熱模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)高溫振動(dòng)校準(zhǔn)測試裝置設(shè)計(jì)

黃 成，鄭 凱，倪 博，承 磊，沈惠峰

(1.中國航發(fā)上海商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限責(zé)任公司，上海 201306; 2.上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600;3.上海精密計(jì)量測試研究所，上海 201109)

0 引 言

研究氣動(dòng)熱彈性問題的關(guān)鍵在于獲取準(zhǔn)確的熱模態(tài)參數(shù)[1-6]，為能夠更準(zhǔn)確地獲取飛行器在飛行過程中熱環(huán)境條件下的模態(tài)參數(shù)，需要在地面建立熱模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)。熱模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)主要由加熱系統(tǒng)、激振系統(tǒng)和激光測振系統(tǒng)組成，其中激光測振系統(tǒng)主要用于模態(tài)振動(dòng)時(shí)加速度幅值的測量。

目前熱模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)中的激光測振系統(tǒng)校準(zhǔn)一般是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行的[7]，并且校準(zhǔn)的環(huán)境條件為常溫環(huán)境，從未在高溫環(huán)境條件下進(jìn)行過校準(zhǔn)。而在高溫環(huán)境下，隨著溫度不斷升高，熱模態(tài)試驗(yàn)中的金屬會(huì)發(fā)射出可見光波段的輻射光譜，當(dāng)這些光譜與激光光波長相近時(shí)會(huì)對(duì)激光測振系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。一些試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)激光測振系統(tǒng)在高溫環(huán)境下使用時(shí)，會(huì)受到加熱系統(tǒng)石英燈管產(chǎn)生的雜散光、熱空氣對(duì)流和溫度等外部因素的影響，而使得激光測振儀的測量準(zhǔn)確度下降[8]。國內(nèi)外計(jì)量機(jī)構(gòu)雖然采用激光測振系統(tǒng)開展傳感器溫度相應(yīng)的絕對(duì)法校準(zhǔn)，但使用的高低溫室是穩(wěn)定環(huán)境，不存在雜散光和空氣對(duì)流等干擾源，目前對(duì)此類干擾的分析尚未查見。因此非常有必要在高溫環(huán)境下，對(duì)熱模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)中的激光測振系統(tǒng)進(jìn)行原位的量值溯源，確定其在不同溫度下，加速度幅值測量誤差是否能夠滿足試驗(yàn)要求。

本文提出了熱模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)高溫振動(dòng)原位校準(zhǔn)測試的設(shè)計(jì)方案，采用基于振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置和耐高溫陶瓷傳遞桿的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)傳遞技術(shù)，組建了原位校準(zhǔn)測試裝置，通過分析和原位校準(zhǔn)測試試驗(yàn)，可滿足對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)高溫環(huán)境下振動(dòng)加速度幅值的有效量值溯源。

1 高溫環(huán)境振動(dòng)幅值原位校準(zhǔn)測試研究

1.1 原位校準(zhǔn)測試方法選擇

平板式熱模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)采用非接觸測量的激光測振系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)的采集與分析[9-10]，當(dāng)進(jìn)行熱模態(tài)試驗(yàn)時(shí)將激光測振系統(tǒng)的激光打到被測試件上，測量該點(diǎn)的加速度幅值。

試驗(yàn)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)為：

20～400 ℃ 溫度下：頻率范圍：10～700 Hz，加速度幅值：0.5～3g，幅值測量精度：±10%。

在高溫環(huán)境下，對(duì)激光測振系統(tǒng)進(jìn)行溯源時(shí)，可采用兩種方法實(shí)現(xiàn)激光測振系統(tǒng)量值溯源。第一種方法為振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)法，即通過有效的隔熱措施，將振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置（由正弦信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)、標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)、電荷放大器、數(shù)字電壓表組成）輸出標(biāo)準(zhǔn)正弦振動(dòng)信號(hào)傳遞至高溫環(huán)境中，激光測振系統(tǒng)測量該標(biāo)準(zhǔn)正弦振動(dòng)信號(hào)，將激光測振系統(tǒng)的測量值與振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置的輸出值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)激光振動(dòng)測量系統(tǒng)的量值溯源。第二種方法為比較法，采用的標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器需在高溫環(huán)境下有效溯源后，獲得溫度靈敏度曲線，將標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器與激光測振系統(tǒng)同時(shí)測量同一正弦振動(dòng)信號(hào)，對(duì)二者的測量結(jié)果進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)激光測振系統(tǒng)的高溫環(huán)境溯源。

