傾斜搖擺試驗臺校準技術研究

朱 剛 楊曉偉 劉 鑫 魯 敏 李 翀

(1.北京航天計量測試技術研究所，北京 100076；2.北京遙測技術研究所，北京 100076； 3.上海衛星工程研究所，上海 201109)

1 引 言

傾斜搖擺試驗臺(以下簡稱搖擺臺)主要用于模擬在潛艇、航母、艦艇、水上飛機、行進火炮等裝備上的各類機械、電工和電子產品的傾斜和搖擺環境，以確定產品經受規定嚴酷等級傾斜和搖擺的工作適應性和結構的完好性[1]。我國自上世紀就已經開始制定傾斜搖擺試驗的相關國家標準和國家軍用標準，主要包括GB/T 2423.101-2008及GJB150.23A-2009，這些標準規定了艦載設備傾斜搖擺試驗的角度、周期、試驗持續時間等的試驗要求，為我國水面設備及水面運輸裝備的可靠性試驗提供了必要的依據[2,3]。國內的試驗設備生產廠家也生產了滿足這些試驗標準的試驗設備，滿足科研生產單位對于傾斜搖擺試驗的需求。為了保證試驗數據的準確可靠，國內的計量技術機構，早已開展對于搖擺臺的校準工作，目前現狀是校準方法不統一，動態角位移溯源性存在不確定性，導致部分參數校準不確定度較大。

根據多年的試驗和研究，提出了一種采用具有零頻響應的高靈敏度加速度計對傾斜搖擺試驗臺進行校準的方法，構建了校準系統并進行了校準不確定度評定。

2 搖擺臺校準原理

2.1 搖擺臺工作原理

傾斜是指船舶受風、不平衡裝載、操縱、或海損事故的影響所造成的橫向傾斜的浮態和相對于設計水線的縱向傾斜的浮態；搖擺是指船舶受到風、波浪等外力做用下的艦船繞其橫軸、縱軸所作的周期性角位移運動[4]。傾斜搖擺試驗臺主要用于實現傾斜、搖擺、振蕩以及它們的綜合試驗。試驗臺的校準涉及到靜態角度、動態角度、加速度等多種參數，校準參數多樣，校準過程繁復。

2.2 搖擺臺校準方法

選擇具有零頻響應的高靈敏度加速度計(頻率范圍DC～100Hz)可對搖擺臺全部參數進行校準。

具有零頻響應的加速度計(以下簡稱加速度計)是指對重力加速度具有響應的變電容式等原理的加速度計，利用加速度計的這一特性，可以用來測量靜態或動態的角度。當加速度計的敏感軸方向與重力加速度方向平行時，受到重力加速度作用，加速度計輸出與重力加速度成正比。當加速度計的敏感軸方向與重力加速度方向垂直時，加速度計輸出與重力加速度無關。當加速度計的敏感軸方向垂直于重力加速度方向時所受的加速度為0，當加速度計傾斜角度為θ時，沿著加速度計軸線方向所受的加速度為重力加速度在該方向的分量gθ=g·sinθ，那么理論上傾斜角度θ=arcsingθ/g。測量原理如圖2所示。

圖2 使用加速度計校準原理圖Fig.2 Principle of calibration by accelerometer

(1)

式中：θ——加速度計測量的傾斜角度值；S——加速度計的靈敏度；g——當地重力加速度；V0——搖擺臺在水平位置時加速度計的直流輸出；V——搖擺臺傾斜后加速度計的直流輸出。

當使用加速度計測量搖擺角度時，首先使搖擺臺置于水平位置，安裝加速度計使其敏感軸方向垂直于重力加速度和傾斜的軸線，搖擺臺搖擺后，使用動態信號分析儀的交流耦合方式測量加速度計的交流輸出峰值VP。參照公式(1)的計算方法，加速度計測得的搖擺角度可根據式(2)計算。

(2)

式中：φ——加速度計測量的搖擺角度值；VP——搖擺臺搖擺后加速度計的輸出峰值。

2.3 校準裝置

校準裝置主要由加速度計及配套的放大器、動態信號分析儀、數字電壓表或數字記憶示波器等組成，校準系統如圖3所示。加速度計經供電放大器輸出端與動態信號分析儀相連時可用于傾斜搖擺的角度、振蕩加速度、周期和失真度等的測量；與數字電壓表相連時，可用于靜態角度測量；與數字記憶示波器相連時，可用于傾斜搖擺角度、振蕩加速度和周期的測量。

圖3 校準系統示意圖Fig.3 Setup of calibration system

校準時，將搖擺臺臺面置于水平位置，將加速度計剛性安裝在試驗臺臺面中心，加速度計的敏感軸方向應平行于重力加速度的方向。當進行傾斜校準時，在試驗臺的傾斜角度范圍內選取需校準的角度，操作試驗臺按照設定角度傾斜，使用動態信號分析儀、數字電壓表或記憶示波器讀取加速度計的直流輸出，按照式(1)計算傾斜角度。當進行搖擺校準時，在試驗臺的搖擺角度和周期范圍內選取需校準的角度與周期，操作試驗臺按照設定角度與周期搖擺，使用動態信號分析儀或記憶示波器讀取加速度計的交流輸出，按照式(2)計算搖擺角度。同時，可以使用動態信號分析儀或數字記憶示波器測量搖擺周期，使用動態信號分析儀測量搖擺失真度等參數。

