質量塊對動態力傳感器校準的影響特性

陳 東，鄭術力

（工業和信息化部電子第五研究所，廣州 510610）

質量塊對動態力傳感器校準的影響特性

陳 東，鄭術力

（工業和信息化部電子第五研究所，廣州 510610）

校準質量塊是動態力傳感器校準中的關鍵部件，其加速度分布的均勻性直接影響動態力傳感器的校準準確度，采用有限元分析方法結合實驗對比方法，研究了質量塊形狀尺寸、密度、彈性模量及比模量等參數對質量塊加速度分布均勻性的影響，給出了各因素的影響特性。實驗結果表明，使用重質合金質量塊可提高動態力傳感器的校準準確度。

質量塊；加速度分布；動態力傳感器；校準

引言

動態力傳感器廣泛應用于航天、航空、兵器、船舶、汽車、機械制造等領域，在產品可靠性環境試驗中發揮著重要的作 用。現有動態力傳感器常以靜態校準時的結果作為動態測試的依據，使得具有高精度靜態校準結果的設備在動態測試中可能存在很大的誤差，動態力傳感器的動態校準問題也日益受到人們的重視[1-3]。目前在動態校準方面主要采用正弦激勵、階躍激勵和脈沖激勵等方法進行校準，在絕大部分動態校準方法中都需要用到質量塊，即根據牛頓第二定律，利用質量塊自身的質量與其運動加速度的乘積復現標準動態力值[4-7]。其中，質量測量不確定度可達到10-6, 因此在動態力校準中，加速 度的測量不確定度分量占據主導地位。加速度測量的誤差主要來源于質量塊上不均勻的加速度分布，并受校準振動頻率、脈寬及自身形狀、密度、彈性模量和比模量等因素影響呈現出不同的影響特性。為此，本文采用有限元分析方法結合對比實驗方法，對質量塊的加速度分布均勻性進行了研究。

1 質量塊加速度分布特性

動態力傳感器校準時所復現的動態力值可根據牛頓第二定律得到，即質量塊質量與加速度的乘積等于動態力力值：

其中，質量塊的密度ρ在同一種材料中可以視為常數，但在校準過程中質量塊上各質點的加速度呈現不均勻分布，用分布函數a()表示，動態力傳感器的校準誤差主要來源于加速度的不均勻分布[2]。

為研究質量塊上加速度的分布特性，采用有限元分析方法模擬校準過程中質量塊上的加速度分布。如圖1所示建立有限元分析模型，質量塊半徑為15mm，高度為15mm，密度為7.8g/cm3，彈性模量為210GPa，網格采用O型網格方法劃分，質量塊各質點具有相同的密度和彈性模量，在質量塊Z軸向施加一定量值的加速度后，質量塊上加速度分布如圖1所示。從圖中可以看出，對于單一材質的質量塊，受到一定振動量級激勵后，質量塊上的加速度沿軸向方向呈層狀分布，周向呈環形分布，軸向、周向加速度均勻性最大偏差分別為1.1‰、0.1‰。由此可見，加速度測量的誤差主要來源于質量塊上不均勻的軸向加速度分布。

2 質量塊加速度影響特性

采用有限元分析方法，將質量塊形狀尺寸、密度、彈性模量及比模量作為影響因素，建立單一因素作用下的有限元模型，分析各因素對質量塊加速度分布均勻性的影響特性。

圖1 質量塊有限元網格模型及分析結果

圖2 各因素對加速度分布均勻性的影響特性

各參數影響特性如圖2所示，由曲線可知，單一因素作用下，質量塊高度對加速度軸向均勻性影響顯著，相同直徑的質量塊，高度越高加速度軸向均勻性越差；質量塊直徑對加速度分布周向均勻性影響更明顯，相同高度時，半徑越大加速度分布周向均勻性越差，但加速度周向均勻性對質量塊整體均勻性影響不大。在形狀尺寸相同、密度相同的條件下，彈性模量越大加速度分布均勻性越好。在形狀尺寸相同、彈性模量相同的條件下，材料密度越大加速度分布均勻性越差。在形狀尺寸相同、彈性模量相同的條件下，材料密度越大，加速度分布均勻性越差。

比模量（Specific Modulus）指彈性模量與密度的比值，即單位密度的彈性模量，是材料承載能力的重要指標。在形狀尺寸相同的條件下，材料比模量越大，加速度分布均勻性越好。

3 比對實驗分析

圖3 比對實驗質量塊

圖4 質量塊加速度均勻性測量系統

表1 質量塊在不同頻率下復現的動態力

圖5 各材質質量塊加速度頻率響應曲線

圖6 動態力傳感器校準結果

質量塊加速度頻率響應和加速度均勻性是影響加速度校準準確度的主要因素。其中，加速度均勻性影響主要來源于質量塊不均勻的軸向加速度分布。為確定不同比模量材料的加速度頻率響應和加速度軸向分布均勻性，本文采用對比實驗方法進行分析。如圖3所示，在高度相同的條件下，采用不同比模量材料加工相同直徑的質量塊，使用圖4所示的比較法測量系統，測量質量塊的加速度頻率響應和加速度軸向均勻性。實驗時，改變振動臺激勵頻率，使用標準加速度計監控振動臺加速度量值，使得每一頻率下振動臺輸出同 一量級的加速度，通過輕質加速度計測量每種材質質量塊的加速度頻率響應和軸向加速度均勻性，并計算得到鋁、黃銅、304鋼及重質合金四種材料在各頻率下的動態力，計算結果見表1。從表1可以得到鋁、黃銅、304鋼及重質合金四種材料在不同頻率下的動態力頻率響應分別為1.54%、1.23%、1.00%和0.52%，各材料質量塊加速度頻率響應測量結果如圖5所示。從實驗結果可以看出，低頻頻率響應曲線與測量傳感器特性不符，各材質質量塊在低頻存在能量傳遞損失，在20Hz～2000Hz頻率范圍內，重質合金質量塊所復現的動態力的頻率響應最好，AL材質動態力頻率響應最差。由此可見，重質合金更適合作為校準質量塊材料。

