正弦力校準裝置的研制

田峰,尹肖,李博,陳偉

(航空工業北京長城計量測試技術研究所,北京 100095)

0 引言

動態力包括脈沖力、階躍力、正弦力、隨機力,廣泛應用于航空航天、軍事科學、安全防護、交通運輸、車輛制造、建筑橋梁和材料測試等領域。其中,正弦力典型應用領域包括:材料、整機及構件的疲勞試驗;標準動態測力儀的溯源;飛行器動力反饋控制;武器系統動力試驗;產品生產過程質量控制;車輛制造、橋梁建設、鉆井平臺搭建、地震模擬、駕駛/飛行教練模擬器等。上述領域測試結果的準確性,需要由動態正弦力的計量校準環節來保證。

目前,在中小量程的正弦力校準方面,國外德國聯邦物理技術研究院(PTB)、西班牙國家計量院(CEM)、法國國家計量院(CEM)都在從事相關研究工作,并建有相應的校準裝置。這些校準裝置的原理、結構和指標基本一致:均采用電磁振動臺作為激勵源,激勵源上依次安裝動態力傳感器和標準質量塊,振動臺的動圈或質量塊采用空氣軸承支撐以減少質量塊的橫向運動[1];力值范圍上限可達10 kN,頻率范圍為10～2000 Hz。PTB 的校準裝置由三臺不同量程的裝置組成,其中幅值上限800 N 的裝置,校準頻率可擴展至3 kHz。國內航空工業計量所、浙江省計量院也在從事相關研究工作,并建有相應的校準裝置。這兩家單位的校準裝置也基于電磁激振的原理,采用與PTB 類似的結構圖[2]。航空工業計量所的校準裝置由兩臺不同量程的裝置組成,力值范圍為10 mN～10 kN,頻率范圍為10～2000 Hz;浙江省計量院的校準裝置采用額定推力為60 kN 的電磁振動臺作為激勵源,其正弦力幅值上限可達40 kN[3-4]。

在中高量程的正弦力校準方面,德國PTB 開展了相關研究工作,并建立了相應的校準裝置。該校準裝置由兩套不同量程(力值100 kN,頻率范圍0～100 Hz以及力值20 kN,頻率范圍0～200 Hz)的電液伺服式激振系統組成,用于進行比較法正弦力的校準。此外,PTB 開展了使用915 kg 質量塊進行絕對法校準的初步研究工作[2]。國內黑龍江華安精益計量技術研究院有限公司建立了一套采用電液伺服激勵源激勵的正弦力校準裝置。該裝置量程為50 kN,頻率為0～60 Hz,與德國PTB 中高量程正弦力校準裝置結構類似,采用作動器上置下推雙立柱框架結構。除正弦波外,該裝置還可以復現三角波、矩形波等,配合激光干涉儀或加速度傳感器后,該裝置可進行絕對法或相對法的正弦力校準[5]。

目前,國內正弦力校準裝置無法實現50 kN 以上幅值范圍的動態校準,量程在50 kN 以上的測力系統多處于“靜標動用”狀態[6]。由于校準和使用狀態的不一致,大大增加了不確定度。針對此種情況,航空工業計量所開展了250 kN 正弦力校準裝置的研制工作。該裝置通過基于質量標準塊和加速度的絕對法溯源,將動態正弦力值溯源到質量、長度和時間三個國際單位制(SI 制)的基本量,可為動態力計量體系的建立奠定基礎,一定程度上解決了中高量程正弦力值量傳和溯源的難題。

1 250 kN 正弦力校準裝置的設計

250 kN 正弦力校準裝置系統結構如圖1 所示,工作原理如圖2 所示。

圖1 正弦力校準裝置系統結構圖

圖2 正弦力校準裝置工作原理圖

激勵源安裝在專用基座上,專用基座帶有橫振抑制機構,以減少橫向振動對軸向正弦力校準的不利影響,同時,專用底座下方安裝有空氣彈簧,以減少向基礎和周邊傳遞的振動。標準質量塊通過轉接件與被校傳感器以及安裝在作動器出力桿端部的參考動態力傳感器剛性連接。移動橫梁通過滾珠絲杠帶動,可沿四根導向立柱上下移動,通過質量塊吊掛帶動標準質量塊升降調整校準試驗空間的大小。移動橫梁上端裝有重力補償機構,必要時可以抵消由于標準質量塊安裝而施加在被校傳感器上的附加重力。可通過四個鎖緊油缸將橫梁鎖緊固定在四根導向立柱上,此時,移除標準質量塊,安裝上專用轉接板,可以實現比較法正弦力的校準。激光干涉儀及二維位置調整機構放置在隔振平臺上,為降低振動對測量的影響,激振源和激光干涉測量系統分別安裝在不同的地基上,同時還應采取各種隔振、降噪措施。計算機通過振動控制儀控制激振源的振動;激光干涉儀信號先進行混頻、濾波,然后進入數據采集系統,力傳感器的輸出信號經放大后進入數據采集系統。

