GJB 669在開(kāi)環(huán)加速度計(jì)動(dòng)態(tài)特性測(cè)試中的應(yīng)用

劉 杰 孫乃英

（陜西華燕航空儀表有限公司，陜西 漢中 723102）

開(kāi)環(huán)半液浮擺式加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)特性測(cè)試是通過(guò)試驗(yàn)方法確定固有頻率和阻尼比，此類加速度計(jì)的試驗(yàn)方法按HB 6156–1988《常規(guī)線加速度計(jì)通用技術(shù)條件》執(zhí)行，動(dòng)態(tài)特性采用頻率法或階躍法。HB 6156–1988是1988年起草的，當(dāng)時(shí)制定頻率試驗(yàn)法所使用的設(shè)備早已淘汰，當(dāng)于2008年為某擺組件重新研制半液浮擺式加速度計(jì)時(shí)，沒(méi)有設(shè)備進(jìn)行頻率試驗(yàn)，求助其它專業(yè)廠家，也沒(méi)有類似設(shè)備，因此，決定重現(xiàn)研究動(dòng)態(tài)特性測(cè)試方法。

1 擺式加速度計(jì)的試驗(yàn)方法

擺式加速度計(jì)有開(kāi)環(huán)式和閉環(huán)式。閉環(huán)加速度計(jì)按照HB 6363–1989《單軸擺式伺服線加速度計(jì)通用規(guī)范》的方法，在力矩器線圈上施加激勵(lì)信號(hào)，通過(guò)改變信號(hào)的頻率，得到頻率響應(yīng)曲線，最后測(cè)量并計(jì)算固有頻率和阻尼比。也可以采用階躍法在力矩器線圈上施加階躍信號(hào)，對(duì)階躍響應(yīng)曲線進(jìn)行測(cè)量計(jì)算求出固有頻率和阻尼比。開(kāi)環(huán)加速度計(jì)沒(méi)有力矩器，不能施加激勵(lì)進(jìn)行掃頻試驗(yàn)，但可以借鑒閉環(huán)加速度計(jì)的試驗(yàn)原理采用頻率試驗(yàn)法，即HB 6156–1988所述的頻率試驗(yàn)法。

2 開(kāi)環(huán)擺式加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)測(cè)試

2.1 動(dòng)態(tài)指標(biāo)設(shè)計(jì)

該型加速度計(jì)的固有頻率取決于浮子組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，阻尼比與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和浮油的粘度有關(guān)。當(dāng)扭桿的剛度取500gf?cm/rad時(shí)，經(jīng)計(jì)算，固有頻率 fn≈30.8Hz，略大于要求值27Hz。扭桿的剛度越大，固有頻率越高，但剛度越大，加速度計(jì)的測(cè)量范圍越小，兼顧各項(xiàng)性能，扭桿的剛度設(shè)計(jì)值?。?30±10）gf?cm/rad，此時(shí) fn≈31.7Hz。

2.2 動(dòng)態(tài)特性測(cè)試

半液浮擺式加速度計(jì)實(shí)際上是將半液浮速率陀螺儀的電機(jī)去掉，換成偏心擺塊而成的。半液浮速率陀螺儀的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)按照GJB 669–1989《速率陀螺儀試驗(yàn)方法》采用階躍試驗(yàn)法，我們也希望參照GJB 669–1989對(duì)加速度計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)，為此，先后采取了突停法、敲擊法、垂直沖擊法、垂直振動(dòng)法，但都不能實(shí)現(xiàn)階躍輸出。

突停法是將加速度計(jì)豎直固定，使輸入軸與突停臺(tái)轉(zhuǎn)盤相切，啟動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，加速度計(jì)感受到轉(zhuǎn)臺(tái)的切向加速度，浮子組件產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)突停時(shí)，切向加速度為0，使浮子組件回到平衡位置，形成階躍動(dòng)作。實(shí)際上由于轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速很低，轉(zhuǎn)盤半徑小，轉(zhuǎn)臺(tái)提供的切向加速度很小，而加速度計(jì)的零位電壓、噪聲、浮子組件的小軸與軸承之間的摩擦本身都比較大，因此，階躍響應(yīng)信號(hào)不明顯，無(wú)法測(cè)量。

敲擊法是希望加速度計(jì)的外部輸入加速度由0突然變成某一定加速度，雖然與突停臺(tái)的作用是相反的，但也是階躍作用。實(shí)際上進(jìn)行試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)敲擊作用并不能形成階躍響應(yīng)。

