正弦力校準(zhǔn)和計(jì)量溯源研究*

曾利民　倪守忠　蔣曉波　曹　灝

(浙江省計(jì)量科學(xué)研究院，杭州 310013)

0　引言

動(dòng)態(tài)力計(jì)量分為穩(wěn)態(tài)激振力、瞬態(tài)沖擊力和負(fù)階躍力[1-3]。負(fù)階躍力通過靜態(tài)加荷使被加載結(jié)構(gòu)產(chǎn)生初始變形，因力傳感器、卸荷部件間迅速脫離而產(chǎn)生急劇變小直降為零的荷載，其特點(diǎn)是力值靜態(tài)測(cè)量、頻率范圍寬，但負(fù)階躍力下降沿由于機(jī)架振動(dòng)而不能保持單調(diào)。沖擊力又稱瞬態(tài)脈沖力，通過重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換成落錘動(dòng)能或彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)換成質(zhì)量塊動(dòng)能，與被加載結(jié)構(gòu)碰撞所產(chǎn)生的劇烈變化荷載，其中落錘式?jīng)_擊力計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易產(chǎn)生大力值動(dòng)態(tài)力，而空氣軸承質(zhì)量塊碰撞式計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)可消除重力影響，但不易產(chǎn)生大力值動(dòng)態(tài)力。穩(wěn)態(tài)激振力又稱正弦力，計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置由激振力源、測(cè)量系統(tǒng)組成，按加速度測(cè)量系統(tǒng)分為絕對(duì)法與相對(duì)法。德國(guó)物理技術(shù)研究院(PTB)、中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所(304)都建立了正弦力計(jì)量校準(zhǔn)裝置，用于力值≤10kN、頻率范圍20～5000Hz力傳感器與測(cè)力系統(tǒng)的校準(zhǔn)[4]。

1　正弦力測(cè)量原理

圖1　正弦力測(cè)量原理

(1)

(2)

2　正弦力激光干涉法測(cè)量

PTB和304均采用激光干涉法建立的正弦力計(jì)量校準(zhǔn)裝置基于LABVIEW平臺(tái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制與信號(hào)分析，如圖2所示。力傳感器幅值靈敏度測(cè)量不確定度評(píng)估參考頻率點(diǎn)(80Hz或160Hz)Urel=1.0%，其它頻率點(diǎn)Urel=2.0%。

圖2　正弦力激光干涉(絕對(duì))法校準(zhǔn)裝置示意圖

首先用激光干涉儀測(cè)量質(zhì)量塊頂面加速度，然后根據(jù)質(zhì)量塊加速度分布計(jì)算正弦力[4-5]。其特點(diǎn)：1)加速度測(cè)量采用最佳測(cè)量不確定度參考頻率點(diǎn)±0.05%，其它頻率點(diǎn)±0.1 %的氦氖激光器光源外差式激光干涉儀，其測(cè)量頭安裝在二維位置控制平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)加速度的掃描測(cè)量。外差式激光干涉儀由Bragg盒提供頻移輸出原始干涉信號(hào)(Uref)，并經(jīng)光電混頻控制器同步形成質(zhì)量塊振動(dòng)電信號(hào)(Um)，再對(duì)高速數(shù)據(jù)采集得到的Um和Uref這兩個(gè)信號(hào)系列進(jìn)行幅值、相位處理實(shí)現(xiàn)加速度測(cè)量。2)采用定位準(zhǔn)確度優(yōu)于2μm的計(jì)算機(jī)二維控制裝置控制平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，對(duì)質(zhì)量塊上表面加速度分布進(jìn)行測(cè)量，如PTB在質(zhì)量塊頂面中心及徑向1/2半徑的圓周處測(cè)量加速度控制振動(dòng)臺(tái)，并用其加速度平均值計(jì)算正弦力的幅頻特性和相頻特性[1-3]。3)動(dòng)態(tài)力傳感器、數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)控制各模塊在正弦力校準(zhǔn)中同步工作，激光干涉儀、力傳感器并行采集的電信號(hào)經(jīng)放大后輸出至振動(dòng)信號(hào)控制器DAC，再通過功率放大器驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)。

