負(fù)階躍力計(jì)量校準(zhǔn)和溯源研究

曾利民　倪守忠

(浙江省計(jì)量科學(xué)研究院，杭州 310013)

0　引言

力傳感器動(dòng)態(tài)特性測(cè)試很重要，建立動(dòng)態(tài)力計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)具有廣泛而深遠(yuǎn)的意義。動(dòng)態(tài)力分為穩(wěn)態(tài)激振力、瞬態(tài)負(fù)階躍力和脈沖(沖擊)力[1-4]，其中負(fù)階躍力是通過(guò)靜態(tài)加力使被加載結(jié)構(gòu)產(chǎn)生初始變形突然卸荷而產(chǎn)生，其特點(diǎn)：一方面負(fù)階躍力靜態(tài)測(cè)量與加載控制方便，測(cè)量精度高，易于實(shí)現(xiàn)；另一方面被加載結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)，頻率范圍寬。根據(jù)卸荷方式負(fù)階躍力計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)分為：切斷(熔斷)式負(fù)階躍力校準(zhǔn)裝置、氣(液)動(dòng)助推負(fù)階躍力校準(zhǔn)裝置與沖擊(落錘)式負(fù)階躍力校準(zhǔn)裝置。本文對(duì)這三種裝置的基本結(jié)構(gòu)、原理和適用范圍等進(jìn)行分析，提出了負(fù)階躍力量值溯源的思路。

1　負(fù)階躍力計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置

國(guó)外英國(guó)物理研究所(NPL)、國(guó)內(nèi)中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所(304所)和浙江大學(xué)等率先研制了負(fù)階躍力計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置。首先施力部件給力傳感器預(yù)加力，再通過(guò)卸荷部件實(shí)現(xiàn)力傳感器、卸荷部件間迅速脫離，從而力傳感器受力急劇變小直至為零。負(fù)階躍力校準(zhǔn)裝置主要技術(shù)參數(shù)為激勵(lì)幅值和下降時(shí)間，前者決定校準(zhǔn)多大量程的力傳感器，后者決定校準(zhǔn)多寬頻帶的力傳感器[1,5]。

1.1　切斷(金屬熔斷)式負(fù)階躍力校準(zhǔn)

負(fù)階躍力計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置早期采用電或機(jī)械方法在極短時(shí)間內(nèi)突然切斷掛著砝碼的金屬絲，力傳感器突然卸載至零而受到負(fù)階躍力[1]。卸載力Funload、預(yù)加力Fload均為所掛砝碼重量；下降時(shí)間Δt通過(guò)階躍響應(yīng)方法求得，具體從已測(cè)得的負(fù)階躍響應(yīng)出發(fā)，假設(shè)為二階欠阻尼傳感器系統(tǒng)，通過(guò)微分付氏變換或差分最小二乘法求得力傳感器的傳遞函數(shù)，進(jìn)而計(jì)算頻率響應(yīng)，但由于力傳感器受力時(shí)有附加質(zhì)量影響，從而增加了力傳感器動(dòng)態(tài)特性測(cè)量難度。

1.2　氣(液)動(dòng)助推負(fù)階躍力校準(zhǔn)

氣(液)動(dòng)助推負(fù)階躍力校準(zhǔn)裝置由負(fù)階躍力源、動(dòng)態(tài)力測(cè)量系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理與波形記錄系統(tǒng)三部分組成，負(fù)階躍力源如圖1所示。

1.活塞缸體及支座 ；2.主推氣(液)接口；3.主推活塞；4.卸荷部件； 5.壓頭；6.助推活塞；7.支承塊；8.助推氣(液)接口；9.力傳感器；10.助推氣(液)室；11.主推氣(液)室

首先，通過(guò)主推氣(液)接口向主推氣(液)室加壓，推動(dòng)基座、力傳感器、壓頭和助推系統(tǒng)加速運(yùn)動(dòng)，其作用力F1=P1S1，式中：F1為主推活塞推力；P1為加載氣壓；S1為主推活塞面積。作用力通過(guò)卸荷部件、壓頭傳遞到力傳感器，此時(shí)力傳感器的預(yù)加力按Fload=P1S1+G計(jì)算，式中：G為整個(gè)活塞、壓頭的重力。然后通過(guò)助推氣(液)接口向助推氣(液)室內(nèi)供加壓，助推活塞產(chǎn)生的推力按F2=P2S2計(jì)算，式中：P2為助推氣壓；S2為助推活塞面積。由于通過(guò)助推活塞、卸荷部件反方向施加在壓頭上，可保證在卸荷部件斷裂過(guò)程中力傳感器的荷載力Fload保持不變。平衡后助推系統(tǒng)迅速起作用，壓頭迅速脫離力傳感器受力面，并保證力傳感器在反彈過(guò)程中能夠自由振蕩，此時(shí)卸荷部件的卸載力Funload=Fload+F2。當(dāng)助推力施加到一定量值后卸荷部件斷裂激勵(lì)出力傳感器動(dòng)態(tài)特性，力傳感器產(chǎn)生從預(yù)加力Fload到穩(wěn)定值的負(fù)階躍力激勵(lì)。通過(guò)數(shù)據(jù)采集、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模式識(shí)別可以獲得力傳感器傳遞函數(shù)，進(jìn)而評(píng)價(jià)力傳感器動(dòng)態(tài)特性，工作原理如圖2所示[5-6]。

