動態(tài)力校準技術(shù)評述

動態(tài)力校準技術(shù)評述

尹肖，王宇，楊軍

(中航工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所，北京100095)

摘要：動態(tài)力校準技術(shù)應(yīng)用日益廣泛，其測量結(jié)果的精度要求越來越高，因此對動態(tài)力校準技術(shù)的研究具有十分重要的意義。本文簡單介紹了實際工程中動態(tài)力校準技術(shù)的應(yīng)用與需求，指出了動態(tài)力校準技術(shù)研究的重要性，總結(jié)了目前動態(tài)力校準的主要體系，并對各種動態(tài)力校準方法的原理、主要特點以及校準裝置進行了分類介紹。

關(guān)鍵詞：動態(tài)力；校準；力傳感器；激勵源

中圖分類號：TB935文獻標識嗎：A

doi：10.11823/j.issn.1674-5795.2015.02.02

收稿日期：2015-03-18

基金項目：國家“十二五”技術(shù)基礎(chǔ)科研項目(JSJC2012205B002)

作者簡介：尹肖(1989-)男，碩士，從事動態(tài)力校準方面的研究；王宇(1978-)高級工程師，博士，研究方向為力學量動態(tài)校準、動態(tài)激勵源設(shè)計與性能評價方法研究。

Review of the Calibration Technique for Dynamic Force

YIN Xiao，WANG Yu，YANG Jun

(Changcheng Institute of Metrology & Measurement，Beijing 100095，China)

Abstract：The calibration technique of dynamic force is widely used，and the measurement accuracy becomes increasingly demanding.It is important to study the calibration technique of dynamic force.This article introduces application and demand of the calibration technique in practical engineering，points out the importance of the study，sums up the main system of the calibration for dynamic force，and describes the principles，main characteristics and devices of dynamic calibration.

Key words：dynamic force；calibration；force sensor；excitation source

0引言

動態(tài)力是隨時間變化的力，通常采用各種力傳感器進行動態(tài)力測量。目前，對絕大多數(shù)力傳感器僅進行靜態(tài)校準，由此導致動態(tài)力測量準確度很低(有時測量誤差甚至達到實際力值的幾倍)。因此，針對力傳感器的動態(tài)校準具有十分重要的意義。本文總結(jié)了國內(nèi)外動態(tài)力校準技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了動態(tài)力校準的各種方法以及相應(yīng)裝置，并就動態(tài)力校準技術(shù)的發(fā)展給出了具體建議。

1動態(tài)力校準技術(shù)的應(yīng)用與需求

動態(tài)力校準技術(shù)在實際工程中的應(yīng)用范圍不斷擴大，幾乎涉及到建筑工程、交通運輸、機械加工、儀器儀表等各個領(lǐng)域，特別是在飛行器和武器裝備研制與生產(chǎn)過程中，動態(tài)力測量的需求更是不斷增加。主要領(lǐng)域包括：

1)飛行器控制。嫦娥工程飛行器空間對接試驗中，需要根據(jù)測量的動態(tài)力值進行姿態(tài)調(diào)整從而實現(xiàn)對接，動態(tài)力是關(guān)鍵的控制參數(shù)；戰(zhàn)略導彈及其它飛行器采用舵機進行飛行控制，動態(tài)力是重要的反饋量，力值的相位準確與否直接關(guān)系到飛行控制的精度。

2)武器系統(tǒng)試驗。各種火炮、導彈發(fā)射過程中，武器各部位動態(tài)力測量對提高武器系統(tǒng)的性能和可靠性具有重要意義；新型飛機及導彈空氣動力學試驗中，動態(tài)力是重要的被測量；武器系統(tǒng)威力、人員及設(shè)施安全防護試驗中，動態(tài)力是主要參數(shù)之一。

3)材料性能試驗。材料機械性能試驗中，試件的各類疲勞及沖擊試驗需要測量動態(tài)力。

4)生產(chǎn)過程質(zhì)量控制。機械裝配過程壓裝力的控制；焊接、鉚接過程力的監(jiān)測；高精度機械加工過程力的監(jiān)測與控制等對提高產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。許多零部件在完成加工或組裝后很難進行全面質(zhì)量檢測，在產(chǎn)品加工過程中進行質(zhì)量控制是非常重要的。在生產(chǎn)過程中進行動態(tài)力測量不僅可以提高加工水平和效率，而且對提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本具有重要意義。

