陳 東，鄭術(shù)力

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610）

質(zhì)量塊對(duì)動(dòng)態(tài)力傳感器校準(zhǔn)的影響特性

陳 東，鄭術(shù)力

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610）

校準(zhǔn)質(zhì)量塊是動(dòng)態(tài)力傳感器校準(zhǔn)中的關(guān)鍵部件，其加速度分布的均勻性直接影響動(dòng)態(tài)力傳感器的校準(zhǔn)準(zhǔn)確度，采用有限元分析方法結(jié)合實(shí)驗(yàn)對(duì)比方法，研究了質(zhì)量塊形狀尺寸、密度、彈性模量及比模量等參數(shù)對(duì)質(zhì)量塊加速度分布均勻性的影響，給出了各因素的影響特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用重質(zhì)合金質(zhì)量塊可提高動(dòng)態(tài)力傳感器的校準(zhǔn)準(zhǔn)確度。

質(zhì)量塊；加速度分布；動(dòng)態(tài)力傳感器；校準(zhǔn)

引言

動(dòng)態(tài)力傳感器廣泛應(yīng)用于航天、航空、兵器、船舶、汽車、機(jī)械制造等領(lǐng)域，在產(chǎn)品可靠性環(huán)境試驗(yàn)中發(fā)揮著重要的作 用。現(xiàn)有動(dòng)態(tài)力傳感器常以靜態(tài)校準(zhǔn)時(shí)的結(jié)果作為動(dòng)態(tài)測(cè)試的依據(jù)，使得具有高精度靜態(tài)校準(zhǔn)結(jié)果的設(shè)備在動(dòng)態(tài)測(cè)試中可能存在很大的誤差，動(dòng)態(tài)力傳感器的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)問(wèn)題也日益受到人們的重視[1-3]。目前在動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)方面主要采用正弦激勵(lì)、階躍激勵(lì)和脈沖激勵(lì)等方法進(jìn)行校準(zhǔn)，在絕大部分動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)方法中都需要用到質(zhì)量塊，即根據(jù)牛頓第二定律，利用質(zhì)量塊自身的質(zhì)量與其運(yùn)動(dòng)加速度的乘積復(fù)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)力值[4-7]。其中，質(zhì)量測(cè)量不確定度可達(dá)到10-6, 因此在動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)中，加速 度的測(cè)量不確定度分量占據(jù)主導(dǎo)地位。加速度測(cè)量的誤差主要來(lái)源于質(zhì)量塊上不均勻的加速度分布，并受校準(zhǔn)振動(dòng)頻率、脈寬及自身形狀、密度、彈性模量和比模量等因素影響呈現(xiàn)出不同的影響特性。為此，本文采用有限元分析方法結(jié)合對(duì)比實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)質(zhì)量塊的加速度分布均勻性進(jìn)行了研究。

1 質(zhì)量塊加速度分布特性

動(dòng)態(tài)力傳感器校準(zhǔn)時(shí)所復(fù)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)力值可根據(jù)牛頓第二定律得到，即質(zhì)量塊質(zhì)量與加速度的乘積等于動(dòng)態(tài)力力值：

其中，質(zhì)量塊的密度ρ在同一種材料中可以視為常數(shù)，但在校準(zhǔn)過(guò)程中質(zhì)量塊上各質(zhì)點(diǎn)的加速度呈現(xiàn)不均勻分布，用分布函數(shù)a()表示，動(dòng)態(tài)力傳感器的校準(zhǔn)誤差主要來(lái)源于加速度的不均勻分布[2]。

