動(dòng)態(tài)位移測(cè)試儀動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)方法的研究

倪燈塔

(海軍駐遵義地區(qū)軍事代表室，遵義 563003)

0　引言

高精度的動(dòng)態(tài)位移測(cè)量系統(tǒng)是機(jī)械、儀表、工具、兵器、航空和宇航等產(chǎn)業(yè)獲得位置精度和動(dòng)態(tài)位移的基礎(chǔ)，也是上述產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品及技術(shù)不斷進(jìn)步的制約因素[1]。隨著航天、航空及機(jī)械工業(yè)向高速、高精度的發(fā)展，研究物體在動(dòng)載荷作用下的運(yùn)動(dòng)、變形、位移等具有越來越重要的意義[2]，而研究上述問題需要有高精度的動(dòng)態(tài)位移測(cè)量系統(tǒng)。如對(duì)飛機(jī)抗鳥撞設(shè)計(jì)中的動(dòng)態(tài)位移測(cè)試的研究變得越來越重要，全世界每年發(fā)生鳥撞事故約一萬起，因此鳥撞試驗(yàn)的研究受到全世界的普遍重視和關(guān)切[3]。國內(nèi)在對(duì)鳥撞試驗(yàn)研究過程中，研制的鳥撞測(cè)試系統(tǒng)也使用到動(dòng)態(tài)位移測(cè)試系統(tǒng)，以確定鳥撞部位結(jié)構(gòu)變形的大小。

本文介紹的高精度的動(dòng)態(tài)位移測(cè)量系統(tǒng)是利用霍爾效應(yīng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)位移測(cè)量，可以進(jìn)行大量程0～40mm測(cè)量，突破了過去一直沒有有效的方法對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)。通過對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)頻率的研究和對(duì)測(cè)試精度的校準(zhǔn)，對(duì)國內(nèi)已研制的鳥撞測(cè)試系統(tǒng)中的位移測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試精度給以定量的測(cè)定。

1　動(dòng)態(tài)位移測(cè)量現(xiàn)狀

目前動(dòng)態(tài)位移的測(cè)量方法主要有：多火花高速攝影法[4]、CCD動(dòng)態(tài)測(cè)量法[4-5]、高速攝影法、霍爾效應(yīng)法[6-7]及記時(shí)器與光學(xué)傳感器法等。多火花高速攝影法、CCD動(dòng)態(tài)測(cè)量法、高速攝影法都需要昂貴的設(shè)備，而CCD動(dòng)態(tài)測(cè)量法和高速攝影法還受到位移范圍(測(cè)量微小位移)的限制。記時(shí)器與光學(xué)傳感器法是目前最為廣泛使用的方法，位移可以通過速度曲線得到，速度的計(jì)算是記錄物體通過兩個(gè)已知距離的傳感器的時(shí)間，確定這一間距內(nèi)的平均速度。光傳感器一般有白熾光、激光和細(xì)金屬線等。在這一方法的基礎(chǔ)上，還發(fā)展了密布的磁性線圈法，當(dāng)裝有小磁塊的物體通過線圈時(shí)，由磁場(chǎng)的變化確定其時(shí)間。這些方法只能給出兩個(gè)傳感器之間的平均速度。

為了提高動(dòng)態(tài)位移的測(cè)試精度，只能提高速度的測(cè)試精度，這樣只能減少傳感器之間的間距并增加傳感器的個(gè)數(shù)[8]。國內(nèi)研制的鳥撞測(cè)試系統(tǒng)中的位移測(cè)試系統(tǒng)是利用霍爾效應(yīng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)位移測(cè)量，但是過去一直沒有有效的方法對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，所以研究動(dòng)態(tài)位移的校準(zhǔn)方法非常有意義。一般來說動(dòng)態(tài)位移校準(zhǔn)包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：一是對(duì)其響應(yīng)頻率的研究；二是對(duì)測(cè)試精度的校準(zhǔn)。

2　霍爾效應(yīng)動(dòng)態(tài)位移研究重點(diǎn)

該動(dòng)態(tài)位移測(cè)試系統(tǒng)主要包括三部分：霍爾元件(位移傳感器)，其作用是產(chǎn)生霍爾電壓；磁片，其作用就是產(chǎn)生磁場(chǎng)；動(dòng)態(tài)位移測(cè)試儀，其作用就是測(cè)量并記錄霍爾電壓以確定磁片和傳感器的間距，從而得到所要的動(dòng)態(tài)位移(見圖1)。其原理就是利用霍爾效應(yīng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)位移測(cè)量。