2動態(tài)力校準體系

動態(tài)力校準經(jīng)過幾十年的發(fā)展，出現(xiàn)了相對完備的校準體系，從實際應(yīng)用中主要可以分為絕對法(激光干涉)校準[1]、比較法校準[1]、現(xiàn)場校準。

1)絕對法(激光干涉)校準

絕對法(激光干涉)是通過激光多普勒系統(tǒng)直接測量安裝在被校傳感器上的質(zhì)量塊上表面，當質(zhì)量塊受到振動或沖擊作用時，通過激光干涉儀來確定運動體速度隨時間的變化情況，其復現(xiàn)的加速度量值直接溯源到計量的基本量——時間和長度，再利用質(zhì)量作為可靠的中間量，就可完成動態(tài)力的絕對復現(xiàn)。此過程中有關(guān)的運動量與被校傳感器的輸出完全無關(guān)，該測量過程符合計量學對絕對法的定義和要求。在完成力值復現(xiàn)后，通過比較將力值傳遞給被校傳感器，可以對被校傳感器的計量性能和動態(tài)特性做出完整客觀的評定。力傳感器絕對法校準框圖如圖1所示。

圖1　力傳感器絕對法校準方框圖

2)比較法校準

比較法校準是通過標準加速度計測量質(zhì)量塊的加速度，利用質(zhì)量作為可靠中間量，實現(xiàn)動態(tài)力值的復現(xiàn)，將復現(xiàn)的力值與被校力傳感器的測量結(jié)果進行對比來得到校準結(jié)果。用該方法校準時質(zhì)量塊作用在被校力傳感器上，產(chǎn)生動態(tài)信號，此時標準加速度測量系統(tǒng)與被校力傳感器測量系統(tǒng)同時響應(yīng)，并記錄下動態(tài)力值。該方法易受到標準加速度計自身誤差的影響，因而其校準不確定度的要求不易得到滿足；該方法測量比較簡單方便，主要適用于校準精度要求不太高或者實地校準條件較復雜的情況。力傳感器比較法校準框圖如圖2所示。

3)現(xiàn)場校準

動態(tài)力現(xiàn)場校準是利用現(xiàn)場條件，將儀器或設(shè)備的待測力部位接入標準力傳感器進行測量，將其與儀器設(shè)備自帶的力傳感器的測量結(jié)果進行對比來得到校準結(jié)果。現(xiàn)場校準主要適用于儀器較大或較精密不易移動的情況。下面以疲勞試驗機的現(xiàn)場校準[2]為例作簡單介紹。對動態(tài)力的現(xiàn)場校準實際就是對試樣實際承受的力值與試驗機自帶的傳感器所顯示的力值的偏差進行動態(tài)力校準，這也是疲勞試驗機動態(tài)力校準的主要目的。產(chǎn)生力值誤差的主要原因是：試樣與試驗機自帶傳感器之間的單元也有一定質(zhì)量，該質(zhì)量在動態(tài)載荷作用下會在試驗機自帶的傳感器上產(chǎn)生附加慣性力。在對疲勞試驗機進行動態(tài)力校準時，會根據(jù)疲勞試驗機的頻率范圍及力值測量范圍來選取標準力傳感器，因此選擇的力傳感器剛度較高、力值較大、中低頻特性較好。用疲勞試驗機動態(tài)力校準裝置進行的現(xiàn)場校準如圖3所示。

圖2　力傳感器比較法校準方框圖

圖3　用疲勞試驗機動態(tài)力校準裝置進行的現(xiàn)場校準

3動態(tài)力校準方法及裝置介紹

目前根據(jù)校準裝置的激勵源的不同可將動態(tài)力校準方法分為脈沖式動態(tài)力校準、穩(wěn)態(tài)正弦動態(tài)力校準、階躍式動態(tài)力校準。

3.1脈沖式動態(tài)力校準

脈沖式動態(tài)力校準是利用脈沖信號寬的幅頻特性研究被校力傳感器的動態(tài)特性，而脈沖信號是通過各種激勵源產(chǎn)生的，最典型的一類為半正弦脈沖信號。國內(nèi)外許多計量機構(gòu)和大學都建立了不同的脈沖式動態(tài)力校準裝置，下面對幾種具有代表性的校準裝置進行介紹。