1.1 激勵源

裝置采用基于伺服控制的液壓式激勵源,主要由伺服閥、液壓源及控制裝置、作動器組成。正弦力源產生振動的頻率范圍為1～300 Hz,正弦力幅值范圍為2.5～250 kN。電液伺服閥是激勵源的核心,對于高頻伺服閥,流量衰減非常明顯,為了滿足高頻時的流量要求,激勵源采用了雙閥并聯的設計方式。

1.2 臺體

校準裝置的臺體主要由作動器、標準質量塊、機架、臺面、重力補償機構、比較法校準轉換工裝組件組成。作動器是臺體的核心部件,與轉接件、被校傳感器、標準質量塊一起,共同決定了振動系統的機械頻響。作動器主要由缸體、端蓋、活塞桿、靜壓軸承、密封組件、位移傳感器等組成。為了增加伺服液壓激振器動態特性,提高活塞桿的抗傾覆能力,且減小活塞桿與端蓋之間的摩擦,活塞桿采用間隙靜壓軸承支撐。采用靜壓軸承支撐的活塞桿可在側向負荷較高的情況下高速運行。

1.3 控制系統

油泵的壓力脈動、油液壓縮性引起的共振、活塞與缸體間摩擦、液壓密封件的摩擦、局部振動造成的高次諧波、伺服閥的非線性等因素可能導致電液激勵源波形失真較大。當采用激光絕對校準時,傳感器靈敏度校準公式是基于傳感器所承受運動為理想正弦振動而得出的,即振動臺的振動是理想正弦振動,但實際上任何振動臺的振動均不可避免地含有諧波失真和噪音,靈敏度的計算必然含有方法誤差帶來的系統誤差,此方法誤差的大小和激勵源工作面的運動失真有關。因此,減小波形失真是校準裝置控制技術的難點之一。

校準裝置的控制系統分為內環伺服控制和外環振動控制兩部分,控制系統原理如圖3 所示。其中,內環伺服控制是校準裝置控制系統組成的基礎,也是校準裝置完成其它復雜控制功能的基礎,起著信號采集、放大、電流/電壓轉換、反饋校正等作用;外環振動控制是校準裝置的頂層控制部分,是校準裝置控制系統的核心,用以實現校準系統模型參數辨識、復雜控制加載、傳遞函數迭代控制等功能[7]。校準時,控制器將標準正弦驅動信號通過自適應控制調節到DA 輸出,將信號傳入到功率放大器和振動臺上,而實際工作時,由于各種復雜原因會導致波形產生失真。裝置采用自適應諧波控制算法,通過對系統的結構進行辨識,將加速度信號的高次諧波檢測出來,通過估算的系統非線性特性,并利用諧波控制算法,采用移相器對系統輸入特定的諧波信號使之與原有的諧波抵消,以抑制高次諧波,從而使正弦波的失真度降低到一定范圍以下,達到改善加速度波形的目的。

圖3 校準裝置控制系統

1.4 加速度測量系統

振動質量的加速度采用正弦逼近法測量,硬件上由一臺外差干涉儀實現,該外差干涉儀具有兩路正交信號輸出,同時配有兩個光電接收器用來檢測干涉信號光束。干涉儀使用1/4 波片將入射的線偏振光調制成兩路相位差為90°、偏振方向互相垂直的測量光束。兩路正交偏振光束先與參考線偏振光束發生干涉,然后由光學器件分開,并由兩個光電二極管檢測。外差干涉儀在測量位移小于2 μm 時,其兩路輸出幅值的偏移量應不超過±5%,相對幅值偏差應不超過±5%,與90°名義角度的偏差應不超過±5°。為確保以上誤差限,需采取適當的方法對兩路干涉信號的偏移量、幅值大小及角度偏差進行調整。

