動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)中需要規(guī)范的若干問(wèn)題

商佳尚，王宇

(中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095)

0 引言

動(dòng)態(tài)環(huán)境 (如振動(dòng)、沖擊等)對(duì)力學(xué)量的測(cè)量與校準(zhǔn)都有較大的影響。首先，振動(dòng)噪聲會(huì)對(duì)測(cè)量與校準(zhǔn)造成干擾;另外在振動(dòng)、沖擊等動(dòng)態(tài)環(huán)境中，測(cè)量設(shè)備本身的特性也會(huì)在不同時(shí)頻范圍有不同的表現(xiàn)，從而影響測(cè)量與校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性。對(duì)于噪聲干擾，需要對(duì)力學(xué)量的測(cè)量設(shè)備或校準(zhǔn)裝置，提出相關(guān)的隔振要求及操作規(guī)范;對(duì)于測(cè)量設(shè)備自身特性隨著振動(dòng)、沖擊環(huán)境的改變，更需要對(duì)測(cè)量設(shè)備的校準(zhǔn)環(huán)境 (或測(cè)量環(huán)境)進(jìn)行系統(tǒng)的、科學(xué)的規(guī)范，其中的影響因素包括振動(dòng)頻率、脈寬以及影響整體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的剛度、阻尼與質(zhì)量等。

在力傳感器的檢定與校準(zhǔn)方面，力傳感器的靜態(tài)校準(zhǔn)技術(shù)與方法己日趨完善，校準(zhǔn)精度也已經(jīng)非常高，而對(duì)于測(cè)力設(shè)備的動(dòng)態(tài)使用一般則以“靜標(biāo)動(dòng)用”的方式進(jìn)行，即以測(cè)力設(shè)備靜態(tài)校準(zhǔn)時(shí)的數(shù)據(jù)結(jié)果作為動(dòng)態(tài)測(cè)試使用中的依據(jù)。因此，一個(gè)測(cè)力設(shè)備在靜態(tài)校準(zhǔn)中可以獲得很高的精度，但當(dāng)把它用在動(dòng)態(tài)測(cè)試中卻可能發(fā)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果有很大的誤差，導(dǎo)致人們對(duì)動(dòng)態(tài)力值的誤判從而嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量或生產(chǎn)安全，使一個(gè)測(cè)力設(shè)備在動(dòng)態(tài)環(huán)境使用中失去其可信性。隨著科技進(jìn)步，各專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域都對(duì)測(cè)力設(shè)備的計(jì)量與測(cè)試技術(shù)提出更高的新要求。靜態(tài)校準(zhǔn)及標(biāo)定技術(shù)不能很好地滿(mǎn)足工程應(yīng)用的需要，測(cè)力設(shè)備的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)問(wèn)題在更多的應(yīng)用領(lǐng)域引起更多人的重視。在航空、航天、船舶、汽車(chē)等工業(yè)中，特別是在關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)制造中，力值的動(dòng)態(tài)測(cè)量及校準(zhǔn)涉及面廣泛，而且在生產(chǎn)使用關(guān)鍵環(huán)節(jié)具有決定作用。例如，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、航天發(fā)動(dòng)機(jī)的地面試車(chē)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬間推力就是關(guān)鍵的測(cè)量參數(shù)之一，這種情況下測(cè)力設(shè)備的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)顯得十分重要，否則很難保證對(duì)瞬間大幅變化的動(dòng)態(tài)力值作準(zhǔn)確可靠的測(cè)量，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能判斷也易產(chǎn)生偏差。另外，在交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、建筑工程、礦山開(kāi)發(fā)及設(shè)備的環(huán)境試驗(yàn)等方面，測(cè)力設(shè)備的動(dòng)態(tài)測(cè)量與校準(zhǔn)技術(shù)也具有非常重要的意義。本文將探討對(duì)動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)有重要影響的一些因素，希望為編制相應(yīng)的校準(zhǔn)規(guī)范提供有益的參考。

