GJB 669在開環加速度計動態特性測試中的應用

劉 杰 孫乃英

（陜西華燕航空儀表有限公司，陜西 漢中 723102）

開環半液浮擺式加速度計的動態特性測試是通過試驗方法確定固有頻率和阻尼比，此類加速度計的試驗方法按HB 6156–1988《常規線加速度計通用技術條件》執行，動態特性采用頻率法或階躍法。HB 6156–1988是1988年起草的，當時制定頻率試驗法所使用的設備早已淘汰，當于2008年為某擺組件重新研制半液浮擺式加速度計時，沒有設備進行頻率試驗，求助其它專業廠家，也沒有類似設備，因此，決定重現研究動態特性測試方法。

1 擺式加速度計的試驗方法

擺式加速度計有開環式和閉環式。閉環加速度計按照HB 6363–1989《單軸擺式伺服線加速度計通用規范》的方法，在力矩器線圈上施加激勵信號，通過改變信號的頻率，得到頻率響應曲線，最后測量并計算固有頻率和阻尼比。也可以采用階躍法在力矩器線圈上施加階躍信號，對階躍響應曲線進行測量計算求出固有頻率和阻尼比。開環加速度計沒有力矩器，不能施加激勵進行掃頻試驗，但可以借鑒閉環加速度計的試驗原理采用頻率試驗法，即HB 6156–1988所述的頻率試驗法。

2 開環擺式加速度計的動態測試

2.1 動態指標設計

該型加速度計的固有頻率取決于浮子組件的結構設計，阻尼比與結構設計和浮油的粘度有關。當扭桿的剛度取500gf?cm/rad時，經計算，固有頻率 fn≈30.8Hz，略大于要求值27Hz。扭桿的剛度越大，固有頻率越高，但剛度越大，加速度計的測量范圍越小，兼顧各項性能，扭桿的剛度設計值取（530±10）gf?cm/rad，此時 fn≈31.7Hz。

2.2 動態特性測試

半液浮擺式加速度計實際上是將半液浮速率陀螺儀的電機去掉，換成偏心擺塊而成的。半液浮速率陀螺儀的動態試驗按照GJB 669–1989《速率陀螺儀試驗方法》采用階躍試驗法，我們也希望參照GJB 669–1989對加速度計進行試驗，為此，先后采取了突停法、敲擊法、垂直沖擊法、垂直振動法，但都不能實現階躍輸出。

突停法是將加速度計豎直固定，使輸入軸與突停臺轉盤相切，啟動轉臺，加速度計感受到轉臺的切向加速度，浮子組件產生偏轉，當轉臺突停時，切向加速度為0，使浮子組件回到平衡位置，形成階躍動作。實際上由于轉臺轉速很低，轉盤半徑小，轉臺提供的切向加速度很小，而加速度計的零位電壓、噪聲、浮子組件的小軸與軸承之間的摩擦本身都比較大，因此，階躍響應信號不明顯，無法測量。

敲擊法是希望加速度計的外部輸入加速度由0突然變成某一定加速度，雖然與突停臺的作用是相反的，但也是階躍作用。實際上進行試驗后發現敲擊作用并不能形成階躍響應。

垂直沖擊法和垂直振動法是使加速度計的輸入軸與沖擊或振動方向一致進行沖擊或振動，達到外部輸入加速度的改變，從而得到相應的輸出關系。由于這種安裝方式本身使加速度計受到重力作用，重力作用迭加后輸出信號與輸入量并不呈有規律的關系。

既然通過外部作用無法產生階躍信號，是否可以直接對慣性部分進行干擾，使其產生階躍動作呢？我們進行了試驗，即在加速度計裝配波紋管組件前，將加速度計豎直浸沒在硅油里，給加速度計通電，信號器的輸出端與示波器相連，將浮子組件撥到極限位置約2g輸入狀態，然后突然釋放浮子組件恢復平衡位置（0g輸入狀態），讓浮子組件產生一個階躍信號。這個動作使一個穩態過程突變到另一個穩態過程，用示波器記錄信號器的輸出曲線，如圖1和圖2所示。

圖1 輸出信號為交流時的階躍響應曲線

圖2 交流輸出信號解調成直流信號時的階躍響應曲線

圖1中左邊正弦波信號是輸入為2g時的交流輸出信號，突然釋放浮子組件后，正弦波信號振蕩衰減為一條近似直線，此過程即為2g輸入狀態突然減小為0g輸入狀態的輸出信號變化過程。圖2中左邊較低的一條直線信號是輸入為2g時解調后的直流輸出信號，突然釋放浮子組件后，直流輸出信號振蕩衰減為一條直線，此過程即為2g輸入狀態突然減小為0g輸入狀態的直流輸出信號變化過程。