通過對(duì)以上兩種方法進(jìn)行比較，采用傳感器比較法校準(zhǔn)時(shí)，具有很大的不確定性和復(fù)雜性，而采用振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)法只需通過有效的隔熱措施和適當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償[11-12]措施即可實(shí)現(xiàn)高溫環(huán)境下的校準(zhǔn)測試，且更為可靠和準(zhǔn)確，因此本文采用振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)法實(shí)現(xiàn)高溫環(huán)境下平板式熱模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)加速度幅值測量誤差的原位校準(zhǔn)。

1.2 原位校準(zhǔn)測試方案

采用振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)法進(jìn)行高溫振動(dòng)原位校準(zhǔn)時(shí)，如何將振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置輸出的加速度幅值準(zhǔn)確傳遞到高溫環(huán)境中，同時(shí)保證標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)處于常溫或可控狀態(tài)是所要研究的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。因此，本文采用以下三個(gè)措施：

第一個(gè)措施為在標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)上安裝耐高溫陶瓷傳遞桿，通過增加標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)與石英燈陣之間的距離，降低熱環(huán)境對(duì)標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)的影響。陶瓷桿具有非常好的隔熱特性，傳輸系數(shù)穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)將標(biāo)準(zhǔn)加速度幅值由常溫環(huán)境傳遞到高溫環(huán)境，為平板式熱模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)的校準(zhǔn)提供準(zhǔn)確可靠的加速度幅值。

第二個(gè)措施為在標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)與石英燈陣之間采取隔熱措施。當(dāng)平板式熱模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)中石英燈陣進(jìn)行加熱時(shí)，因熱量泄漏其周圍的環(huán)境溫度也會(huì)隨之升高，會(huì)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)靈敏度帶來影響，本項(xiàng)目通過設(shè)計(jì)隔熱裝置，將振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置與平板式熱模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行隔熱，進(jìn)一步降低環(huán)境溫度對(duì)標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)的影響。

第三個(gè)措施是對(duì)陶瓷傳遞桿傳輸系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，在實(shí)際校準(zhǔn)時(shí)，根據(jù)其實(shí)際的頻率點(diǎn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)的靈敏度進(jìn)行修正，確保標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)輸出的加速度準(zhǔn)確可靠。

通過以上三個(gè)措施，可以實(shí)現(xiàn)將振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置傳遞到高溫環(huán)境的加速度量值可控可靠，實(shí)現(xiàn)對(duì)平板式熱模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)振動(dòng)測量的量值溯源。

加速度幅值測量誤差振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)法校準(zhǔn)測試原理框圖如圖1所示。隔熱裝置將振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置與平板式熱模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行隔熱。通過陶瓷桿的傳遞將標(biāo)準(zhǔn)加速度幅值由常溫環(huán)境傳遞到高溫環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn)試件上。標(biāo)準(zhǔn)加速度幅值采用標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)進(jìn)行測量，通過電荷放大器和數(shù)字電壓表組成的測量系統(tǒng)讀取加速度幅值信號(hào)。高溫環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)試件加速度幅值由平板式熱模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)中的激光測振系統(tǒng)進(jìn)行測量。通過對(duì)兩個(gè)環(huán)境下的加速度參數(shù)數(shù)據(jù)的比較，完成對(duì)平板式熱模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)加速度幅值測量誤差的校準(zhǔn)。

圖1 高溫環(huán)境下振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)法校準(zhǔn)測試原理框圖

根據(jù)平板式熱模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)加速度幅值測量誤差校準(zhǔn)方法，可實(shí)現(xiàn)不同熱流密度和溫度下，平板式熱模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)加速度幅值測量誤差的校準(zhǔn)，獲得加速度幅值測量誤差隨熱流密度和溫度變化的曲線。加速度幅值誤差的計(jì)算為