1 動(dòng)態(tài)力的校準(zhǔn)方法及裝置

動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)裝置，根據(jù)動(dòng)態(tài)力信號(hào)的不同，基本可分為階躍力校準(zhǔn)裝置 (正階躍和負(fù)階躍)、正弦力校準(zhǔn)裝置和脈沖力校準(zhǔn)裝置。階躍力校準(zhǔn)裝置一般通過(guò)脆性梁的瞬間斷裂獲得正階躍或負(fù)階躍力，能實(shí)現(xiàn)比較大的動(dòng)態(tài)力幅值校準(zhǔn)，最高可達(dá)1 MN以上，可校準(zhǔn)頻帶寬 (高于50 kHz)，但幅值靈敏度校準(zhǔn)方法仍有需要規(guī)范之處;正弦力校準(zhǔn)裝置一般通過(guò)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)改造而來(lái)，幅頻響應(yīng)測(cè)量精度高，也接近工程實(shí)踐中常見(jiàn)的脈動(dòng)力測(cè)量，但動(dòng)態(tài)力幅值相對(duì)較小，可校準(zhǔn)頻率低 (小于3 kHz);脈沖力校準(zhǔn)裝置一般通過(guò)撞擊獲得ms級(jí)或更窄脈寬的脈沖力，同樣可實(shí)現(xiàn)比較大的動(dòng)態(tài)力幅值校準(zhǔn)，可校準(zhǔn)頻帶也比較寬，適合于校準(zhǔn)漂移的壓電式力傳感器的靈敏度，也吻合工程實(shí)際測(cè)量中的最常見(jiàn)的脈沖力。

1.1 正弦力校準(zhǔn)方法及裝置

中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所 (以下簡(jiǎn)稱(chēng)中航工業(yè)計(jì)量所)的正弦力校準(zhǔn)系統(tǒng)［1－2］如圖1，被校力傳感器安裝在電磁振動(dòng)臺(tái)上，質(zhì)量塊安裝在被校力傳感器頂端，激光干涉儀安裝在主動(dòng)隔振平臺(tái)上用于測(cè)量質(zhì)量塊頂面的加速度。

激光干涉儀信號(hào)與傳感器信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)處理與分析及振動(dòng)臺(tái)與主動(dòng)隔振臺(tái)的參數(shù)設(shè)置與控制都利用PXI總線(xiàn)系統(tǒng)來(lái)完成。振動(dòng)臺(tái)的地基與外界隔離，同時(shí)利用主動(dòng)隔振使激光干涉儀不受外界環(huán)境的干擾影響。

根據(jù)牛頓第二定律，將質(zhì)量塊自身的質(zhì)量與其運(yùn)動(dòng)加速度的乘積作為標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)力值用于對(duì)被校力傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn):

圖1 動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)系統(tǒng)框圖

式中:m是施加在被校力傳感器敏感單元上的所有質(zhì)量的總和;a(t)是與時(shí)間相關(guān)的、以上所有質(zhì)量總和的等效加速度。

為了改善動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性，必須注意以下幾個(gè)方面:

1)確定質(zhì)量塊上加速度的空間分布;

2)獲得被校力傳感器的端部等效質(zhì)量;

3)提高加速度測(cè)量的準(zhǔn)確性;

4)保證良好的激勵(lì)源特性。

目前，有關(guān)正弦法的動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)規(guī)范JJF1370－2012《正弦法力傳感器動(dòng)態(tài)特性校準(zhǔn)規(guī)范》已在我國(guó)發(fā)布，其中對(duì)正弦形式載荷下力傳感器的動(dòng)態(tài)性能校準(zhǔn)作出了系統(tǒng)的規(guī)范及必要的方法說(shuō)明;在國(guó)際方面，德國(guó)最高計(jì)量機(jī)構(gòu)PTB對(duì)正弦法動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)的研究進(jìn)展與我國(guó)基本同步，目前PTB也正在籌備組織相關(guān)裝置的標(biāo)準(zhǔn)建立工作。

