微量摩阻天平旋轉(zhuǎn)加載校準(zhǔn)裝置研制

王雄　許曉斌　王南天　杜家坤　張闊

摘要：為實現(xiàn)對微量摩阻天平/MEMS摩阻傳感器進(jìn)行靜態(tài)校準(zhǔn)研究，并且需要能夠模擬高超聲速風(fēng)洞試驗環(huán)境壓力，建立微量摩阻天平旋轉(zhuǎn)加載校準(zhǔn)裝置，對該校準(zhǔn)裝置的總體方案、旋轉(zhuǎn)加載臺體系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和測控系統(tǒng)等進(jìn)行研究。首先，提出基于離心力等效原理和真空箱體內(nèi)單軸旋轉(zhuǎn)加載方法的校準(zhǔn)裝置研制方案，開展旋轉(zhuǎn)加載校準(zhǔn)原理和校準(zhǔn)裝置總體方案研究。然后，分別對單軸旋轉(zhuǎn)加載臺體系統(tǒng)、模擬不同風(fēng)洞試驗環(huán)境壓力的真空系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)加載臺體和真空箱體的磁流體動態(tài)密封以及專用的測控系統(tǒng)等方案進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。最后，完成校準(zhǔn)裝置研制，對該校準(zhǔn)裝置進(jìn)行技術(shù)指標(biāo)檢測，并對研制的MEMS摩阻傳感器樣機(jī)開展校準(zhǔn)應(yīng)用。結(jié)果表明：微量摩阻旋轉(zhuǎn)加載校準(zhǔn)裝置的速率范圍在0.01～3600°/s連續(xù)可調(diào)，速率精度優(yōu)于0.01°/s，真空度20～5000Pa精密可測可控;靜校的MEMS摩阻傳感器樣機(jī)輸出穩(wěn)定、回零好，測量范圍均為0～100Pa，分辨率為0.1Pa，重復(fù)性精度和線性度優(yōu)于1%。該校準(zhǔn)裝置速率精度高、穩(wěn)定性好，校準(zhǔn)過程中真空箱體的真空度可在30min內(nèi)達(dá)到20Pa并得到很好保持，滿足微量摩阻天平/MEMS摩阻傳感器靜態(tài)校準(zhǔn)需求。

關(guān)鍵詞：微量摩阻天平;校準(zhǔn)裝置;旋轉(zhuǎn)加載;真空系統(tǒng)

中圖分類號：TP394.1;TH691.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）01-0083-05

0 引言

表面摩擦阻力（簡稱“摩阻”）是空氣動力學(xué)中一個重要的物理量。在實際的工程設(shè)計中，摩阻是高超聲速飛行器飛行過程中氣動力的重要組成部分，特別是湍流邊界層會導(dǎo)致摩阻大幅度增加，直接影響飛行器的有效航程，嚴(yán)重制約飛行器的性能[1-2]。在飛行器設(shè)計時必須精確測量飛行器表面摩阻的分布和大小情況，以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計、提高飛行器性能的目的。因此，需要發(fā)展能夠精準(zhǔn)測量飛行器表面摩阻的微量摩阻天平[3-6]/MEMS摩阻傳感器[7-8]及其校準(zhǔn)研究能力，為發(fā)展高超聲速表面摩阻測量試驗技術(shù)提供基礎(chǔ)研究條件。

為了對微量摩阻天平/MEMS摩阻傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)試驗，需要研制專門的校準(zhǔn)裝置。由于微量摩阻天平和MEMS摩阻傳感器的量程和體積都非常小，無法采用常規(guī)天平的傳統(tǒng)掛砝碼校準(zhǔn)方式[5，8]，并且其校準(zhǔn)需要能夠模擬不同的風(fēng)洞試驗環(huán)境壓力。

本文提出基于離心力等效原理和單軸旋轉(zhuǎn)加載方法的微量摩阻天平旋轉(zhuǎn)加載校準(zhǔn)裝置研制方案，并且采用真空箱體模擬不同的風(fēng)洞試驗環(huán)境壓力，用于微量摩阻天平/MEMS摩阻傳感器靜態(tài)校準(zhǔn)。