2.4 校準結果

根據上述的校準方法構建校準系統，使用美國PCB公司生產的3711型加速度計對西安捷盛電子技術有限責任公司生產的Y581500/ZF型傾斜搖擺試驗臺進行校準，校準結果如表1～表5所示。本文只給出了搖擺臺的傾斜和搖擺試驗結果，振蕩測試的方法已有成熟的振動測量標準和規范可供參考，因此不再贅述。

表1 傾斜角度示值誤差

Tab.1 Inclination angle error value

表2 搖擺角度示值誤差

Tab.2 Swing angle error value

表3搖擺周期示值誤差

Tab.3 Swing period error value

表4 搖擺失真度

Tab.4 Swing harmonic distortion

根據GJB150.23A-2009的試驗要求，結合搖擺臺的工作方式，使用加速度計進行校準，能夠覆蓋搖擺臺的主要技術參數，包括傾斜角度、搖擺角度、周期和失真度以及振蕩的加速度、周期和失真度等。

3 測量不確定度評定

3.1 測量模型

使用加速度計測量搖擺角度，它的測量模型由公式(2)得到。

3.2 標準不確定度的A類評定

對搖擺臺進行搖擺角度測量時，A類方法評定的不確定度主要來源于測量的重復性。設定搖擺角度為15°，搖擺周期為5s，對傾斜搖擺試驗臺的搖擺角度重復測量10次，測量值如表5所示。

表5 搖擺角度測量值

Tab.5 Swing angle test result

搖擺角度測量值的平均值

搖擺角度測量平均值的實驗標準偏差

搖擺角度測量值的A類標準不確定度以相對值表示為

3.3 標準不確定度的B類評定

對搖擺臺進行搖擺角度測量時，B類方法評定的不確定度主要來源如表6所示。

表6 B類不確定度分量

Tab.6 Uncertainty components of method B

根據以上不確定度來源，得到搖擺角度測量的B類不確定度為

3.4 合成標準不確定度

搖擺角度測量結果的不確定度分量獨立無關，故搖擺角度測量結果的合成標準不確定度為

3.5 擴展不確定度

取包含因子k=2，則搖擺角度測量結果的擴展不確定度

U=k·uc=1.6% (k=2)

根據以上測量不確定度的評定方法，可以得出，在搖擺臺全量程范圍內，搖擺角度測量誤差為1.6%以內。

根據GJB150.23A-2009的要求，傾斜搖擺試驗的角度幅值、搖擺周期不超過規定值的5%，失真度不大于15%。同試驗結果比較可見，使用加速度計進行搖擺臺校準，校準結果的不確定度完全能夠滿足試驗臺的試驗要求。

3.6 校準不確定度的驗證

根據GJB 2749A-2009的規定，采用兩臺比對法，對以上測量不確定度進行驗證[5]。

本文中的測量采用美國PCB公司生產的3711型加速度計，對以上傾斜搖擺試驗臺搖擺角度的進行測量，其搖擺角度測量結果為y1=15.20°，校準不確定度為：U1=1.6%(k=2)；另采用美國Sundsand Data Control公司生產的979-1300型伺服加速度計對相同的設備的搖擺角度進行測量，得到測量結果為y2=15.28°，測量不確定度為U2=1.5%(k=2)。

測量不確定度的驗證結果

可見，以上測量不確定度的評定方法可行，結果滿足搖擺臺的校準與測試要求。

4 結束語

本文給出的方法，能夠實現搖擺臺在靜態和動態角度上的校準，并可取得較高的校準準確度。經過多年的應用實踐證明，采用具有零頻響應的高靈敏度加速度計可滿足搖擺臺的校準要求，僅需一次安裝便可完成所有動靜態性能參數的校準，具有原理簡單、操作方便的特點；同時，加速度計可以溯源至現有的國家基準，具有完整的溯源鏈，保證了搖擺臺的量值準確可靠，為規范搖擺臺校準方法，制訂相應的校準規范打下了基礎。

[1] 呂明珠，劉世勛.艦船傾斜搖擺試驗臺的設計與試驗[J].機電工程,2016(08)：1003～1006.

[2] GB/T 2423.101-2008 電工電子產品環境試驗 第2部分：試驗方法 試驗：傾斜和搖擺[S].北京：中國標準出版社，2008.

[3] GJB150.23A-2009 軍用裝備實驗室環境試驗方法 第23部分：傾斜和搖擺試驗.北京：總裝備部軍標出版發行部，2009.

[4] 施建榮，施詩，張燕.論艦船裝備傾斜和搖擺環境適應性與試驗[J].裝備環境工程,2011(04)：41～44.

[5] GJB 2749A-2009 軍事計量測量標準建立與保持通用要求[S].北京：總裝備部軍標出版發行部.