1.2 沖擊力 (脈沖力)校準(zhǔn)方法及裝置

在沖擊力校準(zhǔn)方面，有落體式和水平碰撞式兩種形式的校準(zhǔn)裝置。

在國(guó)內(nèi)，包括中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院［3］、中航工業(yè)計(jì)量所等計(jì)量機(jī)構(gòu)以及一些軍工計(jì)量站基本都采用落體式?jīng)_擊力校準(zhǔn)裝置，其中中航工業(yè)計(jì)量所設(shè)計(jì)的落體臺(tái)相對(duì)先進(jìn)，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括落錘試驗(yàn)裝置與力傳感器安裝結(jié)構(gòu)。落錘試驗(yàn)裝置用于控制錘體的運(yùn)動(dòng)與提升高度;傳感器安裝結(jié)構(gòu)用于把被校力傳感器固定安裝在基座，使其具有較高的安裝諧振頻率。

圖2 落錘式大幅值脈沖力發(fā)生器原理結(jié)構(gòu)圖

力傳感器安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為被校力傳感器與底座的砧體剛性連接。落錘試驗(yàn)裝置包括提升機(jī)構(gòu)、扶正機(jī)構(gòu)、緩沖機(jī)構(gòu)和錘體。

落體式?jīng)_擊力校準(zhǔn)裝置仍然利用牛頓第二定律，具體針對(duì)力傳感器進(jìn)行受力分析來(lái)建立力學(xué)模型，得到脈沖力的計(jì)算公式。根據(jù)牛頓第二定律，對(duì)以上兩套不同的脈沖力發(fā)生器都可以建立以下簡(jiǎn)化模型:

式中:f為傳感器受到的力;M為錘體或質(zhì)量塊質(zhì)量;g為重力加速度;a為質(zhì)量塊加速度，通過(guò)激光干涉測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量。

德國(guó)PTB則采用水平碰撞式?jīng)_擊力校準(zhǔn)裝置，現(xiàn)在有兩套不同量程的校準(zhǔn)裝置，校準(zhǔn)最大力值分別為20 kN和250 kN，脈寬最小可達(dá)0.5 ms，它們的脈沖力發(fā)生原理相同，都是質(zhì)量碰撞式力源，其原理如圖3所示，加速后的質(zhì)量塊M1與放置在質(zhì)量塊M2上的被校力傳感器碰撞產(chǎn)生脈沖力。現(xiàn)在，在各發(fā)達(dá)國(guó)家的最新動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)裝置中，都通過(guò)激光干涉技術(shù)測(cè)量質(zhì)量塊加速度，由基本動(dòng)力學(xué)方程以及修正補(bǔ)償來(lái)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)力值，從而使動(dòng)態(tài)力直接溯源到激光波長(zhǎng)、時(shí)間/頻率、質(zhì)量等基本量。

1.3 階躍力校準(zhǔn)方法及裝置

圖3 PTB脈沖力校準(zhǔn)裝置原理圖

階躍力由于其較大的力值和非常窄的下降 (或上升)時(shí)間，在工程應(yīng)用中受到重視，其中脆性材料斷裂法可以獲得非常大的力值校準(zhǔn)量程。脆性材料階躍力校準(zhǔn)裝置的示意圖如圖4，加載框架內(nèi)，液壓裝置在最下面施加向上的力，脆性材料在上端一個(gè)壓塊與下端兩個(gè)支撐塊的作用下受到彎曲載荷，對(duì)力傳感器施加的力值可以由液壓系統(tǒng)的壓力表給出，液壓系統(tǒng)以準(zhǔn)靜態(tài)方式逐步增加加載力值，當(dāng)加載力值達(dá)到脆性材料的承載極限時(shí)材料發(fā)生斷裂，力傳感器在脆性材料承載極限所受的力在瞬間完全卸載，力傳感器在這個(gè)突然卸載的過(guò)程中所感受到的就是一種負(fù)階躍力動(dòng)態(tài)載荷。這種裝置的階躍力幅值由脆性材料的承載極限決定，而載荷下降時(shí)間則由材料的斷裂歷程決定，在材料相同的情況下，為了獲得更大的階躍力值，需要增加脆性材料的尺寸，但是大尺寸的材料的斷裂歷程時(shí)間則會(huì)加長(zhǎng)從而影響載荷下降速度增加下降時(shí)間，因此，在階躍力校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)中，優(yōu)化選擇斷裂材料及其尺寸需要綜合考慮需要校準(zhǔn)力值與下降時(shí)間兩個(gè)因素［4］。