圖2　負(fù)階躍力計(jì)量校準(zhǔn)工作原理圖

負(fù)階躍力幅值、下降時(shí)間可用不同材質(zhì)和規(guī)格的卸荷部件實(shí)現(xiàn)，通常鋼質(zhì)卸荷部件斷裂時(shí)間小于30μs，可保證對(duì)自振頻率30kHz以下力傳感器動(dòng)態(tài)性能評(píng)價(jià)；而陶瓷卸荷部件斷裂時(shí)間小于10μs，能保證對(duì)自振頻率100kHz以下力傳感器動(dòng)態(tài)性能評(píng)價(jià)。

下降時(shí)間測(cè)量子系統(tǒng)是負(fù)階躍力計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的重要組成部分，當(dāng)卸荷部件未出現(xiàn)斷裂時(shí)波形記錄系統(tǒng)U1(粘貼于卸荷部件頂面細(xì)導(dǎo)線的電壓值)、U2(粘貼于卸荷部件底面細(xì)導(dǎo)線的電壓值)均為恒定值。隨著助推力增大，卸荷部件頂面細(xì)導(dǎo)線首先斷裂，波形記錄系統(tǒng)顯示從某個(gè)恒定值U1跳變到零；然后粘貼于卸荷部件底面細(xì)導(dǎo)線斷裂，波形顯示由另一恒定值U2跳變到零，如圖3所示[6]，從而可將頂面導(dǎo)線斷路至底面導(dǎo)線斷路的時(shí)間差當(dāng)作卸荷部件實(shí)際斷裂時(shí)間，并認(rèn)為是負(fù)階躍力下降時(shí)間Δt。通過(guò)一組相同規(guī)格陶瓷或鋼質(zhì)卸荷部件的加荷斷裂時(shí)間測(cè)試，可以考查卸荷部件加荷斷裂時(shí)間情況，估計(jì)負(fù)階躍力下降時(shí)間。理論上斷裂時(shí)間為兩個(gè)跳變階躍下降起始點(diǎn)之間的時(shí)間差，它應(yīng)該是修正了通道間延遲時(shí)間差后的測(cè)量結(jié)果，但在實(shí)際測(cè)量中兩個(gè)跳變階躍下降沿都有斜度，建議用卸荷部件50%恒定值U1、50%恒定值U2對(duì)應(yīng)的實(shí)際斷裂時(shí)間差Δt表示。

圖3　卸荷部件斷裂時(shí)間差示意圖

1.3　沖擊(落錘)式負(fù)階躍力校準(zhǔn)

基于落錘沖擊卸荷原理的負(fù)階躍力校準(zhǔn)裝置工作原理如圖4所示，能產(chǎn)生下降時(shí)間短、幅值大的負(fù)階躍力。首先，由施力部件給力傳感器施加預(yù)加力，脆性材料制成的卸荷部件因受到支承塊作用而承受靜荷載；然后，落錘下落撞擊沖桿與支承塊對(duì)卸荷部件作用，當(dāng)卸荷部件脆性破壞時(shí)沖桿與支承塊迅速向下運(yùn)動(dòng)，力傳感器受力迅速?gòu)念A(yù)加力Fload卸荷至零[7]。

圖4　落錘沖擊卸荷原理的負(fù)階躍力發(fā)生裝置

為了使力傳感器受力很快變小直至為零，減小負(fù)階躍力下降時(shí)間，一要盡可能地增大落錘沖擊力，二要盡可能快地縮短卸荷時(shí)間。對(duì)于前者根據(jù)彈性碰撞理論，一是提高落錘與沖桿的撞擊速度，二是在應(yīng)力允許的情況下優(yōu)先選擇高聲阻抗材料(如淬火彈簧鋼、模具鋼等)制作落錘和沖桿；對(duì)于后者可采用卸荷部件使支承塊所受向下的作用力迅速減小直至為零。一方面可用激光干涉法或加速度計(jì)法測(cè)量落錘質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，進(jìn)而對(duì)落錘質(zhì)點(diǎn)加速度曲線進(jìn)行躍變點(diǎn)分析可計(jì)算負(fù)階躍力下降時(shí)間；另一方面在卸荷部件頂、底面粘貼細(xì)導(dǎo)線測(cè)得卸荷部件斷裂時(shí)間差來(lái)分析負(fù)階躍力下降時(shí)間。

2　負(fù)階躍力計(jì)量溯源

負(fù)階躍力包含預(yù)加力、躍變過(guò)程。當(dāng)下降時(shí)間Δt與自振頻率f滿足Δt<1/f時(shí)，便可認(rèn)為力傳感器的階躍響應(yīng)被激勵(lì)出來(lái)。在阻尼一定時(shí)振蕩頻率越高，下降時(shí)間、峰值時(shí)間越短，響應(yīng)速度越快[6]。壓電式力傳感器響應(yīng)局部受限振蕩，非受迫運(yùn)動(dòng)典型曲線如圖5所示，其特征：

