楊 霖 鄭術(shù)力

(工業(yè)和信息化部電子第五研究所,廣州510610)

用于直升機(jī)現(xiàn)場計量的低頻振動校準(zhǔn)技術(shù)

楊 霖 鄭術(shù)力

(工業(yè)和信息化部電子第五研究所,廣州510610)

本文面向直升機(jī)健康與使用監(jiān)測系統(tǒng)(HUMS)的現(xiàn)場計量保障需求,針對其中振動傳感器在低頻段尚無法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場校準(zhǔn)的現(xiàn)狀,提出了基于直線電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的便攜式低頻振動校準(zhǔn)技術(shù)方案。該方案利用高精度直線電機(jī)構(gòu)造低頻標(biāo)準(zhǔn)振動源,采用穩(wěn)定性高的石英撓性加速度計作為標(biāo)準(zhǔn)加速度計,具有體積小、精度高、現(xiàn)場環(huán)境適應(yīng)性好的特點(diǎn),非常適用直升機(jī)HUMS的現(xiàn)場計量保障。根據(jù)不確定度評估結(jié)果,該方案能夠?qū)崿F(xiàn)0.5Hz～20Hz頻率范圍,0.01m/s2～20m/s2加速度范圍內(nèi)不超過1%的校準(zhǔn)不確定度(k=2)。

健康與使用監(jiān)測系統(tǒng) 加速度計 低頻振動 現(xiàn)場校準(zhǔn) 直線電機(jī)

1 引 言

直升機(jī)是近地、近海低空作戰(zhàn)中不可或缺的重要空中力量。如圖1所示,直升機(jī)在使用過程中,旋翼、尾槳、發(fā)動機(jī)、傳動裝置等旋轉(zhuǎn)運(yùn)動部件要產(chǎn)生交變載荷,引起機(jī)體結(jié)構(gòu)的受迫振動。機(jī)體結(jié)構(gòu)的受迫振動會給直升機(jī)的使用帶來嚴(yán)重后果:如主要零部件、燃油動力系統(tǒng)的振動疲勞失效,機(jī)載裝備因產(chǎn)生振動而功能失效或失準(zhǔn),座艙的受迫振動影響駕駛員和乘員的舒適性等[1]。因此,對直升機(jī)振動水平進(jìn)行監(jiān)測及控制有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

為了監(jiān)控一些影響飛行安全的參數(shù),現(xiàn)代直升機(jī)上都裝備有健康與使用監(jiān)測系統(tǒng)(Health and Usage Monitoring System,HUMS)。一般在HUMS中有數(shù)十個加速度計來監(jiān)測、記錄直升機(jī)旋翼、發(fā)動機(jī)、傳動系統(tǒng)及機(jī)體等關(guān)鍵部位的振動水平[2]。鑒于旋翼主槳的低頻振動是直升機(jī)整體振動的主要來源[2],這些加速度計的工作頻率下限均要求能達(dá)到如1Hz甚至更低的頻率值,因而在低頻段對這些加速度計進(jìn)行計量校準(zhǔn)是保障直升機(jī)飛行安全、作戰(zhàn)性能及座艙舒適性的關(guān)鍵內(nèi)容。

盡管加速度計的校準(zhǔn)有成熟的技術(shù)方案,然而據(jù)我們所知,受限于現(xiàn)有低頻振動臺的加速度輸出幅值及測量信噪比,目前針對直升機(jī)HUMS加速度計的低頻校準(zhǔn)均在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行,尚無法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場校準(zhǔn)。而實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)往往存在計量周期長的問題,嚴(yán)重影響裝備的訓(xùn)練計劃和快速響應(yīng)能力,因而需要周期更短的現(xiàn)場計量的保障方式。