1 微量摩阻天平旋轉(zhuǎn)加載校準(zhǔn)原理與總體方案設(shè)計

1.1 微量摩阻天平旋轉(zhuǎn)加載校準(zhǔn)原理

體積和量程都很小的微量摩阻天平/MEMS摩阻傳感器靜態(tài)校準(zhǔn)將采用基于離心力等效原理的旋轉(zhuǎn)加載方法，旋轉(zhuǎn)加載校準(zhǔn)的工作原理是[9]：單軸旋轉(zhuǎn)加載平臺產(chǎn)生一定的離心力，作用在微量摩阻天平測量元件表面幾何中心所在的垂直軸線上，形成與摩阻力矩方向一致的離心力矩，離心力矩作用使測量元件產(chǎn)生微小的位移/變形，進(jìn)而使與測量元件集成的應(yīng)變片等電學(xué)元件產(chǎn)生一定的電信號輸出，如圖1所示。根據(jù)離心力公式F=mω²r，改變轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速ω，便改變了加載力F的大小，即可建立電信號輸出一離心力矩的傳遞函數(shù)。在此基礎(chǔ)上，建立離心力矩與等效摩阻的對應(yīng)關(guān)系，即可實現(xiàn)微量摩阻天平靜態(tài)校準(zhǔn)。

1.2 旋轉(zhuǎn)加載校準(zhǔn)裝置總體方案設(shè)計

校準(zhǔn)裝置需要模擬高超聲速風(fēng)洞摩阻測量的環(huán)境壓力，轉(zhuǎn)臺工作臺面置于真空箱體內(nèi)，真空箱體的壓力可以通過真空泵實現(xiàn)真空度的精密測量與控制，從而模擬摩阻測量試驗需要的不同環(huán)境壓力。因此，微量摩阻天平校準(zhǔn)裝置主要包括旋轉(zhuǎn)加載臺體系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和測控系統(tǒng)等，如圖2所示。

自主研制MEMS摩阻傳感器樣機(jī)，摩阻測量范圍為0～100Pa，分辨率為0.1Pa。其中，MEMS摩阻傳感器測量頭直徑為φ5mm，摩阻天平測量頭直徑為φ20mm，相應(yīng)的待測摩阻力分別為1.96mN和31.42mN，測量分辨率分另偽0.002mN和0.03mN。根據(jù)表面摩阻測量器件靜態(tài)校準(zhǔn)需求，校準(zhǔn)裝置的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)設(shè)計為：工作臺面直徑為φ600mm，允許載荷為2×4kg（均布），試品允許最大高度為200mm;轉(zhuǎn)角范圍連續(xù)無限，速率范圍為0.01～3600°/s，速率精度為5×10^-3（10°平均）：真空箱內(nèi)部≥φ700mm×500mm，極限真空度優(yōu)于50Pa，壓升率（漏氣率）≤0.3Pa/h;配置專用的測量控制系統(tǒng)和控制軟件，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)加載平臺運(yùn)動和真空度的精準(zhǔn)控制。

2 旋轉(zhuǎn)加載校準(zhǔn)裝置方案設(shè)計

2.1 旋轉(zhuǎn)加載臺體系統(tǒng)方案設(shè)計

旋轉(zhuǎn)加載臺體系統(tǒng)是保證校準(zhǔn)裝置主要技術(shù)指標(biāo)的核心部件，主要包括旋轉(zhuǎn)主軸、工作臺面、驅(qū)動電機(jī)、精密軸承組件、導(dǎo)電滑環(huán)和安裝底座等，臺體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

旋轉(zhuǎn)主軸是旋轉(zhuǎn)加載臺體系統(tǒng)的關(guān)鍵運(yùn)動部件，采用德國FAG公司精密級角接觸球軸承7024ET/P4S雙聯(lián)支承，驅(qū)動電機(jī)采用美國Parker公司生產(chǎn)的190STK2M系列無刷力矩電機(jī)，用來驅(qū)動轉(zhuǎn)臺軸旋轉(zhuǎn)，滿足速率及位置的要求。

工作臺面采用不銹鋼材料，直徑為φ600mm，固定在轉(zhuǎn)臺主軸上端，用于安裝微量摩阻天平/MEMS摩阻傳感器。工作臺面上有M8安裝螺孔呈45°輻射分布，并對稱設(shè)計兩個插座用于傳輸試驗對象信號;臺面?zhèn)让嬖O(shè)計有1°間隔的分布刻線。安裝底座下部設(shè)計了均布的可調(diào)支腳，用來調(diào)整工作臺面的水平。

主軸運(yùn)動控制的角位置反饋元件采用英國雷尼紹公司生產(chǎn)的RESA229光電絕對式軸角編碼器，安裝在工作臺面與雙聯(lián)精密軸承之間的旋轉(zhuǎn)主軸。導(dǎo)電滑環(huán)組件安置在轉(zhuǎn)臺軸軸系的下端，用于傳輸被測產(chǎn)品信號，需要同時具備較高的導(dǎo)電性能和耐磨特性，選用中航工業(yè)精密所生產(chǎn)的DHH40導(dǎo)電滑環(huán)，主要技術(shù)指標(biāo)為：接觸電阻≤50mΩ、接觸電阻變化量≤10mΩ、絕緣電阻≥100MΩ、環(huán)數(shù)規(guī)格≥40、使用壽命≥10⁷轉(zhuǎn)。