為研究質(zhì)量塊上加速度的分布特性，采用有限元分析方法模擬校準(zhǔn)過(guò)程中質(zhì)量塊上的加速度分布。如圖1所示建立有限元分析模型，質(zhì)量塊半徑為15mm，高度為15mm，密度為7.8g/cm3，彈性模量為210GPa，網(wǎng)格采用O型網(wǎng)格方法劃分，質(zhì)量塊各質(zhì)點(diǎn)具有相同的密度和彈性模量，在質(zhì)量塊Z軸向施加一定量值的加速度后，質(zhì)量塊上加速度分布如圖1所示。從圖中可以看出，對(duì)于單一材質(zhì)的質(zhì)量塊，受到一定振動(dòng)量級(jí)激勵(lì)后，質(zhì)量塊上的加速度沿軸向方向呈層狀分布，周向呈環(huán)形分布，軸向、周向加速度均勻性最大偏差分別為1.1‰、0.1‰。由此可見(jiàn)，加速度測(cè)量的誤差主要來(lái)源于質(zhì)量塊上不均勻的軸向加速度分布。

2 質(zhì)量塊加速度影響特性

采用有限元分析方法，將質(zhì)量塊形狀尺寸、密度、彈性模量及比模量作為影響因素，建立單一因素作用下的有限元模型，分析各因素對(duì)質(zhì)量塊加速度分布均勻性的影響特性。

圖1 質(zhì)量塊有限元網(wǎng)格模型及分析結(jié)果

圖2 各因素對(duì)加速度分布均勻性的影響特性

各參數(shù)影響特性如圖2所示，由曲線可知，單一因素作用下，質(zhì)量塊高度對(duì)加速度軸向均勻性影響顯著，相同直徑的質(zhì)量塊，高度越高加速度軸向均勻性越差；質(zhì)量塊直徑對(duì)加速度分布周向均勻性影響更明顯，相同高度時(shí)，半徑越大加速度分布周向均勻性越差，但加速度周向均勻性對(duì)質(zhì)量塊整體均勻性影響不大。在形狀尺寸相同、密度相同的條件下，彈性模量越大加速度分布均勻性越好。在形狀尺寸相同、彈性模量相同的條件下，材料密度越大加速度分布均勻性越差。在形狀尺寸相同、彈性模量相同的條件下，材料密度越大，加速度分布均勻性越差。

比模量（Specific Modulus）指彈性模量與密度的比值，即單位密度的彈性模量，是材料承載能力的重要指標(biāo)。在形狀尺寸相同的條件下，材料比模量越大，加速度分布均勻性越好。

3 比對(duì)實(shí)驗(yàn)分析

圖3 比對(duì)實(shí)驗(yàn)質(zhì)量塊

圖4 質(zhì)量塊加速度均勻性測(cè)量系統(tǒng)

表1 質(zhì)量塊在不同頻率下復(fù)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)力

圖5 各材質(zhì)質(zhì)量塊加速度頻率響應(yīng)曲線

圖6 動(dòng)態(tài)力傳感器校準(zhǔn)結(jié)果

質(zhì)量塊加速度頻率響應(yīng)和加速度均勻性是影響加速度校準(zhǔn)準(zhǔn)確度的主要因素。其中，加速度均勻性影響主要來(lái)源于質(zhì)量塊不均勻的軸向加速度分布。為確定不同比模量材料的加速度頻率響應(yīng)和加速度軸向分布均勻性，本文采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行分析。如圖3所示，在高度相同的條件下，采用不同比模量材料加工相同直徑的質(zhì)量塊，使用圖4所示的比較法測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量質(zhì)量塊的加速度頻率響應(yīng)和加速度軸向均勻性。實(shí)驗(yàn)時(shí)，改變振動(dòng)臺(tái)激勵(lì)頻率，使用標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)監(jiān)控振動(dòng)臺(tái)加速度量值，使得每一頻率下振動(dòng)臺(tái)輸出同 一量級(jí)的加速度，通過(guò)輕質(zhì)加速度計(jì)測(cè)量每種材質(zhì)質(zhì)量塊的加速度頻率響應(yīng)和軸向加速度均勻性，并計(jì)算得到鋁、黃銅、304鋼及重質(zhì)合金四種材料在各頻率下的動(dòng)態(tài)力，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以得到鋁、黃銅、304鋼及重質(zhì)合金四種材料在不同頻率下的動(dòng)態(tài)力頻率響應(yīng)分別為1.54%、1.23%、1.00%和0.52%，各材料質(zhì)量塊加速度頻率響應(yīng)測(cè)量結(jié)果如圖5所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，低頻頻率響應(yīng)曲線與測(cè)量傳感器特性不符，各材質(zhì)質(zhì)量塊在低頻存在能量傳遞損失，在20Hz～2000Hz頻率范圍內(nèi)，重質(zhì)合金質(zhì)量塊所復(fù)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)力的頻率響應(yīng)最好，AL材質(zhì)動(dòng)態(tài)力頻率響應(yīng)最差。由此可見(jiàn)，重質(zhì)合金更適合作為校準(zhǔn)質(zhì)量塊材料。