3　正弦力加速度計(jì)法測(cè)量

加速度計(jì)法正弦力測(cè)量比激光干涉法正弦力測(cè)量成本低得多，加速度計(jì)法正弦力計(jì)量校準(zhǔn)裝置也按式(1)計(jì)算正弦力，通過掃頻測(cè)量力傳感器動(dòng)態(tài)特性，在一定頻率范圍內(nèi)改變信號(hào)源頻率可得到不同校準(zhǔn)頻率點(diǎn)力傳感器的幅值靈敏度，如圖3所示。力源由機(jī)座、導(dǎo)向桿、振動(dòng)臺(tái)、質(zhì)量塊及其小阻尼導(dǎo)向器和提升裝置組成，額定激振力60kN；質(zhì)量塊為圓柱體，表面拋光，上下平行。測(cè)量系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)：A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換16位，采樣頻率優(yōu)于192kHz，幅誤差優(yōu)于±0.1%，頻率準(zhǔn)確度優(yōu)于±0.001%，加速度計(jì)量程±100g，安裝頻率高于20kHz，幅值非線性度優(yōu)于±1%，并要求激勵(lì)電源輸出電壓穩(wěn)定，4小時(shí)內(nèi)不超過被校系統(tǒng)相應(yīng)準(zhǔn)確度指標(biāo)的四分之一。

設(shè)計(jì)時(shí)不僅考慮振動(dòng)臺(tái)激振力、質(zhì)量塊、機(jī)架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)等因素影響，也考慮振動(dòng)臺(tái)、力傳感器、質(zhì)量塊和加速度計(jì)間的連接影響。質(zhì)量塊選用1，2，3，5，8，12，20，40，70，120kg，正弦力測(cè)量范圍0.5～40kN，其大小通過質(zhì)量塊更換與加速度調(diào)整實(shí)現(xiàn)，頻率范圍20～2000Hz，測(cè)量不確定度參考頻率點(diǎn)(80Hz或160Hz)Urel=1.5%，其它頻率點(diǎn)Urel=2.5%。其特點(diǎn)：1)電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)、機(jī)架支承在不同基礎(chǔ)上，在低頻端由于振動(dòng)臺(tái)橫向振動(dòng)可能加劇對(duì)質(zhì)量塊導(dǎo)向器、導(dǎo)向桿產(chǎn)生影響，造成加速度響應(yīng)中含有較多的橫向運(yùn)動(dòng)成分而出現(xiàn)測(cè)量誤差，因而對(duì)振動(dòng)運(yùn)動(dòng)整體(含質(zhì)量塊)、機(jī)架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)共振頻率進(jìn)行計(jì)算，并采用小阻尼導(dǎo)向技術(shù)進(jìn)行預(yù)防；在高頻端由于各安裝部件間的耦合關(guān)系在削弱，各部件(質(zhì)量塊、力傳感器)振動(dòng)加速度不再相等，因而力傳感器、質(zhì)量塊間連接要有一定剛性。2)數(shù)據(jù)采集分析子系統(tǒng)連續(xù)采樣，各通道并行同步采樣，能計(jì)算正弦力頻率、幅值、相位及振動(dòng)功率譜密度、橫向振動(dòng)比、不均勻度、失真度和頻率響應(yīng)譜等。3)振動(dòng)臺(tái)采用空氣彈簧載荷支撐及較高抗偏載力矩的搖臂懸掛系統(tǒng)與滾輪導(dǎo)向；采用高效、低噪聲的風(fēng)機(jī)冷卻，并內(nèi)置隔振裝置確保臺(tái)體持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，保證振動(dòng)加速度波形穩(wěn)定性好(<1%)，失真小(參考頻率點(diǎn)<5%，其它頻率點(diǎn)<10%)，橫向運(yùn)動(dòng)小(參考頻率點(diǎn)<5%，其它頻率點(diǎn)<10%)。