2 標準正弦力的復現測量

正弦法動態力校準的原理基于牛頓第二定律,即F=ma,因此,校準裝置所復現的正弦力的準確度取決于質量m和加速度a兩個參數的測量準確度。

2.1 傳感器端部質量的測量

力傳感器所受到的動態力F是標準質量塊質量m1、質量塊與傳感器間的連接件質量m2和力傳感器的端部質量me所產生的動態力之和,即F=(m1+m2+me)·a。其中,標準質量塊質量和連接件質量可以采用靜態方法在安裝前準確地測量,而力傳感器的端部質量則不易測準,因此端部質量的準確測量是質量參數測量的關鍵。

被校傳感器的端部質量可通過安裝不同質量的標準質量塊進行試驗,利用線性關系推算得出。

變換式(1),得到

式中:m為被校動態力傳感器的端部質量;M1,M2分別為兩次校準時安裝連接的標準質量塊的質量;a1,a2分別為第兩次校準時的加速度;U1,U2分別為兩次校準時動態力傳感器的電壓輸出值;S為動態力傳感器的靈敏度系數。

實際校準中,可以控制兩次加載的加速度值使其基本一致,例如可以使a=5g,M2=2M1。因為M1和M2為質量較大的負載,所以兩次校準配置條件下動態力傳感器的靈敏度近似一致,這里用Sv表示[8]。

兩次校準過程中力傳感器受到的動態力分別為

由式(3)和式(4)得傳感器端部質量mt為

2.2 加速度的測量

質量塊表面的加速度分布由激光干涉測量系統測量,考慮到加速度分布不均勻對正弦力校準的影響,可通過測量質量塊中心及4 個外緣角落位置的加速度,取加速度的平均值作為質量塊上表面的加速度值。測量點分布如圖4 所示,1 點為中點,其余4 點在半徑為R/2 的圓周上均布。對于體積和質量較大的標準質量塊,只選擇5 個點的加速度來描述其整體的加速度分布情況可能不夠完善,必要時需增加測量點個數。在實際校準動態力傳感器的過程中,也常常僅測量標準質量塊上表面某一點的加速度,而其余位置的加速度由有限元法仿真或解析法計算得出[1]。用測量出的加速度乘以總的參振等效質量后,正弦波的幅值和相位可以采用離散傅立葉變換(DFT)法或正弦擬合法獲得。

圖4 加速度測量點的分布

2.3 測試實例

采用上述加速度和質量的測量方法,對德國HBM一臺U10M 應變式動態力測試儀進行測試[9-10],該測試儀量程為500 kN,力值的靜態誤差為-0.1%,固有頻率為6.1 kHz。以給定加速度12.5g、測試頻率100 Hz 為例,此時校準裝置幅值在250 kN 左右,測試數據記錄見表1。

表1 正弦絕對法傳感器測試數據實例

由測試結果可知,該傳感器在頻率為100 Hz、幅值為250 kN 時的幅值誤差為-0.48%。

對瑞士Kistler 一臺9371B 壓電式動態力測試儀施加恒定幅值20 kN 的正弦力,進行10～250 Hz 不同頻率點的動態特性測試,測試數據如圖5 所示,傳感器與校準裝置的幅值差異在-1.2%～1.5%范圍內分布。

圖5 正弦力幅值差異

3 結論

針對現有基于電磁激勵源的正弦力校準裝置的幅值上限一般在10～40 kN 這一現狀,研制了基于電液伺服激勵源的正弦力校準裝置,幅值上限可達250 kN,證明了采用電液伺服激勵源是擴展正弦力校準量程的有效手段。與國內外同類裝置相比,本裝置的激勵源采用了雙伺服閥并聯供油的設計方式,保證了在高頻振動時系統對油液的大流量需求,頻率上限可達250 Hz,基本滿足常規正弦力使用頻率的校準需求。同時,本裝置采用了標準砝碼上置、激勵源下置的加載結構,在一臺裝置上實現了既可以復現較寬幅值范圍又可以復現較寬頻率范圍的加載功能。臺體采用帶有靜壓軸承支撐的作動器,提高了活塞桿的抗傾覆能力,減小了活塞桿與端蓋之間的摩擦,提升伺服液壓激振器動態特性。控制系統采用自適應諧波控制算法,通過對系統的結構進行辨識,檢測得出加速度信號的高次諧波,通過移相器對系統輸入特定的諧波信號使之與原有的諧波抵消,達到改善加速度波形的目的。

測試結果表明,校準裝置復現的正弦力幅值準確度優于1.5%,進一步的驗證需要進行國內外同類裝置的正弦力值比對。為進一步提高裝置的整體準確度,關于加速度沿加力軸線分布和垂直加力軸線分布的不均勻性以及加速度測量方法的優化改進,需要更進一步地深入研究。