為了驗(yàn)證重質(zhì)合金質(zhì)量塊是否滿足動(dòng)態(tài)力傳感器校準(zhǔn)要求，選用PCB公司生產(chǎn)的型號(hào)為208C02的工作動(dòng)態(tài)力傳感器，使用重質(zhì)合金質(zhì)量塊進(jìn)行校準(zhǔn)，各頻率點(diǎn)靈敏度校準(zhǔn)結(jié)果如圖6所示，以160Hz頻率點(diǎn)靈敏度為參考，靈敏度頻率響應(yīng)最大誤差為0.53%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于最大允許誤差。

4 結(jié)論

1）動(dòng)態(tài)力傳感器校準(zhǔn)不確定度分量主要來(lái)源于質(zhì)量塊不均勻的軸向加速度分布和質(zhì)量塊加速度頻率響應(yīng)，質(zhì)量塊上的加速度沿軸向方向呈層狀分布。

2）質(zhì)量塊尺寸高度、密度、彈性模量和比模量是影響質(zhì)量塊加速度分布的主要因素，其中尺寸高度影響最為顯著，尺寸高度單一因素作用下，質(zhì)量塊上加速度均勻性隨高度的增高而增大。

3）重質(zhì)合金材料具有較好的加速度分布均勻性和頻率響應(yīng)，在動(dòng)態(tài)力傳感器校準(zhǔn)中可提高校準(zhǔn)準(zhǔn)確度。

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陳東，男，工學(xué)碩士，工程師，主要從事力學(xué)計(jì)量檢測(cè)工作。

鄭術(shù)力，男，高級(jí)工程師，全國(guó)振動(dòng)沖擊轉(zhuǎn)速計(jì)量技術(shù)委員會(huì)委員，主要從事力學(xué)聲學(xué)計(jì)量檢測(cè)研究工作。

表5 實(shí)際樣品的分析結(jié)果

5 結(jié)論

X射線熒光光譜法分析技術(shù)隨著時(shí)代的發(fā)展也在慢慢完善，不僅可以應(yīng)用于冶金、地質(zhì)、化工、機(jī)械、石油、建材等工業(yè)部門，以及物理、化學(xué)、生物、地學(xué)、環(huán)境科學(xué)、考古學(xué)等學(xué)科；還可用于測(cè)定涂層和金屬薄膜的厚度和組成以及動(dòng)態(tài)分析等研究。它以其高選擇性，高靈敏度，可以連續(xù)測(cè)定微量元素，而且檢出限低，測(cè)定速度快，在各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，是今后分析技術(shù)中必不可少的一部分。

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作者簡(jiǎn)介

陳曉慧（1979-），女，工學(xué)碩士、工程師，從事材料分析及相關(guān)檢測(cè)技術(shù)工作。

The Inf uence Characteristics of Mass in Dynamic Transducer Calibration

CHEN Dong, ZHENG Shu-li
（The 5th Electronics Research Institute of the Ministry of Industry and Information Technology, Guangzhou 510610）

Calibration mass is the key component in dynamic force transducer calibration. The uniformity of the acceleration distribution directly affects the calibration accuracy. In this paper, based on the finite element analysis method and the contrast experiment method, the influences of shape size, density, elastic modulus and modulus on acceleration distribution uniformity are studied; and the influence characteristics of each factor are given. The experiment results indicate that improvements are possible in dynamic force transducer calibration by using heavy alloy mass.

mass; acceleration distribution; dynamic force transducer; calibration

TB936

A

1004-7204（2015）01-0028-04