式中：δ——平板式熱模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)加速度幅值測量誤差，%；

a1——平板式熱模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)加速度幅值測量值，g；

a0——振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置輸出加速度幅值，g；

——振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置輸出加速度幅值修正量。

試驗(yàn)系統(tǒng)以及標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)工作環(huán)境所在的溫度場隨石英燈陣所產(chǎn)生的熱流密度場的變化而變化，但由于溫度場的變化對(duì)激光測振系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)會(huì)有影響，因此在加速度幅值測量誤差校準(zhǔn)時(shí)需要同時(shí)對(duì)控制溫區(qū)的溫度進(jìn)行校準(zhǔn)。另外標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)工作環(huán)境的溫度變化，對(duì)平板式熱模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)的加速度幅值校準(zhǔn)影響較大，因此在加速度幅值測量誤差校準(zhǔn)時(shí)有必要對(duì)加速度計(jì)工作環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測，為傳感器靈敏度溫度補(bǔ)償提供依據(jù)。

1.3 陶瓷傳遞桿和隔熱裝置的組建與分析

標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)配合的專用陶瓷桿（圖2），可以在-185～800 ℃的工作環(huán)境溫度下實(shí)現(xiàn)加速度幅值的傳遞。陶瓷桿主體由6根耐高溫陶瓷細(xì)桿圓周均布安裝組成，前端受熱部分包覆304不銹鋼，底部與振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈通過聯(lián)結(jié)工裝固定。在400 Hz以下，傳輸系數(shù)十分穩(wěn)定，基本穩(wěn)定在1%～2%，在400～700 Hz時(shí)傳輸系數(shù)會(huì)隨著頻率增加而增加。為了更準(zhǔn)確地獲得陶瓷傳遞桿頂部加速度幅值，需要對(duì)陶瓷桿傳輸系數(shù)進(jìn)行線性修正，確保加速度幅值由陶瓷桿底端傳遞到頂端時(shí)，不造成加速度幅值的額外測量誤差。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)（含陶瓷傳遞桿）

因此采用2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)、電荷放大器、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源和動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)，組建了如圖3所示的陶瓷桿傳遞系數(shù)線性標(biāo)定系統(tǒng)。

圖3 陶瓷桿傳輸系數(shù)線性標(biāo)定系統(tǒng)

將加速度計(jì)的靈敏度在電荷放大器及動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行設(shè)置，開啟標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)，同時(shí)記錄陶瓷傳遞桿兩端的加速度計(jì)傳遞信號(hào)，測量頻率范圍為10～700 Hz，得到測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 陶瓷桿傳遞系數(shù)

為了分析陶瓷傳遞桿在高溫環(huán)境下熱變形影響，采用仿真分析軟件對(duì)陶瓷傳遞桿高溫?zé)嶙冃芜M(jìn)行仿真分析，陶瓷桿各材料特性如表2所示，邊界條件為：陶瓷桿頂端固定溫度加熱，其余進(jìn)行空氣熱交換。仿真分析數(shù)據(jù)如表3所示。

表2 陶瓷桿各材料特性

測量數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果表明，陶瓷傳遞桿能夠起到很好的傳遞作用，修正系數(shù)都在1.02以下，安裝了陶瓷傳遞桿的標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)的失真度也基本小于2%，高溫?zé)嶙冃螌?duì)試驗(yàn)影響很小，最大形變量小于1 mm，因此能夠開展對(duì)振動(dòng)加速度幅值測量誤差的原位校準(zhǔn)。

如圖4所示，隔熱裝置為由高硅氧玻璃鋼的隔熱材料外協(xié)加工而成，由一塊前部防熱板、兩塊側(cè)向防熱板和一塊上部防熱板構(gòu)成，并通過不銹鋼角連接和螺釘進(jìn)行組裝。前部防熱板中間開一個(gè)直徑60 mm的圓孔，能夠讓振動(dòng)臺(tái)的陶瓷傳遞桿順利通過，同時(shí)保證振動(dòng)臺(tái)的主體部分完全覆蓋在隔熱裝置內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)臺(tái)及標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)的隔熱效果。

圖4 隔熱裝置安裝示意圖

2 原位校準(zhǔn)測試裝置

本文研建的校準(zhǔn)測試裝置總體如圖5所示。裝置由振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置、隔熱裝置以及溫度監(jiān)測單元組成。振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置用于提供標(biāo)準(zhǔn)加速度幅值，主要包括正弦信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)、陶瓷桿、標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)、電荷放大器、動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀。溫度監(jiān)測單元主要用于監(jiān)測振動(dòng)校準(zhǔn)時(shí)的溫度值，由熱電偶傳感器和數(shù)據(jù)采集器組成。

