激光位移传感器动态幅值校准研究

李杰，陶强，王苏波，张部声

（天津航天瑞莱科技有限公司，上海 201100）

引言

基于三角测量法的激光位移传感器，适用于高精度、短距离的测量[1-3]。首先，通过其上安装的激光发射器将激光射向被测物体表面，让物体表面散射或镜面反射；然后，再由其内部安装的接收器接收信息；最后数字处理器可通过几何关系计算出激光位移传感器与被测物体之间的距离。根据这一特性，激光位移传感器可应用于振动信号的测量。

目前，针对激光位移传感器的计量，主要参照中华人民共和国国家计量技术规范JJF 1663《激光测微仪校准规范》[4]，但标准校准的项目为重复性、漂移和示值误差，且示值误差仅为静态误差。而如果参照中华人民共和国国家计量检定规程JJG 644《振动位移传感器检定规程》中的方法进行计量时[5]，由于采用标准振动台作为振动激励源，其最大加速度（一般为100 g 或50 g）远无法满足高频下的位移振幅校准。例如，如果频率为1 000 Hz，位移振幅为0.5 mm 时，对应需要的加速度为1 974 g。

针对激光位移传感器幅值校准问题，本文提出了一种激光位移传感器动态幅值校准的方法。通过激光测振仪对激光位移传感器进行动态幅值的校准，利用幅值误差、幅值频率响应和谐波失真度作为评价指标，并设计标准件对所提出的方法进行验证研究，以此证明所提出方法的有效性。

1 校准原理

激光测振仪基于激光多普勒效应和激光干涉等来实现对物体位移、速度以及加速度等信息的精确测量，具有测量精度高、动态响应快、测量范围大、抗电磁干扰等诸多优点[6-7]。在多普勒效应中，接收器接收某一波源发出的频率，当该波源向接收器移动时，波长逐渐缩小，频率会逐渐升高；相反，当波源远离接收器移动时，波长增大，频率就会降低[8]。 将多普勒效应应用在振动测量中，以振动物体表面的反射光为波源[9]，在某一固定位置设置接收器，当物体发生振动，波源与接收器的相对位置就会发生变化，接收器接收到的波源频率也会发生变化，依据频率的变化可以获得振动信息[10]。目前激光测振仪在国内可通过JJF 1219-2009《激光测振仪校准规范》[11]进行溯源。

同时，利用电磁振动台激励标准结构件在共振频率下产生位移振幅，一般可实现毫米级位移，可作为校准系统中的振动源。

2 校准方案设计

2.1 校准装置设计

本校准装置由电磁振动台、标准结构件、标准结构件夹具、激光测振仪、激光位移传感器安装架、待校准激光位移传感器等组成，其校准装置的整体示意图如图1 所示。

图1 校准装置的整体示意图

2.2 标准结构件设计

高频动态位移的标准物设计采用悬臂梁结构，根据悬臂梁的厚度，长度，材料密度和弹性模量E 进行设计，其第1 阶弯曲模态频率计算可参考如下计算公式，同时通过有限元方法进行模态分析验证。

典型的设计参数见表1。长度为50 mm 的标准结构件的模态仿真结果见图2。

表1 标准物的设计尺寸

图2 第一阶模态振型云图

由表1 和图2 可知，第一阶弯曲模态频率的理论计算结果和仿真结果吻合性较高，可根据所要校准的频率，按照理论计算方法进行校准标准物的设计。

2.3 校准评价指标

1）幅值误差的校准

在参考频率和参考位移条件下确定被校传感器的幅值误差。被校传感器的位移输出值与参考位移的相对误差，即为幅值误差。参考频率可按照实际测量位移信号的频率，如无特殊要求，可选择为1 000 Hz、1 500 Hz 和2 000 Hz。参考位移应至少选择实际测量位移信号的幅值最小值，最大值和中间值，如无特殊要求，可选择为0.1 mm，0.5 mm 和1 mm，但应满足频率按100 Hz 的频率间隔（100 Hz，500 Hz，1 000 Hz，1 500 Hz，2 000 Hz，2 500 Hz，…）序列选取。振动标准结构的实测第一阶共振频率应处于上述频率的±5 %的范围内。位移值按0.1 mm 的位移值间隔（0.1 mm，0.2 mm，0.3 mm，0.4 mm，0.5 mm，…）序列选取。振动标准结构的最大应力应不大于其所用材料屈服强度的40 %。

其中，被校传感器的幅值误差按下式计算：

式中：

D1—参考位移，单位为mm；

D2—被校传感器的位移输出值，单位为mm。

2）幅值频率响应的校准

在参考频率和适当位移条件下，采用逐点法进行校准。在工作频率范围内，为保持所用评价指标对应关系的一致性，可选择1 000 Hz、1 500 Hz 和2 000 Hz 进行校准，并用式（2）计算不同频率下的幅值误差。

3）谐波失真度的校准

在参考频率和适当位移条件下校准谐波失真度，可选择1 000 Hz、1 500 Hz 和2 000 Hz 进行校准，其位移同样为满足研究指标的前后一致性，优先为0.2 mm。动态信号分析仪采用平顶窗函数，线性幅值。用分析仪测量规定频率下的幅值及至少五倍的谐波幅值，并用式（3）来计算谐波失真度。

式中：

A1，—被校传感器的基波幅值，单位为mm；

A2，A3，A4，A5—基波的二次、三次、四次、五次等谐波幅值。

3 校准实例

针对工程实际应用的某型号激光位移传感器开展了校准，设计了第一阶模态频率分别为1 001.0 Hz，1 493.5 Hz、1 974.5 Hz 和2 473.1 Hz 的标准结构件。保证激光测振仪和待校准激光位移传感器的激光点分别位于标准结构件的正方面对应的同一位置。以激光测振仪的位移信号作为振动控制量，采用共振驻留方法激励标准结构件在共振频率下振动。校准状态如图3所示。

校准项目包括幅值偏差，频率响应和谐波失真度，结果如图4~5 和表2 所示。

表2 谐波失真度

图4 幅值偏差图

由图4 中的幅值偏差结果可知，待校准激光位移传感器在前3 个频率下的线性度较好，最大的幅值偏差为-2.20 %，但在2 437.1 Hz 的校准状态下，幅值偏差为（-2.19~-34.31）%。

由图5 中的幅值灵敏度频响图可知，待校准激光位移传感器的幅值灵敏度偏差在2 000 Hz 以下时维持在±3 %以下，在2 000 Hz以上时，则快速增大。

图5 幅值灵敏度频响拟合曲线图

由表2 可知，待校准激光位移传感器在1001.0 Hz 和1 974.5 Hz的校准状态下，谐波失真度较小，且不大于2 %；在1 493.5 Hz 和2 437.1 Hz 的校准状态下，谐波失真度较大，分别为18.86 % 和53.83 %。

4 结论

通过激光位移传感器动态幅值校准装置的研制，以及校准工作的开展和分析，可得：

1）所设计的校准装置可实现激光位移传感器的幅值偏差，频率响应和谐波失真度校准；

2）通过所提出的校准评价指标，可准确评价激光位移传感器校准的适用范围。

综上所述，本文所提出的一种激光位移传感器动态幅值校准方法，适用于激光位移传感器的动态幅值校准，具有一定的实践意义。