所謂霍爾效應(yīng)即是美國物理學(xué)家E·Hall于1879年發(fā)現(xiàn)的一種新的物理效應(yīng)：在一片金屬薄片的上下方向通有電流I，并在垂直于金屬面的方向上加一磁場(chǎng)B，就可以發(fā)現(xiàn)在金屬薄片的左右兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生電壓VH，實(shí)驗(yàn)證明只要磁場(chǎng)不是特別強(qiáng)，VH和I及B成正比，和薄片厚度d成反比。即：

VH=RH·I·B/d

(1)

式(1)中，VH為霍爾電壓；RH為霍爾系數(shù)。金屬薄片即相當(dāng)于現(xiàn)在的霍爾元件(多由半導(dǎo)體制成)，當(dāng)霍爾元件選定后，RH/d即為其靈敏系數(shù)。

由霍爾效應(yīng)可知，當(dāng)激勵(lì)電流恒定時(shí)，霍爾電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，若磁感應(yīng)強(qiáng)度是位置的函數(shù)，則霍爾電壓的大小就可以用來反映霍爾元件的位置。隨著霍爾元件位置的變化，其輸出電壓與之成良好線性變化。從原理上分析，磁場(chǎng)梯度越大，霍爾輸出對(duì)位移變化的靈敏度越高，磁場(chǎng)梯度越均勻，霍爾輸出對(duì)位移的線性度就越好[9]。國內(nèi)研制的動(dòng)態(tài)位移測(cè)試系統(tǒng)則是霍爾元件(位移傳感器)固定，由一永磁磁片產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁片運(yùn)動(dòng)時(shí)將會(huì)引起霍爾元件附近的磁場(chǎng)變化，其位置可由霍爾電壓反映出來，試驗(yàn)過程中確定磁片的位置曲線就可以得到所要的動(dòng)態(tài)位移。

本文在將以下幾個(gè)方面對(duì)霍爾效應(yīng)動(dòng)態(tài)位移測(cè)試儀進(jìn)行評(píng)價(jià)：

1)頻響問題

頻率響應(yīng)是指功率放大器的輸出增益隨輸入信號(hào)頻率的變化而提升或衰減和相位滯后隨輸入信號(hào)頻率而變化的現(xiàn)象。它反映了放大電路對(duì)于不同頻率的信號(hào)的適應(yīng)能力。如果放大電路對(duì)不同頻率信號(hào)的幅值放大不同，就會(huì)引起幅度失真；如果放大電路對(duì)不同頻率信號(hào)產(chǎn)生的相移不同就會(huì)引起相位失真。幅度失真和相位失真總稱為頻率失真。

由于激光位移計(jì)(響應(yīng)頻率1MHz)沒有放大電路，幾乎沒有頻率失真和非線性失真，因此可選用不同的磁片速度來檢驗(yàn)霍爾效應(yīng)動(dòng)態(tài)位移測(cè)試儀的頻率響應(yīng)。

2)霍爾效應(yīng)動(dòng)態(tài)位移測(cè)試儀精度確定

通過對(duì)霍爾效應(yīng)動(dòng)態(tài)位移測(cè)試儀與激光位移計(jì)所測(cè)位移的比較，確定霍爾效應(yīng)動(dòng)態(tài)位移測(cè)試儀的精度。

3)磁元件與探頭距離的優(yōu)化

通過試驗(yàn)，確定合適的距離，使霍爾效應(yīng)動(dòng)態(tài)位移測(cè)試儀的頻響、線性度達(dá)到最佳。

3　動(dòng)態(tài)位移測(cè)試儀校準(zhǔn)試驗(yàn)

動(dòng)態(tài)位移測(cè)試儀校準(zhǔn)方法如圖1所示，其原理是：空氣炮發(fā)射主動(dòng)彈，撞擊初始處于靜止?fàn)顟B(tài)的被動(dòng)彈，貼于被動(dòng)彈上的磁片將和被動(dòng)彈一起獲得一定的速度朝傳感器方向運(yùn)動(dòng)，傳感器的輸出經(jīng)動(dòng)態(tài)位移測(cè)試儀和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄，為了保護(hù)霍爾效應(yīng)動(dòng)態(tài)位移測(cè)試儀的傳感器，在傳感器前面加裝了一塊厚度為6mm的鋁板(通過用磁片靜態(tài)標(biāo)定霍爾效應(yīng)動(dòng)態(tài)位移測(cè)試儀，證實(shí)加裝鋁板后不會(huì)影響磁場(chǎng)，即霍爾電壓不會(huì)由于加裝鋁板而改變)。激光位移計(jì)可以測(cè)得磁片位移d標(biāo)與時(shí)間t的關(guān)系：

d標(biāo)=f(t)