圖5 校準(zhǔn)測試裝置總體示意圖

其中主要測量設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

表4 主要測量設(shè)備技術(shù)指標(biāo)

研建的校準(zhǔn)測試裝置技術(shù)指標(biāo)如下：

1）頻率測量范圍為 10～1000 Hz；

2）加速度測量范圍為 0.1 ～8g；

3）加速度幅值最大允許誤差：±2%。

3 校準(zhǔn)裝置測量不確定度評(píng)定

加速度幅值測量的數(shù)學(xué)模型為：

式中：a——校準(zhǔn)裝置測量的加速度幅值，g；

a′——校準(zhǔn)裝置測 量的加速度幅值標(biāo)準(zhǔn)值，g；

V——標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)的輸出值，mV；

D——電荷放大器設(shè)定的歸一化檔讀數(shù)，10-12C/Unit；

G——電荷放大器設(shè)定的增益檔讀數(shù)，mV/Unit；

S——標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)的靈敏度，10-12C/g。

按照不確定度傳遞率[13]，a的相對(duì)合成不確定度公式為：

校準(zhǔn)裝置加速度幅值測量誤差的測量不確定度來源以及匯總數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 測量不確定度一覽表

4 驗(yàn)證測試試驗(yàn)

利用校準(zhǔn)測試裝置對(duì)平板式熱模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)的高溫環(huán)境下振動(dòng)加速度幅值測量誤差進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。圖6為現(xiàn)場測試圖，試驗(yàn)結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖6 高溫環(huán)境下振動(dòng)幅值測量誤差驗(yàn)證測試試驗(yàn)

圖7 高溫環(huán)境下振動(dòng)幅值的頻率特性數(shù)據(jù)

圖8 高溫環(huán)境下振動(dòng)幅值的幅值特性數(shù)據(jù)

表6是各頻率點(diǎn)的最大誤差值，表7是相同溫度下各頻率對(duì)160 Hz頻率點(diǎn)的幅值偏差，表8是160 Hz頻率下各幅值點(diǎn)的最大誤差值。

表6 各頻率下最大誤差值

表7 相同溫度下各頻率對(duì)160 Hz頻率點(diǎn)的幅值偏差

表8 160 Hz頻率條件各幅值下最大誤差值

測試結(jié)果顯示：

1）熱模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)中測量的振動(dòng)加速度幅值隨著試驗(yàn)溫度的升高，總體呈下降趨勢；

2）高溫環(huán)境下，各頻率點(diǎn)的測量誤差最大可達(dá)-8.57%（400 ℃ 時(shí)）；

3）在相同溫度下，各個(gè)頻率點(diǎn)的加速度幅值與160 Hz參考頻率點(diǎn)加速度幅值偏差均小于5%；

4）在160 Hz頻率條件下，各幅值的最大測量誤差最大可達(dá)-7.78%（2g時(shí)）；各個(gè)溫度條件下各幅值的測量值與常溫下的幅值測量值的偏差（幅值線性度）均小于3%。

由此可見，在進(jìn)行熱模態(tài)試驗(yàn)中，針對(duì)激光測振儀進(jìn)行溫度修正是十分有必要的。在試驗(yàn)準(zhǔn)確度要求不高的情況下，可以只對(duì)激光測振儀各個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行160 Hz頻率點(diǎn)的修正，即可在兼顧試驗(yàn)效率的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫環(huán)境下激光測振儀的原位校準(zhǔn)。

5 結(jié)束語

本文主要研究了平板式熱模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)高溫環(huán)境振動(dòng)加速度幅值原位校準(zhǔn)測試方法，提出了振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)法進(jìn)行高溫環(huán)境下校準(zhǔn)測試的解決方案，設(shè)計(jì)研制了基于標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)、陶瓷傳遞桿以及隔熱裝置等組建的原位校準(zhǔn)測試裝置。通過驗(yàn)證試驗(yàn)表明，該裝置簡便可行準(zhǔn)確度高，滿足平板式熱模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)高溫環(huán)境振動(dòng)加速度幅值原位校準(zhǔn)測試需求，可以開展原位校準(zhǔn)測試工作。