圖4 脆性材料階躍力校準(zhǔn)裝置示意圖

早在1985年，我國(guó)制定的JJG391－85《負(fù)荷傳感器檢定規(guī)程》給出了采用階躍力形式載荷對(duì)力傳感器計(jì)量的基本要求。中航工業(yè)計(jì)量所在上世紀(jì)90年代初研制出的100 kN力傳感器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)裝置是具有代表性的脆性材料負(fù)階躍力校準(zhǔn)裝置，該裝置選擇SiC陶瓷制作脆性材料試驗(yàn)塊，試驗(yàn)塊的實(shí)測(cè)斷裂卸載時(shí)間為2～20μs。

2 動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)中存在的若干問(wèn)題

早在1989年，我國(guó)就已經(jīng)制定了檢定規(guī)程JJG632－1989《動(dòng)態(tài)力傳感器》，其中的檢定方法以落體沖擊力校準(zhǔn)為主，同時(shí)也對(duì)正弦力與階躍力校準(zhǔn)方法作了簡(jiǎn)單介紹。該檢定規(guī)程為我國(guó)動(dòng)態(tài)力傳感器的使用提供了計(jì)量保障，同時(shí)也開(kāi)啟了動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)方面的研究，但是，規(guī)程只要求傳感器按照使用要求安裝，而針對(duì)如何達(dá)到與使用要求一致，卻沒(méi)有具體給出需要從哪些方面對(duì)裝置的結(jié)構(gòu)與試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)或有效控制。動(dòng)態(tài)力的驅(qū)動(dòng)、傳遞及支撐結(jié)構(gòu)以及試驗(yàn)參數(shù)的選擇對(duì)力傳感器的輸出靈敏度都有很大影響，在不同的試驗(yàn)設(shè)置下可能會(huì)得出不同的測(cè)量結(jié)果，因此，在動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)方法中對(duì)一些基本的結(jié)構(gòu)參數(shù) (如剛度、質(zhì)量、阻尼等)以及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件 (如頻率、脈寬等)進(jìn)行具體的規(guī)范要求是非常必要的。綜上所述，力傳感器在動(dòng)態(tài)使用中表現(xiàn)出的靈敏度特性與安裝環(huán)境及載荷時(shí)頻性質(zhì)有很強(qiáng)的相關(guān)性;而在大型裝備制造行業(yè)，特別是兵器工業(yè)先進(jìn)裝備的研制、生產(chǎn)及使用中，力傳感器的安裝環(huán)境復(fù)雜、加載條件多變，因此，同一支力傳感器在不同的動(dòng)態(tài)環(huán)境中可能有不同的測(cè)量表現(xiàn)，這些表現(xiàn)有時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響我們對(duì)一些關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的判斷，可能造成較大經(jīng)濟(jì)損失和重要時(shí)機(jī)的延誤。我們需要從力傳感器自身的特性出發(fā)，充分考慮各行業(yè)的使用特點(diǎn) (例如武器裝備制造行業(yè)在極端條件下對(duì)動(dòng)態(tài)力的測(cè)量需求)，科學(xué)分析動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)中所涉及的各種影響因素，為合理制定相應(yīng)的規(guī)范與規(guī)程提供有益參考。