2.2 真空系統(tǒng)方案設(shè)計

真空系統(tǒng)用于模擬摩阻測量器件工作的高超聲速風(fēng)洞環(huán)境壓力，主要包括真空獲得系統(tǒng)、真空箱體、真空測量儀器、壓力控制閥、磁流體動態(tài)密封裝置和真空控制監(jiān)測裝置等，如圖4所示。

真空獲得系統(tǒng)是真空系統(tǒng)的核心組件，主要包括真空泵、真空閥門、真空連接管路等。為了保證真空箱體內(nèi)無油的工作環(huán)境，真空泵必須為無油渦旋干泵，選用英國愛德華的nXDS10i渦旋干泵，抽速為3.1L/s。真空閥門主要包含安裝在真空箱體上的抽真空閥和放氣閥，抽真空閥與干泵通過KF25不銹鋼波紋管連接;放氣閥用于試驗完成后真空腔體充氣開門拿取工件，進(jìn)氣口安裝空氣過濾器;真空閥門選用川北真空的抽真空閥GDC-J25和放氣閥GDC-J16。

真空箱體采用立式單室前開門結(jié)構(gòu)，包括腔室、操作門、鉸鏈及鎖緊裝置等，箱體頂部設(shè)置照明燈，箱體正面設(shè)計直徑為φ400mm的K9光學(xué)玻璃觀察窗。真空箱體外部設(shè)置加強(qiáng)筋，以防止變形，并用不銹鋼薄板包裹，使設(shè)備外形美觀;真空箱體設(shè)置抽真空接口、充放氣閥接口以及轉(zhuǎn)臺密封接口，所有接口均使用標(biāo)準(zhǔn)法蘭;操作門通過鉸鏈與腔室連接，并可通過鉸鏈軸手動打開，操作靈活方便;真空箱體與操作門之間采用真空氟橡膠密封。

轉(zhuǎn)臺延伸軸與旋轉(zhuǎn)主軸通過磁流體密封技術(shù)進(jìn)行連接[10]，磁流體密封裝置采用中空式雙法蘭結(jié)構(gòu)形式，中空部分預(yù)留φ50mm孔徑用于預(yù)埋導(dǎo)電滑環(huán)線纜，磁流體外殼與真空箱體對接，以此實現(xiàn)單軸真空轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)動態(tài)密封。

真空測量系統(tǒng)使用電阻真空計，安裝在真空箱體上，測試真空室內(nèi)抽氣時的真空度。真空度在50～5000Pa范圍內(nèi)可穩(wěn)壓控制，控制精度為士1%，必須通過薄膜規(guī)和調(diào)節(jié)閥來實現(xiàn)壓力控制。選用美國ASCO調(diào)節(jié)閥，可根據(jù)控制壓力設(shè)定調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量實現(xiàn)對所充氣體的流量調(diào)節(jié)，達(dá)到精確控制壓力，閥門型號為G202A，進(jìn)氣流量在0～1.5L/s范圍內(nèi)調(diào)節(jié);同時，選用型號為SS-4BK的手動截止閥作為調(diào)節(jié)閥6202截止功能的備用閥。選用美國MKS薄膜規(guī)，型號為722B，規(guī)格為10 Torr（1 Torr≈133.322 Pa）和100 Torr各1個，控制精度可達(dá)到±0.5%。選用磁流體密封裝置實現(xiàn)低阻尼條件下把旋轉(zhuǎn)主軸運(yùn)動傳遞到真空箱體內(nèi)的工作臺面。真空控制監(jiān)測裝置有專門的控制面板，集成了操作按鈕、PLC控制器、通信模塊、真空計、薄膜規(guī)控制儀、觸摸屏等顯示設(shè)備，實現(xiàn)對真空系統(tǒng)的實時監(jiān)測和操作。

2.3 測控系統(tǒng)方案設(shè)計

測控系統(tǒng)用于對校準(zhǔn)裝置的臺體系統(tǒng)和真空系統(tǒng)進(jìn)行實時測量和控制。測控系統(tǒng)主要包括測控主機(jī)、DSP軸運(yùn)動控制器、角位移/角速度測量系統(tǒng)、真空測控系統(tǒng)、面板顯示與鍵盤、通信接口和軟件系統(tǒng)等，如圖5所示。