為了解決現(xiàn)有直升機(jī)裝備低頻振動現(xiàn)場計量需求無法得到滿足的問題,本文提出了一種便攜式低頻振動校準(zhǔn)系統(tǒng)的技術(shù)方案,通過利用直線電機(jī)作為驅(qū)動源構(gòu)造緊湊型低頻標(biāo)準(zhǔn)振動臺,結(jié)合低噪聲、高穩(wěn)定性的石英撓性加速度計作為標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器,開發(fā)一種能夠輸出高加速度、低失真波形,適用現(xiàn)場計量的低頻振動校準(zhǔn)裝置。

2 校準(zhǔn)技術(shù)方案

2.1 總體技術(shù)方案

根據(jù) JJG 233—2008《壓電加速度計檢定規(guī)程》[3]的相關(guān)要求,直升機(jī)上HUMS系統(tǒng)的加速度計作為工作用傳感器,可采用比較法進(jìn)行計量檢定。據(jù)此我們可以制定本文所提出的低頻振動校準(zhǔn)系統(tǒng)的總體方案,其組成結(jié)構(gòu)如圖 2所示。

如圖2所示,比較法低頻振動校準(zhǔn)系統(tǒng)主要由標(biāo)準(zhǔn)加速度計套組(標(biāo)準(zhǔn)加速度計與信號適調(diào)器)、低頻標(biāo)準(zhǔn)振動臺(包括振動臺體及其控制部分)、數(shù)據(jù)采集與分析模塊(包括數(shù)據(jù)采集卡與分析軟件)三部分組成。該校準(zhǔn)系統(tǒng)的一般測量方法描述如下。

標(biāo)準(zhǔn)加速度計與被檢加速度計背靠背剛性連接,安裝在振動臺的臺面上,兩加速度計的靈敏軸方向與振動臺運(yùn)動方向在一條直線上。上位機(jī)PC通過控制信號發(fā)生器產(chǎn)生一正弦信號,驅(qū)動振動臺進(jìn)行單頻穩(wěn)態(tài)正弦往復(fù)運(yùn)動。標(biāo)準(zhǔn)加速度計與被檢加速度計對振動臺的同一振動參量產(chǎn)生響應(yīng),其輸出分別經(jīng)兩精密信號適調(diào)器放大調(diào)理后輸入到一兩通道的數(shù)據(jù)采集模塊,數(shù)據(jù)采集模塊通過對兩路電壓信號進(jìn)行采樣后傳輸?shù)缴衔粰C(jī)PC進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理,結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)加速度計的靈敏度計算得到被檢加速度計的靈敏度測量值。

將上述過程寫成數(shù)學(xué)表達(dá)式,則被檢加速度計的靈敏度可以表達(dá)為:

式中:S1,S2——標(biāo)準(zhǔn)加速度計和被檢加速度計的靈敏度幅值;X1,X2——標(biāo)準(zhǔn)加速度計和被檢加速度計的輸出電壓值(同為最大值、有效值或頻譜幅值)。標(biāo)準(zhǔn)加速度計的靈敏度幅值S1一般由絕對法校準(zhǔn)得到。

為了便于下文對整個校準(zhǔn)系統(tǒng)的不確定度進(jìn)行評估,此處我們根據(jù)現(xiàn)場計量的需求對校準(zhǔn)系統(tǒng)各部分進(jìn)行了初步選型,其方案見表1。

表1 低頻振動校準(zhǔn)系統(tǒng)各部分初步選型方案

2.2 標(biāo)準(zhǔn)加速度計套組方案

在表1中,校準(zhǔn)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)加速度計套組擬采用定制的高精度石英撓性加速度計。石英撓性加速度計是目前國內(nèi)外水平最高的加速度計,在各類裝備、神舟系列飛船、探月工程等重大工程任務(wù)中均有廣泛使用,其工作原理如圖3所示。

如圖3所示,石英撓性加速度計是一個機(jī)電結(jié)合的慣性器件,系統(tǒng)主要由以下幾部分組成:a)檢測質(zhì)量擺組件,當(dāng)感受到載體加速度時能產(chǎn)生慣性力; b)電磁力矩器;c)差動電容傳感器,傳感到檢測質(zhì)量做功時,其間電容值發(fā)生的變化;d)電子放大器。