為了驗證重質合金質量塊是否滿足動態力傳感器校準要求，選用PCB公司生產的型號為208C02的工作動態力傳感器，使用重質合金質量塊進行校準，各頻率點靈敏度校準結果如圖6所示，以160Hz頻率點靈敏度為參考，靈敏度頻率響應最大誤差為0.53%，遠遠優于最大允許誤差。

4 結論

1）動態力傳感器校準不確定度分量主要來源于質量塊不均勻的軸向加速度分布和質量塊加速度頻率響應，質量塊上的加速度沿軸向方向呈層狀分布。

2）質量塊尺寸高度、密度、彈性模量和比模量是影響質量塊加速度分布的主要因素，其中尺寸高度影響最為顯著，尺寸高度單一因素作用下，質量塊上加速度均勻性隨高度的增高而增大。

3）重質合金材料具有較好的加速度分布均勻性和頻率響應，在動態力傳感器校準中可提高校準準確度。

[1] 張力.激光干涉法進行正弦力校準研究[J].計量學報,2005,26(4):337-342.

[2] 王宇,張力,洪寶林,等.正弦力校準中降低質量塊振動響應不均勻影響的設計方案[J].振動與沖擊,2010,29(7):228-231.

[3] 王宇,張力,張立喆,等.正弦力校準中質量塊加速度分布影響的理論修正研究[J].計測技術,2010,30(3):1-4.

[4] Yusaku Fujii. Toward dynamic force calibration[J].Measurement, 2009, 42: 1039-1044.

[5] Medina N, de Vicente J. Force Sensor Characterization Under Sinusoidal Excitations[J]. Sensors, 2014, 14(10): 18454-18473.

[6] 商佳尚,王宇.動態力校準中需要規范的若干問題[J].計測技術, 2014, (2):1-5.

[7] Feng M, ZhiMin Z, Yue Z, et al. Dynamic force calibration by impact excitation[C].EPJ Web of Conferences. EDP Sciences, 2014, 77: 00008.

陳東，男，工學碩士，工程師，主要從事力學計量檢測工作。

鄭術力，男，高級工程師，全國振動沖擊轉速計量技術委員會委員，主要從事力學聲學計量檢測研究工作。

表5 實際樣品的分析結果

5 結論

X射線熒光光譜法分析技術隨著時代的發展也在慢慢完善，不僅可以應用于冶金、地質、化工、機械、石油、建材等工業部門，以及物理、化學、生物、地學、環境科學、考古學等學科；還可用于測定涂層和金屬薄膜的厚度和組成以及動態分析等研究。它以其高選擇性，高靈敏度，可以連續測定微量元素，而且檢出限低，測定速度快，在各個領域中得到了廣泛應用，是今后分析技術中必不可少的一部分。

參考文獻

[1] 袁漢章, 劉洋, 賈樂庚.XRF 法分析化探樣品中 25 個主次和痕量元素[J] .中國理學 XRF 光譜用戶論文集, 1991, (2):96～99.

[2] 陳家君, 梁國立 , 宋爾良.地質樣品中多種痕量元素的 X 射線熒光光譜[J] .分析試驗室, 1987, 6(2):12～ 16.

[3] 李國會, 卜維, 樊守忠.X 射線熒光光譜法測定硅酸鹽中主次痕量元素[J] .中國理學 XRF 光譜用戶論文集, 1995, (6):68～ 72.

[4] CAI S L, CUO Y L, LI J.Comprehensive Major and Trace Element Analysis of aSubmarine PolymetallicNodule by Waveleng th-Dispersive X-ray Fluo rescence[J] .X-ray Spectrometry , 1992 , 21:17～ 20 .

[5] 謝忠信.X射線光譜分析[M].北京:科學出版社, 1982.

[6] 柳榮厚.材料成分檢驗[M]. 北京:中國計量出版社, 2005.

作者簡介

陳曉慧（1979-），女，工學碩士、工程師，從事材料分析及相關檢測技術工作。

The Inf uence Characteristics of Mass in Dynamic Transducer Calibration

CHEN Dong, ZHENG Shu-li
（The 5th Electronics Research Institute of the Ministry of Industry and Information Technology, Guangzhou 510610）

Calibration mass is the key component in dynamic force transducer calibration. The uniformity of the acceleration distribution directly affects the calibration accuracy. In this paper, based on the finite element analysis method and the contrast experiment method, the influences of shape size, density, elastic modulus and modulus on acceleration distribution uniformity are studied; and the influence characteristics of each factor are given. The experiment results indicate that improvements are possible in dynamic force transducer calibration by using heavy alloy mass.

mass; acceleration distribution; dynamic force transducer; calibration

TB936

A

1004-7204（2015）01-0028-04