2.1 質(zhì)量塊大小及其加速度分布的問(wèn)題

在動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn) (包括正弦力校準(zhǔn)和沖擊力校準(zhǔn)等)中，經(jīng)常利用運(yùn)動(dòng)中質(zhì)量塊的慣性力作為動(dòng)態(tài)力加載手段，同時(shí)也是動(dòng)態(tài)力的溯源渠道，也就是利用質(zhì)量塊自身的質(zhì)量和其運(yùn)動(dòng)加速度的乘積來(lái)復(fù)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)力值。此時(shí)，質(zhì)量塊與力傳感器通常會(huì)自然構(gòu)成一個(gè)彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，于是質(zhì)量塊的質(zhì)量大小決定了校準(zhǔn)裝置的固有頻率，如果質(zhì)量塊過(guò)大，導(dǎo)致固有頻率接近校準(zhǔn)頻率范圍，使校準(zhǔn)頻響受到影響，如果固有頻率下降到校準(zhǔn)頻率范圍之內(nèi)，就會(huì)對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果形成嚴(yán)重影響。因此，質(zhì)量塊的質(zhì)量大小，需要根據(jù)動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)的頻率范圍 (或脈寬范圍)的適用性，給出科學(xué)合理的要求或規(guī)范，以避免質(zhì)量塊的大小影響被校傳感器的實(shí)際響應(yīng)，在傳感器的校準(zhǔn)結(jié)果中引入校準(zhǔn)裝置(或校準(zhǔn)系統(tǒng))的影響。

另外，質(zhì)量塊的另一方面影響體現(xiàn)在其自身的加速度分布，標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊的標(biāo)定誤差可以控制在10－6量級(jí)，所以在力傳感器的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)中，加速度測(cè)量相關(guān)的不確定度成為動(dòng)態(tài)力測(cè)量不確定度的主要來(lái)源。加速度的測(cè)量誤差主要是由于質(zhì)量塊塊體的加速度分布不均勻造成的。質(zhì)量塊不可能是理想的剛體，振動(dòng)中必然會(huì)發(fā)生變形，于是質(zhì)量塊塊體各處的加速度不一致，這樣各處加速度不一致的情況會(huì)直接導(dǎo)致動(dòng)態(tài)力值的復(fù)現(xiàn)誤差。而且力值越大或頻率越高，加速度分布不一致的情況就越明顯，這會(huì)嚴(yán)重影響正弦力校準(zhǔn)裝置在高頻率及大力值方面的進(jìn)一步發(fā)展。由此可見(jiàn)，質(zhì)量塊是測(cè)力設(shè)備動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)中的關(guān)鍵部件，必須合理設(shè)計(jì)，科學(xué)規(guī)范。

在力傳感器的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)領(lǐng)域，質(zhì)量塊經(jīng)常作為加載部件應(yīng)用于校準(zhǔn)裝置，各發(fā)達(dá)國(guó)家最高計(jì)量機(jī)構(gòu)一直關(guān)注質(zhì)量塊塊體各處加速度不一致的問(wèn)題，并開(kāi)展研究用各種方法解決或修正這一問(wèn)題帶來(lái)的影響。德國(guó)聯(lián)邦物理研究院 (PTB)曾經(jīng)采用如圖5中所示的裝置，利用5只加速度計(jì)測(cè)量加載質(zhì)量塊中心及4個(gè)外緣角落位置的加速度，然而只選擇5個(gè)點(diǎn)的加速度來(lái)描述質(zhì)量塊塊體的整體加速度分布情況還是不夠完善，可能遺漏重要的細(xì)節(jié)信息。

圖5 在正弦力校準(zhǔn)中PTB用5只加速度計(jì)測(cè)量質(zhì)量塊的加速度

目前，激光干涉測(cè)量技術(shù)和數(shù)字解調(diào)技術(shù)飛速發(fā)展，德國(guó)聯(lián)邦物理研究院與中航工業(yè)計(jì)量所都已經(jīng)利用激光測(cè)振儀實(shí)現(xiàn)對(duì)質(zhì)量塊頂面多點(diǎn)的加速度測(cè)量，并通過(guò)有限元方法描述質(zhì)量塊整體加速度分布規(guī)律建立正弦力的校準(zhǔn)裝置［5］，如圖6，在這種校準(zhǔn)方法中，事先根據(jù)有限元計(jì)算得到的質(zhì)量塊加速度分布結(jié)果獲得質(zhì)量塊頂面加速度與整體等效加速度之間的修正系數(shù)，然后利用激光測(cè)振儀測(cè)量質(zhì)量塊頂面各點(diǎn)加速度，測(cè)得的頂面加速度乘以有限元計(jì)算的修正系數(shù)，再與質(zhì)量塊質(zhì)量作乘積，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)力值的準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)。