當(dāng)沿加速度計的輸入軸方向有加速度a作用時,由撓性擺和力矩線圈組成的檢測質(zhì)量塊將由于慣性作用相對于平衡位置發(fā)生微小偏轉(zhuǎn),從而產(chǎn)生慣性力Fa或慣性力矩,則差動電容器間距發(fā)生改變導(dǎo)致電容量發(fā)生變化,再通過伺服放大器電路檢測這一變化并變換成相應(yīng)的輸出電流信號,電流信號被饋送到處于恒定磁場中的力矩器而產(chǎn)生反饋力Fb或反饋力矩,與輸入加速度引起的慣性力Fa或慣性力矩相平衡,直到再次恢復(fù)到平衡位置,電流大小通過檢測采樣電阻兩端電壓而得出。

石英撓性加速度計測量噪聲小、精度高、靈敏度優(yōu),常用于高精度慣性導(dǎo)航、地震測量及鉆井傾斜測量等需求場合,是作為振動計量標(biāo)準(zhǔn)器的良好選擇。此外,通過使用溫度誤差補(bǔ)償技術(shù),石英撓性加速度計的溫度系數(shù)可以控制在很小的量級,溫度穩(wěn)定性大大提升,環(huán)境適應(yīng)性大大增強(qiáng),非常適合直升機(jī)現(xiàn)場計量溫度條件變化大的使用場景。

2.3 低頻標(biāo)準(zhǔn)振動臺方案

2.3.1 低頻標(biāo)準(zhǔn)振動臺的研制特點(diǎn)

與中高頻振動計量不同,一般來說,低頻振動計量的難點(diǎn)在于如何提高傳感器的信噪比。鑒于振動臺的振幅存在上限,當(dāng)振動頻率較低時,最大加速度幅值也隨之較小,使得傳感器的測量信噪比偏低,校準(zhǔn)精度不能保證。因此,對低頻標(biāo)準(zhǔn)振動臺來說,增大振幅/行程可認(rèn)為是提高低頻校準(zhǔn)精度的最有效的手段。

對低頻標(biāo)準(zhǔn)振動臺而言,大行程的運(yùn)動特點(diǎn)使得其擁有特定的研制難點(diǎn)。按驅(qū)動原理劃分,低頻標(biāo)準(zhǔn)振動臺的現(xiàn)有設(shè)計方案主要分為兩類:電磁型和電機(jī)型。如圖4所示,對于電磁型振動臺來說,大行程的特點(diǎn)使得其長氣隙內(nèi)磁場分布不均勻,從而增加了振動臺運(yùn)動控制的復(fù)雜度和臺體結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工方面的困難。

而對于電機(jī)型振動臺而言,如圖5所示,鑒于直線電機(jī)內(nèi)部磁場可以無限延展,其不存在由大行程帶來的研制難點(diǎn),只需克服直線電機(jī)內(nèi)部磁場局部不平順帶來的推力波動的問題,而該問題已隨近年來直線電機(jī)的工藝及控制技術(shù)的快速發(fā)展而得到解決。

2.3.2 低頻標(biāo)準(zhǔn)振動臺的技術(shù)方案

針對以上低頻標(biāo)準(zhǔn)振動臺的研制特點(diǎn),我們可以分析得出,從直升機(jī)裝備的現(xiàn)場計量實(shí)際需求出發(fā),電機(jī)型方案相比電磁型方案有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn):

1)電機(jī)型方案磁場均勻,行程可以做大。而對同樣的大行程,電磁型方案振動臺的研制難度則大得多。考慮到直升機(jī)現(xiàn)場的工作環(huán)境較復(fù)雜,現(xiàn)場計量不僅要求振動臺具有好的自穩(wěn)定和抗干擾特性,而且需要振動臺能夠有較大的行程,輸出大的加速度幅值從而提高傳感器的測量信噪比,保障計量校準(zhǔn)的精度。

