随机振动校准加速度计方法研究

　　以往的加速度计绝对法校准方法都是以某一频率的正弦信号作为振动台的激励信号,因此要得到加速度计在某一频段的频响曲线就需要在不同的频率点多次重复校准过程。为解决这一问题,提高校准加速度计的效率,本文提出了采用随机振动信号绝对法校准加速度计的校准方法,主要包括光电信号的解调、随机信号的谱估计及灵敏度的计算。

　　1　随机振动校准加速度计原理

　　本文采用的随机振动校准加速度计的系统框图如图1。该系统包括用于控制振动台振动的控制仪,该控制仪可根据预先给出的功率谱产生各态历经的平稳随机过程,并带有反馈功能,可根据加速度计的输出动态地调整产生的随机信号;用来测量位移的外差激光干涉仪;信号发生器等装置。

　　随机实验部分采用的是外差激光干涉仪,其结构如图2所示,与零差干涉仪不同,参考光束要经过声光调制器(布拉格盒)后才与测量光束汇合产生干涉。声光调制器由晶体控制的振荡器(频率为ωB)激励,使光频产生频率移动。

　　2　随机振动校准的实现

　　2.1　随机信号的产生

　　随机振动校准部分用来产生随机信号的装置为SI1215振动信号控制仪,利用该控制仪可以实现对随机信号的闭环控制,即根据传感器的输出信号控制产生的随机信号,以使其满足预先设定的功率谱。这种带有反馈功能的振动信号控制仪能够确保按着设定的功率谱给出振动信号。文中通过振动信号控制仪给定随机信号为各态历经的平稳随机过程,其谱线如图3所示。

　　2.2　信号处理部分的实现

　　2.2.1　处理外差信号

　　由图2可知,在外差干涉仪系统中,由布拉格盒对参考光路的信号产生40 MHz的频移,即频率调制中的载波信号。载有方向信息的多普勒信号被包含在载波信号之中。带有符号的运动物体的速度量决定了其频移的大小和正负。为降低输出信号的频率,将光电探测器输出的电信号与布拉格盒的晶振进行混频,经混频后输出的信号可表示为

式中:A为电压幅度;Um,Uref为被测电压和参考电压;m,S,B分别代表被测运动物体、信号发生器及布拉格盒。式(1)中φm为一常量,代表测量光束的初相位。由系统框图知,经混频后的信号要经过低通滤波,滤波信号表示为

　　在本文所实现的振动测量中,布拉格盒的频率为fB=40 MHz,信号源的频率为fS=39.4 MHz。低通滤波器的截至频率为5 MHz,经过上述步骤的处理可将输出信号的频率降至1 MHz左右,这使得信号处理系统中的数据采集卡不必有很高的采样频率。

　　外差数字信号的处理过程可参见图4。