圖6 PTB采用有限元方法對(duì)正弦力校準(zhǔn)中質(zhì)量塊的頂面加速度進(jìn)行修正

綜上所述，不僅質(zhì)量塊的質(zhì)量大小需要規(guī)范，如果要求較高的測(cè)量與校準(zhǔn)水平，質(zhì)量塊的尺寸與形狀都需要有明確的要求，才能保證動(dòng)態(tài)力值復(fù)現(xiàn)的準(zhǔn)確性及校準(zhǔn)結(jié)果的可靠性［6］。

2.2 不同校準(zhǔn)方法之間的傳感器靈敏度一致性問(wèn)題

與加速度傳感器的校準(zhǔn)相類(lèi)似，在周期振動(dòng)與沖擊兩種激勵(lì)條件下，所獲得的傳感器靈敏度會(huì)存在一定差異。這一點(diǎn)在動(dòng)態(tài)力傳感器校準(zhǔn)中體現(xiàn)的更加明顯。在振動(dòng)、沖擊加速度校準(zhǔn)中，通常會(huì)通過(guò)響應(yīng)譜的方法在頻域上找到加速度靈敏度頻響曲線(xiàn)的一致性，但是正弦力與沖擊力校準(zhǔn)結(jié)果在頻域變換之后的比較經(jīng)常不盡如人意。究其原因，主要在于動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)裝置通常有較大的負(fù)載質(zhì)量，比較容易將激勵(lì)源結(jié)構(gòu)頻響特性引入校準(zhǔn)結(jié)果，而不同種動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)有較大差別，更加使正弦力與沖擊力校準(zhǔn)結(jié)果在頻域有更多的差異;而且，即使同是正弦力校準(zhǔn)裝置 (或同是沖擊力校準(zhǔn)裝置)，如果結(jié)構(gòu)參數(shù)不同，也會(huì)在頻域校準(zhǔn)結(jié)果中表現(xiàn)出較多差異。

總之，在動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)中，激勵(lì)裝置 (或加載結(jié)構(gòu))的頻響特性比較容易引入到力傳感器的校準(zhǔn)結(jié)果中，這會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)力的校準(zhǔn)結(jié)果對(duì)校準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)頻響特性有較強(qiáng)的依賴(lài)性。因此，要求我們?cè)趧?dòng)態(tài)力校準(zhǔn)中，對(duì)激勵(lì)裝置或加載結(jié)構(gòu)中與動(dòng)態(tài)頻響有關(guān)的參數(shù)作合理的設(shè)計(jì)和科學(xué)的規(guī)范［7－10］。

3 動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)裝置中需要規(guī)范的若干參數(shù)

3.1 問(wèn)題分類(lèi)

根據(jù)以上提及的問(wèn)題，其原因基本都來(lái)自于動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)響應(yīng)對(duì)被校傳感器的干擾，因此，按照影響動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的幾個(gè)參數(shù)分類(lèi)如下:

首先是與質(zhì)量相關(guān)的參數(shù)，例如質(zhì)量塊的質(zhì)量，落體沖擊臺(tái)的臺(tái)體質(zhì)量，振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈部分質(zhì)量等。另外，質(zhì)量塊還需考慮形狀與尺寸對(duì)加速度分布的影響。

其次是與剛度有關(guān)的參數(shù)，例如質(zhì)量塊夾具的剛度，動(dòng)態(tài)力傳遞部件的剛度，以及固定框架式動(dòng)態(tài)力加載結(jié)構(gòu)中的支撐框架的剛度等。