2)電機(jī)型方案控制簡單,研制難度低。相比電磁型方案因?yàn)閺?fù)雜的機(jī)電耦合模型和非均勻的磁場分布而導(dǎo)致的研制困難,電機(jī)型方案直接采用較為成熟先進(jìn)的直線電機(jī)產(chǎn)品作為振動臺臺面的直接驅(qū)動源,控制簡單方便。

3)選用U型槽結(jié)構(gòu)的電機(jī),電機(jī)型方案的推力波動可以控制在很小。針對直線電機(jī)存在的局部磁場不平順、推力波動的問題,采用磁鐵間距較小的U型槽直線電機(jī),磁場局部不平順大大改善,加上線圈動子的無鐵芯設(shè)計,齒槽效應(yīng)不明顯,輸出推力波動大大減小。

圖6所示為我們選定的電機(jī)型低頻標(biāo)準(zhǔn)振動臺方案的結(jié)構(gòu)組成。從圖中我們可以看出,該振動臺系統(tǒng)主要由直線電機(jī)、導(dǎo)軌及運(yùn)動平臺、直線編碼器(光柵尺)、驅(qū)動器、控制器等部分組成。其中直線電機(jī)與直線編碼器均安裝在導(dǎo)軌內(nèi)部,運(yùn)動平臺與直線電機(jī)動子相連,其上設(shè)計有夾具安裝孔,用來與安裝加速度計傳感器的夾具(圖6中未畫出)相連。驅(qū)動器與直線電機(jī)、直線編碼器相連,結(jié)合計算機(jī)與控制器實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動臺(直線電機(jī)動子)位移的精確控制。

根據(jù)圖6所示設(shè)計方案,直線電機(jī)導(dǎo)軌運(yùn)動臺尺寸預(yù)計不超過40cm×15cm×10cm,整個校準(zhǔn)系統(tǒng)預(yù)計不超過60cm×40cm×25cm,單一儀器箱可以容納,方便現(xiàn)場計量使用。

直線電機(jī)位移伺服控制原理如圖7所示,伺服控制系統(tǒng)的被控對象為直線電機(jī);檢測單元為電流傳感器、位置傳感器及其信號調(diào)理電路等;控制器為位置、速度和電流三閉環(huán)控制器;執(zhí)行單元為直線電機(jī)驅(qū)動器的功率驅(qū)動電路等。通過電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)共三層的閉環(huán)反饋控制,可以實(shí)現(xiàn)對直線電機(jī)推力、速度、位移的實(shí)時精確控制。

伺服控制系統(tǒng)的核心就是控制器的設(shè)計,而控制器中常用的控制算法是根據(jù)偏差進(jìn)行控制的PID控制算法[4]。典型的數(shù)字PID算法可由式(2)表示:

式中:e(k)——系統(tǒng)第k次輸入偏差;e(k-1)——系統(tǒng)第k-1次輸入偏差;u(k)——系統(tǒng)第k次輸出;KP,KI,KD——比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。

數(shù)字PID的參數(shù)設(shè)置對伺服控制系統(tǒng)的性能有很大影響,通常,伺服系統(tǒng)的控制器可以選擇P控制器、PI控制器、PD控制器和PID控制器。根據(jù)被控對象的特點(diǎn)以及控制精度等要求確定采用何種控制器。在運(yùn)動伺服控制系統(tǒng)中最常用的是PI控制器,PI控制器具有較好的動態(tài)特性并且能夠消除穩(wěn)態(tài)誤差,能夠滿足大部分運(yùn)動控制系統(tǒng)性能要求。

在本文所提出的低頻標(biāo)準(zhǔn)振動臺方案中,其運(yùn)動控制所輸出的是正弦往復(fù)運(yùn)動,位移、速度、加速度三者均為連續(xù)交變的正弦曲線,因而對伺服運(yùn)動控制系統(tǒng)中的位置控制、速度控制、電流控制三個控制器均應(yīng)設(shè)定合適的PID調(diào)節(jié)參數(shù),以消除穩(wěn)態(tài)誤差并保持良好的動態(tài)特性。具體的PID參數(shù)需要在實(shí)際測試中反復(fù)調(diào)節(jié)選定。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證本文提出的低頻振動校準(zhǔn)系統(tǒng)的技術(shù)方案可行,我們對其中的低頻標(biāo)準(zhǔn)振動臺的部分技術(shù)性能進(jìn)行了初步的驗(yàn)證。