1)中國計量院的脈沖力校準裝置

中國計量院在上世紀80年代采用自由下落的重錘與力傳感器碰撞的方式產(chǎn)生波形為半正弦的動態(tài)力，并使用標準加速度計進行脈沖力值測量，該裝置可以產(chǎn)生500 N~1 MN的脈沖式動態(tài)力輸入。近些年，中國計量院研發(fā)了可以產(chǎn)生500 N~200 kN的脈沖式動態(tài)力輸入的新裝置[3]，其力值上升時間大于等于0.3 ms，擴展不確定度為2%(k=3)，基本結(jié)構(gòu)與原裝置相似，如圖4所示。新裝置用激光干涉儀取代了標準加速度計，并安裝在裝置的頂端；新裝置具有自動調(diào)整落錘對中、可以適應(yīng)不同大小尺寸標準落錘的能力，其自動化水平也較老裝置有所提高。

圖4　200 kN激光絕對法動態(tài)力校準裝置

2)德國PTB的脈沖力校準裝置

德國PTB在2003年建立了瞬態(tài)動態(tài)力校準裝置[4]，2012年對其進行升級改造時，利用激光干涉絕對法進行動態(tài)力校準，校準裝置[5]如圖5所示。該校準裝置可以產(chǎn)生持續(xù)時間約為0.5 ms且力值為20 kN的最大瞬態(tài)脈沖。兩質(zhì)量塊安置在氣浮軸承內(nèi)，其中一質(zhì)量塊在運動發(fā)生器作用下與安裝在另一質(zhì)量塊上的力傳感器發(fā)生對中碰撞，他們的速度變化由按V形放置的兩組激光測振儀分別測出，此時力傳感器所受的動態(tài)力可溯源到質(zhì)量和加速度。該裝置消除了安裝精度、質(zhì)量塊制造、氣浮軸承自身的精度所導致的橫向運動分量，因此可以認為被校力傳感器只受質(zhì)量塊與氣浮軸承之間產(chǎn)生的摩擦力及激勵源產(chǎn)生的脈沖力。德國PTB在2010年研究完成了250 kN力沖擊校準裝置[6]，如圖6所示，其主要工作原理與20 kN瞬態(tài)動態(tài)力校準的原理類似。

圖5　德國PTB 20 kN瞬態(tài)動態(tài)力校準裝置

圖6　德國PTB 250 kN力沖擊校準裝置

3)日本研究的脈沖力校準裝置

日本GUNMA大學研究人員研制了基于質(zhì)量塊碰撞與激光干涉測量的脈沖式動態(tài)力發(fā)生裝置[7]。其主要結(jié)構(gòu)包括三部分：一個基于線性氣浮導軌支撐的移動質(zhì)量塊、用于安裝被測傳感器的基座和激光測量系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。其原理與德國PTB基本一致，都是將脈沖式動態(tài)力溯源到質(zhì)量、長度和時間三個基本量，通過標準的質(zhì)量塊對被測傳感器施加脈沖力激勵，再通過激光干涉技術(shù)對沖擊過程進行測量，進而得出施加脈沖力大小，系統(tǒng)對被測傳感器的動態(tài)響應(yīng)進行評價。日本研究人員研制的這套系統(tǒng)也是通過質(zhì)量塊碰撞被測傳感器產(chǎn)生脈沖式動態(tài)力，通過激光測量系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)分析，該裝置還可以在添加其他配件后產(chǎn)生正弦式及階躍式的動態(tài)力。

圖7　日本研究的脈沖式動態(tài)力裝置

4)中航工業(yè)計量所正在建立的脈沖力校準裝置

根據(jù)現(xiàn)有的脈沖力發(fā)生器的原理以及使用一套脈沖力發(fā)生裝置很難覆蓋項目研究的全部力值范圍，在設(shè)計脈沖力校準裝置時，考慮到了根據(jù)不同的量程范圍、采用不同原理的大小兩套脈沖力發(fā)生器。其中：小幅值脈沖力發(fā)生器采用氣動上拋質(zhì)量塊的沖擊方法，力值范圍控制在100 N~2 kN，如圖8(a)所示；大幅值脈沖力發(fā)生器采用自由落錘沖擊方法，力值范圍控制在2~120 kN，如圖8(b)所示。激光干涉測量系統(tǒng)采用激光多普勒測速原理，直接測量質(zhì)量塊、錘體的運動參數(shù)(位移、速度、加速度)，通過對脈沖力發(fā)生器的動力學分析，轉(zhuǎn)化為力的變化；安裝在砧體或基座上的被校力傳感器(測試系統(tǒng))感受力脈沖，其輸出電信號被同步采集。電信號的輸出峰值與激光干涉測量系統(tǒng)測試計算得到的力脈沖峰值進行比較即可得到被校力傳感器(測試系統(tǒng))的動態(tài)靈敏度。