對階躍響應曲線按GJB 669-1989的方法進行計算可以得到阻尼比和固有頻率。高、低溫試驗時將容器連同加速度計一起放入試驗箱內，保溫后取出進行試驗。抽取3只加速度計進行試驗，試驗數據見表1。低溫下的阻尼比是過阻尼，曲線無振蕩，無法根據公式進行計算，參照經驗曲線確定阻尼比的大小。

從表1可以看出，3只加速度計的試驗結果滿足要求，且與理論值誤差很小。這種試驗方法容易理解，也比較準確，但必須要在加速度計的裝配過程中進行，裝配成成品后無法進行試驗，因此，需要驗證該方法對最終成品也適用。

2.3 動態特性測試方法驗證

擺式加速度計的專業標準沒有介紹撥浮子組件測試動態特性的方法，無法找到標準認定該試驗方法適用，我們希望通過對成品進行試驗，確認最終成品的動態特性測試與在中間過程進行動態特性測試是一致的。經過多方咨詢，我們找到有關單位協助研究試驗方法，通過多次試驗研究出水平振動法，原理是將加速度計水平安裝在振動臺上，使輸入軸與振動臺的振動方向一致，沿輸入軸方向施加正弦振動信號，則輸出信號也為正弦信號，改變振動臺的頻率，得到多組試驗曲線，當兩個曲線的相差為90°時，振動臺的振動頻率即為加速度計的固有頻率。實際試驗時，加速度計的輸出端接上解調電路，使交流輸出信號變成直流信號，當振動臺以某一頻率和加速度往復振動時，加速度計受到交變輸入加速度作用產生與振動臺同頻率的交流輸出信號，該信號輸入到示波器。正弦振動測試儀監測振動臺的機械振動后轉換成電壓信號也輸入到示波器。加速度計與設備的連接示意如圖3。

2009年3月對2只加速度計進行動態試驗，獲得11組動態試驗數據。取其中一次試驗舉例說明，例如對2#加速度計進行試驗，輸入30 Hz的正弦振動信號，幅值為1g，周期為1/30=33.33ms。記錄波形如圖4所示，分別為振動臺輸入振動信號和加速度計輸出信號。對示波器讀取的Excel數據進行整理記錄于表2中。

表1 階躍響應輸出曲線的參數

圖3 動態試驗示意圖

由表2可知，振動頻率為30Hz時相差大于90°，通過改變振動頻率使相差盡量接近于90°，最后確定振動頻率約為20 Hz，低于要求值。通過與顧客及有關單位分析及試驗，認為測試結果不僅與振動臺的振動頻率有關，而且與振動加速度值有關，當振動加速度合適時，加速度計的階躍響應信號不至于接近飽和或太弱，最后確定振動加速度為0.5g時最合理。2010年1月又對2只加速度計進行了試驗，振動加速度為0.5g，對其中1只加速度計的原始數據按上述方法進行處理后，可求出各頻率點對應的相差，具體見表3。

表3中的結果是振動波形上升時對應的2個相鄰過零點的時刻的相差，波形下降時的相差未計算，波形下降時的相差要大于上升時的相差，且誤差較大，我們認為應以波形上升過程計算相差要合理，原因是波形下降過程中，加速度計的浮子組件原來受到的加速度從最大變成0，信號器的輸出也是從最大變成0，而在此過程中，振動臺同時施加反方向的加速度，使總的輸出迭加，輸出信號與輸入信號不是比例關系。

圖4 2#加速度計在振動臺頻率為30Hz時的波形

從表3可以看出，該型加速度計的固有頻率在30Hz～34Hz之間，約為31Hz，與理論計算值和階躍法試驗結果很接近。阻尼比是輸出信號解調后的直流有效值與解調前的交流有效值的比值，為0.646。該型加速度計已交付156只，隨系統進行了地面仿真試驗、湖試、海試等試驗，未出現動態特性方面的問題，這充分說明了設計參數合理，試驗方法可行。

表2 輸出波形信號為0時的時刻值（選取2個周期）

表3 不同振動頻率下的相差

3 結束語

通過對開環加速度計的動態特性進行試驗和驗證，證明參照GJB 669–1989對加速度計采取撥浮子組件模擬階躍響應試驗的方法是可行的，且對半成品進行試驗和對最終成品進行試驗基本一致。采用這種試驗方法，可以不需要在振動臺上進行多頻率點振動試驗，從而節省了試驗費用，提高了生產效率。同時，也表明GJB 669–1989中階躍響應試驗的方法也適用于與速率陀螺儀類似的傳感器的動態試驗，可以使標準發揮更大的作用。