我們以Newport公司的IDL225直線電機(jī)運(yùn)動臺測試樣機(jī)作為研究樣品,進(jìn)行初步的正弦往復(fù)運(yùn)動測試。如圖8所示,給定直線電機(jī)的位移輸入為頻率0.4Hz、振幅100mm的正弦運(yùn)動曲線,對直線電機(jī)進(jìn)行伺服運(yùn)動控制,運(yùn)動臺實(shí)際位移如圖8(a),通過光柵尺進(jìn)行測量,并通過兩次求導(dǎo)得到加速度測量曲線如圖8(c)。

根據(jù) JJG 298—2015《標(biāo)準(zhǔn)振動臺檢定規(guī)程》[5],振動臺的加速度諧波失真度γ定義為:

式中:a1——基波的加速度幅值;ai——i次諧波的加速度幅值(i=2,3,4,5)。

根據(jù)以上定義,加速度曲線的高頻噪聲(高于5次諧波)不會對振動臺的加速度諧波失真度產(chǎn)生影響。據(jù)此,由圖8(c)和圖8(d)中的數(shù)據(jù)可以算得,振動臺的加速度諧波失真度為0.96%,遠(yuǎn)小于JJG 298—2015規(guī)定的10%的技術(shù)指標(biāo)。

除此之外,我們還對上述測試樣機(jī)在2Hz和20Hz正弦往復(fù)運(yùn)動下的數(shù)據(jù)進(jìn)行了測試,其結(jié)果如圖9和圖10所示。

根據(jù)式(3)的定義,我們可以計算得到2Hz(圖9)和20Hz(圖10)時正弦往復(fù)運(yùn)動的加速度諧波失真度分別為0.86%和4.63%,同樣小于JJG 298—2015規(guī)定的10%的技術(shù)指標(biāo)。

由此可以說明,采用直線電機(jī)作為低頻標(biāo)準(zhǔn)振動臺的技術(shù)方案在實(shí)施上是可行的,本文提出的電機(jī)型低頻標(biāo)準(zhǔn)振動臺方案是可以滿足表1所給出的低頻標(biāo)準(zhǔn)振動臺的指標(biāo)要求的。

4 校準(zhǔn)不確定度評估

結(jié)合表1給出的系統(tǒng)各部分的選型方案,我們可以對校準(zhǔn)系統(tǒng)的不確定度進(jìn)行整體評估。根據(jù)JJG 233—2008和JJG 298—2015檢定規(guī)程所列相關(guān)誤差項,可以分析得出低頻振動校準(zhǔn)系統(tǒng)總體校準(zhǔn)不確定度主要有如下分量:

1)讀數(shù)的重復(fù)性

該部分可由被測加速度計的10次獨(dú)立重復(fù)測量結(jié)果求得。一般情況下,我們可以估計該部分的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1不超過0.1%。

2)標(biāo)準(zhǔn)加速度計套組的靈敏度引入的不確定度

表1中選用的主標(biāo)準(zhǔn)器為定制的石英撓性加速度計,經(jīng)校準(zhǔn)后其精度指標(biāo)可以達(dá)到:參考點(diǎn)擴(kuò)展不確定度(k=2)為0.2%,通頻帶擴(kuò)展不確定度(k= 2)為0.4%。因此,我們可以估計該部分的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2不超過:

3)數(shù)據(jù)采集精度引入的不確定度

根據(jù)Brüel&Kjaer公司的PULSE采集分析模塊的出廠指標(biāo),其單通道的電壓采集精度為0.2%,則我們可以估計該部分的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u3不超過:

4)標(biāo)準(zhǔn)臺臺面失真度引入不確定度

根據(jù)表1給出的標(biāo)準(zhǔn)振動臺的技術(shù)指標(biāo),整個頻率范圍內(nèi),其加速度諧波失真度γ不超過10%。按照GB/T 20485.21—2007附錄D給出的不確定度計算方法,我們可以估計該部分的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u4不超過:

5)橫向振動引入的不確定度

根據(jù)表1給出的標(biāo)準(zhǔn)振動臺的技術(shù)指標(biāo),標(biāo)準(zhǔn)臺的橫向運(yùn)動比不超過10%,標(biāo)準(zhǔn)加速度計的最大橫向靈敏度比不大于2%,360°合成方差,按均勻分布,則可以估計該部分的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u5不超過:

6)溫度、基座應(yīng)變、磁場、安裝扭矩和其他環(huán)境因素引入的不確定度

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定各項影響的極限為0.2%,按均勻分布,則可以估計該部分的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u6不超過:

7)標(biāo)準(zhǔn)套組的年穩(wěn)引入的不確定度

根據(jù)主標(biāo)準(zhǔn)器的定制指標(biāo),振動標(biāo)準(zhǔn)套組年穩(wěn)小于0.5%,假設(shè)正態(tài)分布,則該部分的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u7不超過:

5 結(jié)束語

本文結(jié)合直升機(jī)HUMS系統(tǒng)現(xiàn)場計量保障的需求,針對其中加速度傳感器在低頻段無法現(xiàn)場校準(zhǔn)的現(xiàn)狀,提出了基于直線電機(jī)的低頻振動現(xiàn)場校準(zhǔn)專用系統(tǒng)的研制技術(shù)方案。通過實(shí)驗(yàn)與不確定度評估初步驗(yàn)證,該方案能夠?qū)崿F(xiàn)0.5Hz～20Hz頻率范圍,0.01m/s2～20m/s2加速度范圍內(nèi)不超過1%的校準(zhǔn)擴(kuò)展不確定度(k=2)。

[1] 尹春望,童國榮.直升機(jī)振動水平控制技術(shù)途徑探討[J].直升機(jī)技術(shù),2009,4:26～30.

[2] 曾烈田.直升機(jī)振動監(jiān)測分析[J].科技致富向?qū)? 2013,35:142.

[3] 全國振動沖擊轉(zhuǎn)速計量技術(shù)委員會.JJG 233—2008,壓電加速度計[S].北京:中國計量出版社,2008.

[4] Ang K H,Chong G,Li Y.PID control system analysis, design,and technology[J].IEEE T Contr Syst T,2005, 13(4):559～576.

[5] 全國振動沖擊轉(zhuǎn)速計量技術(shù)委員會.JJG 298—2015,標(biāo)準(zhǔn)振動臺[S].北京:中國質(zhì)檢出版社,2015.

On-site Calibration Technique for Helicopter Vibration Sensors in Low Frequency Range

YANG Lin ZHENG Shu-li
(China Electronic Product Reliability and Environmental Testing Research Institute,Guangzhou 510610,China)

This paper presents a technique to fill the void in on-site calibration of accelerometers in helicopter health and usage monitoring systems(HUMS)within low frequency range.The technique employs a compact linear-motor-driven reference vibration exciter and a thermo-stabilized quartz flexible accelerometer to construct a portable,precise,and stable calibrating apparatus,which is quite fit for the onsite calibration of helicopter HUMS.According to the uncertainty estimation and calculation,an expanded calibrating uncertainty(k=2)of no more than 1%is expected of the apparatus over the frequency range of 0.5 Hz～20 Hz and the acceleration range of 0.01 m/s2～20 m/s2.

Health and usage monitoring systems Accelerometers Vibration in low frequency range On-site calibration Linear motor

1000-7202(2017)01-0048-07

TB936

A

2016-07-15,

2017-02-23

楊霖(1988-),男,工程師,博士,主要研究方向:振動和微納米計量技術(shù)。