1.氣炮炮管;2.墊圈;3.防護(hù)鋁板;4.霍爾效應(yīng)位移傳感器;5.激光位移計(jì);6.磁片;7.橡膠墊;8.被動(dòng)彈;9.阻擋器;10.主動(dòng)彈

通過對(duì)霍爾效應(yīng)動(dòng)態(tài)位移測(cè)試儀的靜態(tài)標(biāo)定，可以得到磁片與傳感器的間距輸出電壓的關(guān)系：

l靜標(biāo)=S(V)

(3)

當(dāng)磁片和被動(dòng)彈一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過動(dòng)態(tài)位移測(cè)試儀將會(huì)得到輸出電壓-時(shí)間關(guān)系：

V=g(t)

(4)

通過式(3)、(4)，可以導(dǎo)出動(dòng)態(tài)位移測(cè)試儀所測(cè)的位移-時(shí)間關(guān)系：

d霍爾=S(V0)-S(g(t))

(5)

式中，V0為動(dòng)態(tài)位移測(cè)試儀的初始輸出電壓。

對(duì)于頻響問題的評(píng)價(jià)時(shí)采取不同的磁片速度進(jìn)行多次試驗(yàn)，比較霍爾效應(yīng)動(dòng)態(tài)位移測(cè)試儀所測(cè)位移-時(shí)間曲線和激光位移計(jì)所測(cè)位移-時(shí)間曲線，看霍爾效應(yīng)動(dòng)態(tài)位移測(cè)試儀所測(cè)位移是否存在頻率失真。

對(duì)于霍爾效應(yīng)動(dòng)態(tài)位移測(cè)試儀的精度確定，由于激光位移計(jì)和霍爾效應(yīng)動(dòng)態(tài)位移測(cè)試儀都是測(cè)量磁片的位移，比較不同速度和不同磁片與傳感器初始間距情況下的d標(biāo)和d霍爾就可以對(duì)霍爾效應(yīng)動(dòng)態(tài)位移測(cè)試儀進(jìn)行標(biāo)定和校準(zhǔn)，并對(duì)其測(cè)試精度給予評(píng)價(jià)。

對(duì)于磁元件與探頭距離的優(yōu)化，由于霍校爾元件(位移傳感器)的有效測(cè)量距離為0～40mm，故在有效間距范圍內(nèi)選取30mm、35mm和40mm多次試驗(yàn)，以確定合適的距離，使霍爾效應(yīng)位移傳感器的頻響、測(cè)試精度及線性度達(dá)到最佳。

4　試驗(yàn)結(jié)果與討論

試驗(yàn)采用的速度范圍是20～91m/s，試驗(yàn)曲線如圖2和3所示，它們分別記錄了不同磁片速度和不同初始間距時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其他速度下的試驗(yàn)曲線與之類似。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理發(fā)現(xiàn)：霍爾效應(yīng)動(dòng)態(tài)位移測(cè)試儀所測(cè)的位移存在相位上的滯后，即存在相位失真，但位移變化的梯度二者基本一致。故需對(duì)霍爾效應(yīng)動(dòng)態(tài)位移測(cè)試儀所測(cè)位移進(jìn)行時(shí)間上的平移以便和激光位移計(jì)所測(cè)位移曲線進(jìn)行對(duì)比。

圖2(a)和圖3(a)中的數(shù)據(jù)分別為磁片與傳感器的初始間距為40mm和30mm，片激光寬度分別為20mm和9mm，故激光器所測(cè)最大位移為20mm和9mm。從圖2(b)及圖3(b)可以看出，激光位移計(jì)和動(dòng)態(tài)位移測(cè)試儀所得結(jié)果吻合很好。

(a)磁片速度為84.3m/s時(shí)的波形　　　　　　(b)平移0.20ms時(shí)的波形

4.1　霍爾效應(yīng)動(dòng)態(tài)位移測(cè)試儀頻響問題分析

對(duì)于頻響問題，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)(圖2，圖3等)可以看出霍爾效應(yīng)動(dòng)態(tài)位移測(cè)試儀的頻率響應(yīng)有相位失真，即和激光位移計(jì)所測(cè)位移相比存在時(shí)間上的延遲。通過試驗(yàn)得到了延遲時(shí)間和磁片速度的散布圖(如圖4所示)。從圖4可以看出延遲時(shí)間的主要集中在0.2～0.3ms之內(nèi)，無明顯的規(guī)律。