1)在零時(shí)刻以恒力作用在力傳感器上，預(yù)加力Fload用靜態(tài)測(cè)量，易于實(shí)現(xiàn)；

2)信號(hào)歸零，下降時(shí)間(即力傳感器輸出的阻尼衰減振蕩過(guò)程中受力從預(yù)加力Fload第一次至穩(wěn)態(tài)值間差值的90%到其差值的10%所需時(shí)間)可通過(guò)卸荷部件斷裂時(shí)間差或落錘沖擊運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行估計(jì)；

3)超調(diào)量明顯，第1波谷的谷值與穩(wěn)定值間有差異。

圖5　負(fù)階躍力時(shí)域曲線

國(guó)內(nèi)外動(dòng)態(tài)力計(jì)量溯源研究不多，我們結(jié)合力值計(jì)量器具檢定系統(tǒng)，根據(jù)負(fù)階躍力定義、測(cè)量方法及其應(yīng)用提出了負(fù)階躍力計(jì)量校準(zhǔn)等級(jí)序列[7]，Urel為負(fù)階躍力擴(kuò)展測(cè)量不確定度，如圖6所示。負(fù)階躍力計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置可對(duì)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力系統(tǒng)進(jìn)行量值傳遞，也可進(jìn)行力傳感器和力測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能校準(zhǔn)；標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力系統(tǒng)可對(duì)動(dòng)態(tài)力設(shè)備或動(dòng)態(tài)力試驗(yàn)裝置進(jìn)行校準(zhǔn)，因而明確了負(fù)階躍力計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置向動(dòng)態(tài)力工作計(jì)量器具進(jìn)行量值傳遞的程序、測(cè)量不確定度及基本方法。

圖6　負(fù)階躍力計(jì)量校準(zhǔn)等級(jí)序列(溯源圖)

負(fù)階躍力計(jì)量校準(zhǔn)有其優(yōu)勢(shì)，可選取不同材質(zhì)、規(guī)格的卸荷部件獲得不同幅值、下降時(shí)間(自振頻率)。負(fù)階躍力影響環(huán)節(jié)、影響因素少，其幅值無(wú)淪是切斷(熔斷)式、氣(液)動(dòng)助推式還是沖擊(落錘)式負(fù)階躍力校準(zhǔn)裝置都可按力值計(jì)量器具檢定系統(tǒng)表進(jìn)行溯源；下降時(shí)間除采用階躍響應(yīng)方法求得外，可測(cè)量落錘運(yùn)動(dòng)過(guò)程或卸荷部件斷裂過(guò)程進(jìn)行估計(jì)。根據(jù)力傳感器階躍響應(yīng)曲線可求出力傳感器的幅頻特性、相頻特性與自振頻率[7]，若力傳感器在不同幅值(如20%、50%、80%量程)階躍輸入信號(hào)激勵(lì)下自振頻率變化超過(guò)規(guī)定值，則可參照國(guó)家計(jì)量技術(shù)規(guī)范JJF 1053《負(fù)荷傳感器動(dòng)態(tài)性能校準(zhǔn)規(guī)范》判該力傳感器不適合動(dòng)態(tài)使用。由于力傳感器負(fù)階躍響應(yīng)給出的動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)會(huì)因階躍響應(yīng)引入附加噪聲，因而建議假設(shè)力傳感器為二階欠阻尼系統(tǒng)，通過(guò)微分付氏變換或差分最小二乘法擬合先求得力傳感器的傳遞函數(shù)，再計(jì)算力傳感器頻率響應(yīng)。

3　結(jié)束語(yǔ)

幅值、下降時(shí)間(自振頻率)是負(fù)階躍力測(cè)量重要技術(shù)參數(shù)，一方面由于負(fù)階躍力激勵(lì)幅值采用靜態(tài)測(cè)量，卸荷部件承載力離散性大且不可控，激勵(lì)過(guò)程不能直接指示，另一方面由于安裝機(jī)架的劇烈振動(dòng)會(huì)使負(fù)階躍力不能保持單調(diào)下降，并受附加質(zhì)量影響在力傳感器上作用的下降時(shí)間要大于卸荷部件的斷裂時(shí)間，因而負(fù)階躍力計(jì)量校準(zhǔn)方法有待進(jìn)一步完善。另外，由于負(fù)階躍力幅值、下降時(shí)間之間相互矛盾，因而如何設(shè)計(jì)較為理想的卸荷部件是復(fù)現(xiàn)大力值寬頻帶負(fù)階躍力的關(guān)鍵，安裝條件、狀態(tài)也是影響校準(zhǔn)結(jié)果的重要因素。為提高負(fù)階躍力測(cè)量準(zhǔn)確度，可進(jìn)一步研究如何建立振動(dòng)模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)分析。

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