最后還要考慮與阻尼有關(guān)的參數(shù)，例如動(dòng)態(tài)力傳遞部件的阻尼，落體沖擊臺(tái)緩沖墊的材料阻尼及層數(shù)，碰撞式?jīng)_擊臺(tái)中緩沖部分的材料阻尼等。對(duì)于質(zhì)量塊加載方式的，甚至還需要考慮質(zhì)量塊材料的阻尼。阻尼對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果的最大影響主要體現(xiàn)在力傳感器的的相頻響應(yīng)方面，另外，阻尼又會(huì)在一定程度上削弱裝置結(jié)構(gòu)共振對(duì)力傳感器幅頻特性的影響。

3.2 動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)裝置中相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)原則探討

在動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)或規(guī)范方面，一個(gè)總的原則就是要求校準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)特征頻率遠(yuǎn)離待校準(zhǔn)的頻率范圍，以盡量減少裝置特性對(duì)力傳感器動(dòng)態(tài)特性的影響。

按照各參數(shù)具體來(lái)說(shuō)，在較高頻率段 (或較窄脈寬段)，質(zhì)量越小越好，而校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)的剛度則越大越好，在制定相應(yīng)規(guī)范時(shí)，可以將頻率范圍 (或脈寬范圍)合理分成幾段，然后針對(duì)不同的頻段給出質(zhì)量與剛度相關(guān)參數(shù)的合理搭配。對(duì)于阻尼相關(guān)參數(shù)，則應(yīng)該根據(jù)不同頻段 (或脈寬)的需要合理控制。

4 結(jié)論

與振動(dòng)、沖擊等形式的加速度傳感器校準(zhǔn)相比，力傳感器的加載形式要求兩端都與校準(zhǔn)裝置接觸，因此動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)特性非常容易引入力傳感器的校準(zhǔn)結(jié)果，導(dǎo)致不能正確反映力傳感器的真實(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng);而且動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)裝置中的結(jié)構(gòu)質(zhì)量往往較大，更容易將低頻機(jī)械特性傳遞給被校傳感器，因此，在動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)中，非常有必要對(duì)結(jié)構(gòu)相關(guān)動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行科學(xué)合理的規(guī)范，才能滿(mǎn)足校準(zhǔn)結(jié)果正確與可靠的基本要求。

［1］Zhang Li，Rolf Kumme.Investigation of interferometric methods for dynamic force measurement［C］//XVII IMEKO World Congress，Metrology in the 3rd Millennium.Dubrovnik，Croatia:IMEKO，2003.

［2］張力.激光干涉法進(jìn)行正弦力校準(zhǔn)研究 ［J］.計(jì)量學(xué)報(bào)，2005，26(4):337－342.

［3］于梅，孫橋.基于激光絕對(duì)法沖擊校準(zhǔn)技術(shù)的動(dòng)態(tài)力測(cè)量方法的研究［J］.現(xiàn)代測(cè)量與實(shí)驗(yàn)室管理，2004(4):5－8.

［4］何聞.標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)力發(fā)生裝置國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ［J］.機(jī)電工程，1999，11(2):47－49.

［5］Rolf Kumme.The determination of the effective dynamic force for the calibration of force transducers，with due regard to the distribution of mass and acceleration［C］//XV IMEKOTC3，Conference.Madrid，Spain:IMEKO，1996:129－138.

［6］王宇，張力，張立喆，等.正弦力校準(zhǔn)中質(zhì)量塊加速度分布影響的理論修正研究［J］.計(jì)測(cè)技術(shù)，2010，30(3):1－4.

［7］黃俊欽.動(dòng)態(tài)不確定度的估算方法和應(yīng)用實(shí)例 ［J］.計(jì)量學(xué)報(bào)，2005，26(4):372－375.

［8］趙自文.動(dòng)態(tài)推力校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì) ［J］.自動(dòng)化儀表，2007，28:228－234.

［9］張訓(xùn)文，方繼明，歐陽(yáng)黎明.氣動(dòng)沖擊法動(dòng)態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)［C］//2000全國(guó)力學(xué)量傳感器及測(cè)試、計(jì)量學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集.北京:中國(guó)電子學(xué)會(huì)，2000.

［10］王建平，李曉輝.力傳感器動(dòng)態(tài)特性測(cè)試與性能改進(jìn)［J］.山西機(jī)械，2002(1):43－46.