圖4　延遲時(shí)間～磁片速度散布圖

霍爾效應(yīng)動(dòng)態(tài)位移測(cè)試儀的所測(cè)位移出現(xiàn)相位上的延遲可能有兩方面的原因，其一是由于霍爾元件(傳感器)本身的原因，3503U型霍爾元件的頻響只有23kHz；其二是由于測(cè)量電路中的線性電抗元件(電阻、電容、電感等)引起的。當(dāng)霍爾元件和測(cè)量電路一起組成霍爾效應(yīng)動(dòng)態(tài)位移測(cè)試儀時(shí)，其響應(yīng)頻率肯定低于23kHz。

4.2　霍爾效應(yīng)動(dòng)態(tài)位移測(cè)試儀測(cè)試精度分析

通過對(duì)試驗(yàn)曲線進(jìn)行時(shí)間上平移消除延遲影響，表1給出了不同速度下磁片位移15mm(激光器所測(cè)位移)時(shí)，動(dòng)態(tài)位移測(cè)試儀的測(cè)量精度。從表1可以看出：隨著速度的變化試驗(yàn)誤差在5%以內(nèi)。

表1　不同速度下的動(dòng)態(tài)位移測(cè)試儀測(cè)試精度

同樣通過對(duì)試驗(yàn)曲線進(jìn)行時(shí)間上的平移，求出動(dòng)態(tài)位移測(cè)試儀的所測(cè)位移與磁片位移(激光位移計(jì)所測(cè)位移)的差值，給出動(dòng)態(tài)位移測(cè)試儀在磁片與傳感器初始間距不同時(shí)的測(cè)量精度，如表2所示。

從表2可以看出在磁片與傳感器的有效間距范圍內(nèi)，初始間距對(duì)測(cè)量的影響不大，誤差都不大于4%。

通過試驗(yàn)可以得到如圖5所示的延遲時(shí)間和磁片與傳感器初始間距之間對(duì)應(yīng)關(guān)系，從圖5可以看出延遲時(shí)間隨磁片與傳感器的初始間距的增加有上升趨勢(shì)，擬合的延遲時(shí)間t延遲和磁片與傳感器的初始間距l(xiāng)0的關(guān)系如下：

t延遲=1.2664×10-7·exp(l0/3.02512)+0.20213

(6)

表2　動(dòng)態(tài)位移測(cè)試儀在磁片與傳感器初始間距不同時(shí)的測(cè)量精度

圖5　延遲時(shí)間和磁片與傳感器初始間距之間對(duì)應(yīng)關(guān)系

結(jié)合圖5和表2可以得出：在磁片與傳感器的有效間距范圍內(nèi)，初始間距對(duì)測(cè)量的影響不大，只是在延遲時(shí)間上有一定的差別。

5　結(jié)論

綜上可以得到以下結(jié)論：

1)霍爾效應(yīng)動(dòng)態(tài)位移測(cè)試儀的頻率響應(yīng)存在相位失真，延遲時(shí)間與磁片速度無關(guān)，隨磁片與傳感器初始間距的增加有上升趨勢(shì)，延遲時(shí)間主要集中在0.2～0.3ms以內(nèi)，但磁片位移隨時(shí)間的梯度變化是一致的。

2)從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：在不同速度、不同距離(磁片與傳感器之間的距離)的條件下，霍爾效應(yīng)動(dòng)態(tài)位移測(cè)試儀的線性度在磁片與傳感器的有效間距內(nèi)較好，滿足試驗(yàn)要求。

3)霍爾效應(yīng)動(dòng)態(tài)位移測(cè)試儀精度確定，通過對(duì)霍爾效應(yīng)動(dòng)態(tài)位移測(cè)試儀與激光位移的比較，可以看出，在一定的位移范圍內(nèi)霍爾效應(yīng)動(dòng)態(tài)位移測(cè)試儀與激光位移之間的誤差在±5%以內(nèi)，滿足試驗(yàn)要求。

4)在磁片與傳感器的有效間距范圍內(nèi)，磁片與傳感器之間的初始間距對(duì)測(cè)量的影響不大，只是在延遲時(shí)間上有一定的差別，延遲時(shí)間隨磁片與傳感器的初始間距的增加而增加。

總之，基于霍爾效應(yīng)動(dòng)態(tài)位移測(cè)試系統(tǒng)，本文提出通過磁片速度來檢驗(yàn)頻率響應(yīng)，通過對(duì)霍爾效應(yīng)動(dòng)態(tài)位移測(cè)試儀與激光位移計(jì)所測(cè)位移的比較，確定霍爾效應(yīng)動(dòng)態(tài)位移測(cè)試精度，并且通過磁元件與探頭距離的優(yōu)化試驗(yàn)，確定合適的距離，使霍爾效應(yīng)動(dòng)態(tài)位移測(cè)試儀的頻響、線性度達(dá)到最佳。

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