圖3　加速度計(jì)(相對(duì))法正弦力校準(zhǔn)裝置示意圖

總之，被校力傳感器安裝在振動(dòng)臺(tái)體上，負(fù)載質(zhì)量塊再連接在力傳感器上，力傳感器本身質(zhì)量在運(yùn)動(dòng)中對(duì)其敏感元件的作用通過力傳感器等效質(zhì)量反映。當(dāng)質(zhì)量塊較小(1，2，3，5，8，12kg)時(shí)，不設(shè)質(zhì)量塊導(dǎo)向措施，在其頂面中心與徑向半徑3/4處共安裝5只加速度計(jì)進(jìn)行加速度測(cè)量，并用其平均值表征負(fù)載質(zhì)量塊的加速度；當(dāng)質(zhì)量塊較大(20，40，70，120kg)時(shí)，質(zhì)量塊設(shè)空氣軸承導(dǎo)向措施，在其頂面中心與半徑2/3處共安裝5只加速度計(jì)進(jìn)行加速度測(cè)量，并用其平均值代表負(fù)載質(zhì)量塊的加速度。其特點(diǎn)：1)力源采用電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出推力大，頻率范圍寬、激勵(lì)信號(hào)振幅與頻率穩(wěn)定，操作方便、易于自動(dòng)控制，但當(dāng)激勵(lì)信號(hào)頻率增高時(shí)，振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈繞線會(huì)因阻抗增加、電流下降而導(dǎo)致激振力變小。2)數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單，通過掃頻可得到動(dòng)態(tài)力傳感器的動(dòng)態(tài)特性，在一定頻率范圍內(nèi)改變信號(hào)源頻率可獲得不同頻率定點(diǎn)動(dòng)態(tài)力傳感器的幅值靈敏度。3)力傳感器安裝方便，能保證有一定預(yù)緊力且受力均勻，激振力作用穩(wěn)定、可靠。

4　正弦力量值溯源

根據(jù)正弦力定義、測(cè)量方法研究制定的量值溯源，如圖4所示，圖中Ur為動(dòng)態(tài)力擴(kuò)展測(cè)量不確定度。正弦力計(jì)量校準(zhǔn)等級(jí)序列明確了正弦力標(biāo)準(zhǔn)向工作計(jì)量器具量值傳遞的程序、測(cè)量不確定度及校準(zhǔn)方法，并要求正弦力標(biāo)準(zhǔn)裝置之間應(yīng)進(jìn)行比對(duì)。

原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)用激光干涉法測(cè)量加速度，正弦力溯源到長(zhǎng)度、時(shí)間、質(zhì)量與電量；次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)用加速度計(jì)法測(cè)量加速度，正弦力溯源至質(zhì)量、加速度與電量，其加速度測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)采用激光干涉(絕對(duì))法檢定校準(zhǔn)。次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)法正弦力標(biāo)準(zhǔn)裝置只能向工作用力傳感器和測(cè)力系統(tǒng)進(jìn)行量值傳遞；而原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)激光干涉法正弦力標(biāo)準(zhǔn)裝置既可向動(dòng)態(tài)力標(biāo)準(zhǔn)傳感器或測(cè)力系統(tǒng)進(jìn)行量值傳遞，也可向動(dòng)態(tài)力工作傳感器和測(cè)力系統(tǒng)進(jìn)行量值傳遞。

圖4　正弦力計(jì)量校準(zhǔn)等級(jí)序列(量值溯源圖)

5　結(jié)束語(yǔ)

正弦力以質(zhì)量為中間量，用激光干涉法測(cè)量加速度是提高其測(cè)量準(zhǔn)確度的重要手段。在質(zhì)量塊上特征點(diǎn)位置安裝加速度計(jì)測(cè)量加速度并控制振動(dòng)臺(tái)，進(jìn)而對(duì)力傳感器幅頻特性、相頻特性進(jìn)行正弦力計(jì)量校準(zhǔn)，易于推廣。由于質(zhì)量塊彈性模量及各安裝部件間連接剛度有限，因而正弦力測(cè)量應(yīng)考慮加速度分布；由于振動(dòng)對(duì)機(jī)架影響，在計(jì)算不同周期正弦力峰值時(shí)會(huì)因連接件底面軸向力計(jì)算周期數(shù)不足而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不穩(wěn)定，因而振動(dòng)要達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)才可進(jìn)行正弦力測(cè)量。另外，正弦力量值溯源圖有待進(jìn)一步完善，并建議某一頻率校準(zhǔn)時(shí)，若力傳感器或測(cè)力系統(tǒng)在其測(cè)量范圍內(nèi)(如20%，40%，60%，80%，100%量程)靈敏度系數(shù)變化較大、超出線性要求，則判該力傳感器或測(cè)力系統(tǒng)在相應(yīng)頻率不適合動(dòng)態(tài)使用；或者某一正弦力值校準(zhǔn)時(shí)，若力傳感器或測(cè)力系統(tǒng)靈敏度系數(shù)在某頻率點(diǎn)顯著變化，則判該力傳感器或測(cè)力系統(tǒng)在相應(yīng)頻率及以上頻率范圍不適合動(dòng)態(tài)使用。

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