垂直沖擊法和垂直振動(dòng)法是使加速度計(jì)的輸入軸與沖擊或振動(dòng)方向一致進(jìn)行沖擊或振動(dòng)，達(dá)到外部輸入加速度的改變，從而得到相應(yīng)的輸出關(guān)系。由于這種安裝方式本身使加速度計(jì)受到重力作用，重力作用迭加后輸出信號(hào)與輸入量并不呈有規(guī)律的關(guān)系。

既然通過(guò)外部作用無(wú)法產(chǎn)生階躍信號(hào)，是否可以直接對(duì)慣性部分進(jìn)行干擾，使其產(chǎn)生階躍動(dòng)作呢？我們進(jìn)行了試驗(yàn)，即在加速度計(jì)裝配波紋管組件前，將加速度計(jì)豎直浸沒(méi)在硅油里，給加速度計(jì)通電，信號(hào)器的輸出端與示波器相連，將浮子組件撥到極限位置約2g輸入狀態(tài)，然后突然釋放浮子組件恢復(fù)平衡位置（0g輸入狀態(tài)），讓浮子組件產(chǎn)生一個(gè)階躍信號(hào)。這個(gè)動(dòng)作使一個(gè)穩(wěn)態(tài)過(guò)程突變到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)過(guò)程，用示波器記錄信號(hào)器的輸出曲線，如圖1和圖2所示。

圖1 輸出信號(hào)為交流時(shí)的階躍響應(yīng)曲線

圖2 交流輸出信號(hào)解調(diào)成直流信號(hào)時(shí)的階躍響應(yīng)曲線

圖1中左邊正弦波信號(hào)是輸入為2g時(shí)的交流輸出信號(hào)，突然釋放浮子組件后，正弦波信號(hào)振蕩衰減為一條近似直線，此過(guò)程即為2g輸入狀態(tài)突然減小為0g輸入狀態(tài)的輸出信號(hào)變化過(guò)程。圖2中左邊較低的一條直線信號(hào)是輸入為2g時(shí)解調(diào)后的直流輸出信號(hào)，突然釋放浮子組件后，直流輸出信號(hào)振蕩衰減為一條直線，此過(guò)程即為2g輸入狀態(tài)突然減小為0g輸入狀態(tài)的直流輸出信號(hào)變化過(guò)程。

對(duì)階躍響應(yīng)曲線按GJB 669-1989的方法進(jìn)行計(jì)算可以得到阻尼比和固有頻率。高、低溫試驗(yàn)時(shí)將容器連同加速度計(jì)一起放入試驗(yàn)箱內(nèi)，保溫后取出進(jìn)行試驗(yàn)。抽取3只加速度計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。低溫下的阻尼比是過(guò)阻尼，曲線無(wú)振蕩，無(wú)法根據(jù)公式進(jìn)行計(jì)算，參照經(jīng)驗(yàn)曲線確定阻尼比的大小。

從表1可以看出，3只加速度計(jì)的試驗(yàn)結(jié)果滿足要求，且與理論值誤差很小。這種試驗(yàn)方法容易理解，也比較準(zhǔn)確，但必須要在加速度計(jì)的裝配過(guò)程中進(jìn)行，裝配成成品后無(wú)法進(jìn)行試驗(yàn)，因此，需要驗(yàn)證該方法對(duì)最終成品也適用。

2.3 動(dòng)態(tài)特性測(cè)試方法驗(yàn)證

擺式加速度計(jì)的專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有介紹撥浮子組件測(cè)試動(dòng)態(tài)特性的方法，無(wú)法找到標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)定該試驗(yàn)方法適用，我們希望通過(guò)對(duì)成品進(jìn)行試驗(yàn)，確認(rèn)最終成品的動(dòng)態(tài)特性測(cè)試與在中間過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性測(cè)試是一致的。經(jīng)過(guò)多方咨詢，我們找到有關(guān)單位協(xié)助研究試驗(yàn)方法，通過(guò)多次試驗(yàn)研究出水平振動(dòng)法，原理是將加速度計(jì)水平安裝在振動(dòng)臺(tái)上，使輸入軸與振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)方向一致，沿輸入軸方向施加正弦振動(dòng)信號(hào)，則輸出信號(hào)也為正弦信號(hào)，改變振動(dòng)臺(tái)的頻率，得到多組試驗(yàn)曲線，當(dāng)兩個(gè)曲線的相差為90°時(shí)，振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)頻率即為加速度計(jì)的固有頻率。實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，加速度計(jì)的輸出端接上解調(diào)電路，使交流輸出信號(hào)變成直流信號(hào)，當(dāng)振動(dòng)臺(tái)以某一頻率和加速度往復(fù)振動(dòng)時(shí)，加速度計(jì)受到交變輸入加速度作用產(chǎn)生與振動(dòng)臺(tái)同頻率的交流輸出信號(hào)，該信號(hào)輸入到示波器。正弦振動(dòng)測(cè)試儀監(jiān)測(cè)振動(dòng)臺(tái)的機(jī)械振動(dòng)后轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)也輸入到示波器。加速度計(jì)與設(shè)備的連接示意如圖3。

