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)位移測量系統(tǒng)。如對飛機(jī)抗鳥撞設(shè)計(jì)中的動(dòng)態(tài)位移測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)在對鳥撞試驗(yàn)研究過程中，研制的鳥撞測試系統(tǒng)也使用到動(dòng)態(tài)位移測試系統(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)位移測量系統(tǒng)是利用霍爾效應(yīng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)位移測量，可以進(jìn)行大量程0～40mm測量，突破了過去一直沒有有效的方法對其進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)。通過對系統(tǒng)響應(yīng)頻率的研究和對測試精度的校準(zhǔn)，對國內(nèi)已研制的鳥撞測試系統(tǒng)中的位移測試系統(tǒng)的測試精度給以定量的測定。

1　動(dòng)態(tài)位移測量現(xiàn)狀

目前動(dòng)態(tài)位移的測量方法主要有：多火花高速攝影法[4]、CCD動(dòng)態(tài)測量法[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)測量法、高速攝影法都需要昂貴的設(shè)備，而CCD動(dòng)態(tài)測量法和高速攝影法還受到位移范圍(測量微小位移)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)位移的測試精度，只能提高速度的測試精度，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)研制的鳥撞測試系統(tǒng)中的位移測試系統(tǒng)是利用霍爾效應(yīng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)位移測量，但是過去一直沒有有效的方法對其進(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：一是對其響應(yīng)頻率的研究；二是對測試精度的校準(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；動(dòng)態(tài)位移測試儀，其作用就是測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，磁場梯度越大，霍爾輸出對位移變化的靈敏度越高，磁場梯度越均勻，霍爾輸出對位移的線性度就越好[9]。國內(nèi)研制的動(dòng)態(tài)位移測試系統(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，磁片運(yùn)動(dòng)時(shí)將會(huì)引起霍爾元件附近的磁場變化，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)方面對霍爾效應(yīng)動(dòng)態(tài)位移測試儀進(jìn)行評價(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頻率的變化而提升或衰減和相位滯后隨輸入信號頻率而變化的現(xiàn)象。它反映了放大電路對于不同頻率的信號的適應(yīng)能力。如果放大電路對不同頻率信號的幅值放大不同，就會(huì)引起幅度失真；如果放大電路對不同頻率信號產(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)位移測試儀的頻率響應(yīng)。

2)霍爾效應(yīng)動(dòng)態(tài)位移測試儀精度確定

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

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)位移測試儀的頻響、線性度達(dá)到最佳。

3　動(dòng)態(tài)位移測試儀校準(zhǔn)試驗(yàn)

動(dòng)態(tài)位移測試儀校準(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)位移測試儀，證實(shí)加裝鋁板后不會(huì)影響磁場，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

通過對霍爾效應(yīng)動(dòng)態(tài)位移測試儀的靜態(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)位移測試儀所測的位移-時(shí)間關(guān)系：

d霍爾=S(V0)-S(g(t))

(5)

式中，V0為動(dòng)態(tài)位移測試儀的初始輸出電壓。

對于頻響問題的評價(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)位移測試儀所測位移-時(shí)間曲線和激光位移計(jì)所測位移-時(shí)間曲線，看霍爾效應(yīng)動(dòng)態(tài)位移測試儀所測位移是否存在頻率失真。

對于霍爾效應(yīng)動(dòng)態(tài)位移測試儀的精度確定，由于激光位移計(jì)和霍爾效應(yīng)動(dòng)態(tài)位移測試儀都是測量磁片的位移，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霍爾就可以對霍爾效應(yīng)動(dòng)態(tài)位移測試儀進(jìn)行標(biāo)定和校準(zhǔn)，并對其測試精度給予評價(jià)。

對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)位移測試儀所測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。故需對霍爾效應(yīng)動(dòng)態(tài)位移測試儀所測位移進(jìn)行時(shí)間上的平移以便和激光位移計(jì)所測位移曲線進(jìn)行對比。

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)位移測試儀頻響問題分析

對于頻響問題，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)位移測試儀的頻率響應(yīng)有相位失真，即和激光位移計(jì)所測位移相比存在時(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)位移測試儀的所測位移出現(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)霍爾元件和測量電路一起組成霍爾效應(yīng)動(dòng)態(tài)位移測試儀時(shí)，其響應(yīng)頻率肯定低于23kHz。

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

通過對試驗(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(激光器所測位移)時(shí)，動(dòng)態(tài)位移測試儀的測量精度。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)位移測試儀測試精度

同樣通過對試驗(yàn)曲線進(jìn)行時(shí)間上的平移，求出動(dòng)態(tài)位移測試儀的所測位移與磁片位移(激光位移計(jì)所測位移)的差值，給出動(dòng)態(tài)位移測試儀在磁片與傳感器初始間距不同時(shí)的測量精度，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)，初始間距對測量的影響不大，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，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)位移測試儀在磁片與傳感器初始間距不同時(shí)的測量精度

圖5　延遲時(shí)間和磁片與傳感器初始間距之間對應(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)，初始間距對測量的影響不大，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，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)位移測試儀精度確定，通過對霍爾效應(yīng)動(dòng)態(tài)位移測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測量的影響不大，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)，通過對霍爾效應(yīng)動(dòng)態(tài)位移測試儀與激光位移計(jì)所測位移的比較，確定霍爾效應(yīng)動(dòng)態(tài)位移測試精度，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)位移測試儀的頻響、線性度達(dá)到最佳。

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