圖8　中航工業(yè)計量所在研的脈沖力校準裝置

3.2穩(wěn)態(tài)正弦動態(tài)力校準

穩(wěn)態(tài)正弦動態(tài)力校準是以振動臺為激振力源產(chǎn)生正弦力信號，通過掃頻的方法得出力傳感器的動態(tài)特性[8]。標準正弦信號由信號源產(chǎn)生，通過改變信號源輸出的幅值及頻率來得到不同的標準正弦信號，其經(jīng)功率放大器放大后推動振動臺工作。被校力傳感器一端安裝在振動臺臺面上另一端連接負載質(zhì)量塊，可以通過安裝在質(zhì)量塊上的標準加速度計或隔振平臺上的激光干涉儀來測量質(zhì)量塊的加速度。

各國的穩(wěn)態(tài)正弦力校準裝置的工作原理基本上是一致的。中航工業(yè)計量所在“十一五”期間研制了基于激光干涉法的10 kN正弦力校準裝置[9]，頻率范圍20~2000 Hz，力值范圍1 N~10 kN，如圖9(a)所示；德國PTB在JRP項目中研制了三套力值范圍不同的正弦力校準裝置[10]，頻率范圍10~1000 Hz，如圖9(b)所示；西班牙CEM和法國LNE也在JRP項目中共同研制了一套正弦力校準裝置[10]，頻率范圍10~1000 Hz，如圖9(c)所示。

圖9　各國穩(wěn)態(tài)正弦力校準裝置

3.3階躍式動態(tài)力校準

階躍類力信號和脈沖類力信號類似，但階躍式動態(tài)力校準方法的可校頻帶更寬，因為階躍信號在較寬的頻率范圍內(nèi)都有頻譜分量。除此之外，階躍式動態(tài)力校準可以實現(xiàn)較大的動態(tài)力幅值，且該力源易于實現(xiàn)，尤其是負階躍力。階躍力校準裝置一般通過脆性梁的瞬間斷裂獲得正階躍或負階躍力[11]，例如直壓式落錘沖擊或剪切式卸載的方法等。

浙江大學研制的1200 kN標準負階躍力源系統(tǒng)[12]是一種比較具有代表性的階躍式動態(tài)力校準裝置，該裝置采用直壓式落錘沖擊卸荷法來產(chǎn)生負階躍力，如圖10所示。在該裝置中可以將落錘在不同高度落下，來改變其沖擊能量，以此來產(chǎn)生不同力值及頻率的階躍力信號，再通過激光干涉儀測量動態(tài)激勵力，同時用數(shù)據(jù)采集卡采集力傳感器輸出電壓，將獲得的波形數(shù)據(jù)進行時域和頻域分析，以此來獲得被校力傳感器的動態(tài)特性。

圖10　浙江大學研制的1200 kN標準負階躍力源系統(tǒng)

北京航空航天大學研制的196 kN動態(tài)力校準裝置[13]是另一種階躍力校準發(fā)生裝置的代表，如圖11所示。該裝置通過壓力控制系統(tǒng)對液壓油缸進行加壓，油缸內(nèi)的壓強變大推動活塞桿對托板進行加力，這個力通過支撐塊、脆性材料以及壓塊最終傳遞到力傳感器，在這個力傳遞的過程中脆性材料會受到彎曲載荷，此時力傳感器受到的是靜態(tài)力。這套裝置產(chǎn)生負階躍力的原理是通過脆性材料片發(fā)生斷裂使力傳感器受到的力會突然變?yōu)榱恪Ｔ撔氏到y(tǒng)中力傳感器實際應(yīng)受到的力值可以通過壓力表測量液壓油缸內(nèi)的壓力得到。

圖11　北京航空航天大學的196 kN動態(tài)力校準裝

除此之外，北京理工大學在2006年“動態(tài)力值校準新技術(shù)新方法研究”中實現(xiàn)了100 kN負階躍力下力傳感器動態(tài)性能測試[14]。中航工業(yè)計量所在“七五”、“八五”期間采用負階躍力實現(xiàn)力傳感器動態(tài)特性研究[15-16]，階躍式動態(tài)力標準采用快速卸荷的方法產(chǎn)生負階躍力[17]，其最大力值可以達到1.2 MN，負階躍力的下降時間為10μs至100μs。合肥工業(yè)大學等也對階躍力校準技術(shù)進行了一些有價值的研究[18]。