測控系統(tǒng)的核心為轉(zhuǎn)臺控制計算機(jī)及DSP軸運(yùn)動控制器。電控系統(tǒng)采用主流工控PC計算機(jī)與專用DSP多軸運(yùn)動軸控系統(tǒng)相結(jié)合的二級位置閉環(huán)數(shù)字復(fù)合控制結(jié)構(gòu)，圖形化人機(jī)界面提供靈活的轉(zhuǎn)臺操作和顯示;無刷力矩電機(jī)及相應(yīng)的PWM型電流反饋伺服驅(qū)動放大器直接驅(qū)動;具有位置編碼基準(zhǔn)信號的光電絕對式軸角編碼器作為轉(zhuǎn)臺軸運(yùn)動測量反饋元件;DSP軸運(yùn)動控制器和控制計算機(jī)配置模擬、高速串行口與上位計算機(jī)通信實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺的遠(yuǎn)程控制。

軟件系統(tǒng)為專用的測控軟件，主要包括旋轉(zhuǎn)加載臺體系統(tǒng)測控軟件和真空系統(tǒng)測控軟件，實現(xiàn)對校準(zhǔn)系統(tǒng)的各種運(yùn)動控制管理、用戶各種輸入/輸出的界面管理、各種保護(hù)控制管理、多種接口的運(yùn)動/伺服跟蹤實時數(shù)據(jù)通信。計算機(jī)軟件基于Windows操作系統(tǒng)，采用C語言模塊化設(shè)計，具有功能擴(kuò)展能力。

3 旋轉(zhuǎn)加載校準(zhǔn)裝置研制與應(yīng)用

在上述校準(zhǔn)裝置總體方案、旋轉(zhuǎn)加載臺體系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和測控系統(tǒng)等系統(tǒng)方案設(shè)計的基礎(chǔ)上，完成了微量摩阻天平旋轉(zhuǎn)加載校準(zhǔn)裝置加工、安裝調(diào)試和現(xiàn)場技術(shù)指標(biāo)檢測，校準(zhǔn)裝置如圖6所示。現(xiàn)場檢測的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)為：負(fù)載4×2kg（均布），轉(zhuǎn)臺直徑為600mm（可固定安裝測量半徑大于250mm），最大安裝高度200mm，真空度20～5000Pa精密可測可控，速率范圍0.01～3600°/s連續(xù)可調(diào)，速率精度優(yōu)于0.01°/s，具備了摩阻測量器件靜態(tài)校準(zhǔn)的能力。

研制的微量摩阻天平旋轉(zhuǎn)加載校準(zhǔn)裝置被用于靜態(tài)校準(zhǔn)自主研制的MEMS摩阻傳感器樣機(jī)，MEMS摩阻傳感器樣機(jī)及其在校準(zhǔn)裝置工作臺面安裝如圖7所示，校準(zhǔn)曲線如圖8所示。

校準(zhǔn)結(jié)果表明，研制的微量摩阻天平旋轉(zhuǎn)加載校準(zhǔn)裝置運(yùn)行穩(wěn)定性好，速率精度高，滿足微量摩阻天平/MEMS摩阻傳感器靜態(tài)校準(zhǔn)需求;靜校的MEMS摩阻傳感器樣機(jī)輸出穩(wěn)定、回零好，測量范圍均為0～100Pa，分辨率為0.1Pa，重復(fù)性精度和線性度均優(yōu)于1%。此外，校準(zhǔn)過程中，真空箱體內(nèi)的真空度可以在30min內(nèi)達(dá)到20Pa，并且具有很好的真空度保持能力。

4 結(jié)束語

本文提出了基于離心力等效原理和真空箱體內(nèi)單軸旋轉(zhuǎn)加載的校準(zhǔn)裝置研制方案，開展了旋轉(zhuǎn)加載校準(zhǔn)原理和校準(zhǔn)裝置總體方案研究;并分別對單軸旋轉(zhuǎn)加載臺體系統(tǒng)、模擬不同風(fēng)洞試驗環(huán)境壓力的真空系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)加載臺體和真空箱體的磁流體動態(tài)密封以及專用的測控系統(tǒng)等方案進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計;最后，完成了校準(zhǔn)裝置研制和技術(shù)指標(biāo)檢測，并對研制的MEMS摩阻傳感器樣機(jī)開展了校準(zhǔn)試驗應(yīng)用，結(jié)果表明本校準(zhǔn)裝置滿足微量摩阻天平/MEMS摩阻傳感器靜態(tài)校準(zhǔn)研究的要求。并且，這種真空度精密可測可控的單軸旋轉(zhuǎn)加載裝置研制在國內(nèi)尚屬首次，對其他帶真空轉(zhuǎn)臺研制具有參考意義。

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