磊，邵新慧.加速度計高頻振動校準中的相關技術問題［J］.計測技術，2010，30(4):33-35.

［4］李軍強，史楠楠.深井高溫對鉆柱橫向振動固有頻率影響研究［J］.石油機械，2006，34(6):14-16.

［5］洪寶林.力學計量［M］.北京:原子能出版社，2002.