4結(jié)論

本文通過對實際工程中動態(tài)力測量技術(shù)應(yīng)用與需求的例舉，說明了動態(tài)力校準技術(shù)的重要性。在此基礎(chǔ)上，本文歸納了動態(tài)力校準技術(shù)的校準體系，重點介紹了動態(tài)力校準方法及校準裝置，并從各裝置中發(fā)現(xiàn)存在且需要改善的問題。

正弦力校準中由于質(zhì)量塊的大小及形狀會影響加速度分布[19]，會對加速度的測量產(chǎn)生0.5%以上的誤差；在不同激勵條件下，會因為激勵或加載裝置等結(jié)構(gòu)的不同使獲得的傳感器靈敏度存在較明顯的差異；動態(tài)力現(xiàn)場校準的需求日益增多，但由于校準環(huán)境復雜、現(xiàn)場不確定因素多，導致動態(tài)力現(xiàn)場校準發(fā)展緩慢；隨著動態(tài)力校準所涉及領(lǐng)域的擴大，現(xiàn)有裝置的可校準力值及頻率已無法達到實際要求。根據(jù)當前動態(tài)力校準技術(shù)發(fā)展所存在的這些問題，本文認為應(yīng)重視以下幾個方面的研究：質(zhì)量塊大小形狀以及加速度分布的研究；傳感器靈敏度一致性問題的研究；現(xiàn)場校準技術(shù)的研究；校準的力值范圍及頻率響應(yīng)范圍的擴展。

參考文獻

[1] 曾利民，尚賢平，楊瑩，等.加速度沖擊校準研究[J].工業(yè)計量，2012，22(3)：1-4.

[2] 胡剛，楊宗英.基于振動分析的單軸疲勞試驗機動態(tài)力誤差的研究與試驗[J].船舶工程，2012，34(2)：73-76.

[3] 孟峰，張躍，李濤，張智敏，張偉.脈沖式動態(tài)力校準裝置的研究[J].船舶工程，2012，34(S2)：77-79.

[4] Kobusch M，Bruns T.The new impact force machine at PTB[C]//Proc.of XVII IMEKO World Congress.Dubrovnik，Croatia：IMEKO，2003，263-267.

[5] Kobusch M，Link A，Buss A，et al.Comparison of Shock and Sine Force Calibration Methods[C]// Proc.of IMEKO 20th TC3，3rd TC16 and 1st TC22 international conference .Merida，Mexico：IMEKO，2007.

[6] Thomas Bruns，Leonard Klaus，Michael Müller，The 250 Kilonewton Primary Shock Force Calibration Devic at PTB[C]// Proc.IMEKO 2010 TC3，TC5 and TC22 Joint Conference. Pattaya，Thailand：IMEKO，2010.

[7] 孟峰，張躍，張智敏，等.脈沖式動態(tài)力校準裝置發(fā)展動態(tài)[J].計量技術(shù)，2011，(5)：47-50.

[8] 何聞.標準動態(tài)力發(fā)生裝置國內(nèi)外研究現(xiàn)狀[J].機電工程，1999，(2)：47-49.

[9] 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.

[10] Bartoli C.Traceable dynamic measurement of mechanical quantities：Objectives and first results of the European Project[C]// Proc.of IMEKO World Congress.Busan，Korea：IMEKO，2012.

[11] 商佳尚，王宇.動態(tài)力校準中需要規(guī)范的若干問題[J].計測技術(shù)，2014，34(2)：1-5.

[12] 何聞.大力值寬頻帶標準負階躍力的產(chǎn)生機理和計量技術(shù)的研究[D].杭州：浙江大學，1997.

[13] 黃欽俊，王效葵，李行善，等.力傳感器的動態(tài)重復性、線性度與性能改進的研究[J].計量學報.1995，16(1)：58-67.

[14] 張訓文，肖躍華，郭紅日，等.100 kN氣動助推式負階躍力校準裝置[J].測試技術(shù)學報，2004，18(S0)：89-92.

[15] 周小寧.用動力學方法分析力傳感器動態(tài)標定裝置[J].航空計測技術(shù)，1994，14(2)：12-15.

[16] 殳偉群.從負階躍響應(yīng)到二階系統(tǒng)傳遞函數(shù)[J].航空計測技術(shù)，1992，12(1)：21-25.

[17] 國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.JJF1053-1996負荷傳感器動態(tài)特性校準規(guī)范[S].北京：中國計量出版社，1996.

[18] 徐科軍.沖擊響應(yīng)法動態(tài)標空中激勵信號的研究[J].合肥工業(yè)大學學報，1995，18(3)：102-107.

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