2009年3月對(duì)2只加速度計(jì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，獲得11組動(dòng)態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。取其中一次試驗(yàn)舉例說(shuō)明，例如對(duì)2#加速度計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)，輸入30 Hz的正弦振動(dòng)信號(hào)，幅值為1g，周期為1/30=33.33ms。記錄波形如圖4所示，分別為振動(dòng)臺(tái)輸入振動(dòng)信號(hào)和加速度計(jì)輸出信號(hào)。對(duì)示波器讀取的Excel數(shù)據(jù)進(jìn)行整理記錄于表2中。

表1 階躍響應(yīng)輸出曲線的參數(shù)

圖3 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)示意圖

由表2可知，振動(dòng)頻率為30Hz時(shí)相差大于90°，通過(guò)改變振動(dòng)頻率使相差盡量接近于90°，最后確定振動(dòng)頻率約為20 Hz，低于要求值。通過(guò)與顧客及有關(guān)單位分析及試驗(yàn)，認(rèn)為測(cè)試結(jié)果不僅與振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)頻率有關(guān)，而且與振動(dòng)加速度值有關(guān)，當(dāng)振動(dòng)加速度合適時(shí)，加速度計(jì)的階躍響應(yīng)信號(hào)不至于接近飽和或太弱，最后確定振動(dòng)加速度為0.5g時(shí)最合理。2010年1月又對(duì)2只加速度計(jì)進(jìn)行了試驗(yàn)，振動(dòng)加速度為0.5g，對(duì)其中1只加速度計(jì)的原始數(shù)據(jù)按上述方法進(jìn)行處理后，可求出各頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相差，具體見(jiàn)表3。

表3中的結(jié)果是振動(dòng)波形上升時(shí)對(duì)應(yīng)的2個(gè)相鄰過(guò)零點(diǎn)的時(shí)刻的相差，波形下降時(shí)的相差未計(jì)算，波形下降時(shí)的相差要大于上升時(shí)的相差，且誤差較大，我們認(rèn)為應(yīng)以波形上升過(guò)程計(jì)算相差要合理，原因是波形下降過(guò)程中，加速度計(jì)的浮子組件原來(lái)受到的加速度從最大變成0，信號(hào)器的輸出也是從最大變成0，而在此過(guò)程中，振動(dòng)臺(tái)同時(shí)施加反方向的加速度，使總的輸出迭加，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)不是比例關(guān)系。

圖4 2#加速度計(jì)在振動(dòng)臺(tái)頻率為30Hz時(shí)的波形

從表3可以看出，該型加速度計(jì)的固有頻率在30Hz～34Hz之間，約為31Hz，與理論計(jì)算值和階躍法試驗(yàn)結(jié)果很接近。阻尼比是輸出信號(hào)解調(diào)后的直流有效值與解調(diào)前的交流有效值的比值，為0.646。該型加速度計(jì)已交付156只，隨系統(tǒng)進(jìn)行了地面仿真試驗(yàn)、湖試、海試等試驗(yàn)，未出現(xiàn)動(dòng)態(tài)特性方面的問(wèn)題，這充分說(shuō)明了設(shè)計(jì)參數(shù)合理，試驗(yàn)方法可行。

表2 輸出波形信號(hào)為0時(shí)的時(shí)刻值（選取2個(gè)周期）

表3 不同振動(dòng)頻率下的相差

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)開(kāi)環(huán)加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行試驗(yàn)和驗(yàn)證，證明參照GJB 669–1989對(duì)加速度計(jì)采取撥浮子組件模擬階躍響應(yīng)試驗(yàn)的方法是可行的，且對(duì)半成品進(jìn)行試驗(yàn)和對(duì)最終成品進(jìn)行試驗(yàn)基本一致。采用這種試驗(yàn)方法，可以不需要在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行多頻率點(diǎn)振動(dòng)試驗(yàn)，從而節(jié)省了試驗(yàn)費(fèi)用，提高了生產(chǎn)效率。同時(shí)，也表明GJB 669–1989中階躍響應(yīng)試驗(yàn)的方法也適用于與速率陀螺儀類似的傳感器的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，可以使標(biāo)準(zhǔn)發(fā)揮更大的作用。