劉玉蓓 丁文祺 尹 偉 王志成 張 健

(北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076)

一種連桿裝置載荷測試系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

劉玉蓓 丁文祺 尹 偉 王志成 張 健

(北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076)

介紹了一種連桿裝置載荷測試系統(tǒng)。某大型火箭芯級與助推器的連接采用了三支點(diǎn)超靜定捆綁方式,為了充分了解這一新型捆綁連接結(jié)構(gòu)在火箭大型地面試驗(yàn)和發(fā)射前加注過程中的載荷變化情況，開發(fā)設(shè)計(jì)了捆綁連桿載荷監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用了多路模擬開關(guān)及掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多通道數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，同時(shí)編制數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理軟件對采集到的電壓信號進(jìn)行分析處理。通過對該系統(tǒng)的標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)載荷的測量。文章介紹了系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)原理和系統(tǒng)的兩種工作狀態(tài)。通過對箭上使用的連桿進(jìn)行標(biāo)定，得到連桿受力和系統(tǒng)輸出的關(guān)系，通過標(biāo)準(zhǔn)載荷試驗(yàn)驗(yàn)證，線性誤差在系統(tǒng)允許范圍內(nèi)。該系統(tǒng)載荷測量準(zhǔn)確，可以用于火箭各種大型地面試驗(yàn)中捆綁連桿的載荷測量。

捆綁連桿 超靜定捆綁 模擬開關(guān)電路 非線性

1 引 言

隨著我國中大型火箭不斷研制開發(fā)，火箭推力的需求也隨之增加，火箭芯級與助推的捆綁方式也隨之有了新的改變。某新型火箭采用了新型的三支點(diǎn)超靜定捆綁裝置，此捆綁方式的受力情況復(fù)雜，理論計(jì)算值與實(shí)際受力狀態(tài)存在差異，因此需要對火箭在發(fā)射飛行過程中捆綁點(diǎn)各支點(diǎn)受力和載荷變化情況做出深入了解，以便判斷三支點(diǎn)超靜定捆綁裝置載荷變化規(guī)律，為連桿預(yù)緊力的控制提供依據(jù)。所以在助推器分離試驗(yàn)、連桿傳力試驗(yàn)、火箭加注等大型地面試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)對連桿載荷的監(jiān)測具有重要意義。

火箭芯級與助推器的連接依靠連桿裝置綁定：捆綁連桿通過兩端耳片和球軸與芯級和助推器捆綁支座連接，在一定角度范圍內(nèi)連桿可繞兩個(gè)球軸自由旋轉(zhuǎn)。在外載作用下，連桿僅承受軸向力作用。一般情況下，載荷大小通過載荷傳感器來測量，由于火箭的特殊性，不可能在連桿上專門連接一個(gè)載荷傳感器來測量連桿所受載荷[1]。為了測量連桿載荷，在連桿上粘貼應(yīng)變片組成全橋，通過測量全橋的輸出與載荷的關(guān)系，來實(shí)現(xiàn)連桿載荷的測量。因此，需要研制出一種可以測試連桿載荷變化情況的測試系統(tǒng)，能夠測量連桿上全橋傳感器的輸出電壓[1～4]，并將電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為連桿所受的軸向力?；鸺兴膫€(gè)助推器，每個(gè)助推器有上、中兩個(gè)捆綁點(diǎn)。上捆綁點(diǎn)位于芯級和助推氧箱前短殼處；中捆綁點(diǎn)位于芯一級和助推的箱間段處。每個(gè)助推器的上、中捆綁裝置均由三根連桿組成，4個(gè)助推器共計(jì)24根連桿，每根連桿上有2個(gè)傳感器，因此要求測量系統(tǒng)有48路輸入通道。每個(gè)傳感器需要有外部提供的獨(dú)立的5V激勵(lì)電壓，每個(gè)傳感器輸出與載荷成正比例變化的0～5V的直流電壓信號。在系統(tǒng)使用前，需要通過靜載標(biāo)定得出系統(tǒng)的電壓輸出和載荷之間的對應(yīng)關(guān)系，并形成數(shù)據(jù)庫。在試驗(yàn)中能夠通過軟件實(shí)時(shí)的顯示傳感器輸出電壓，并實(shí)時(shí)地將輸出電壓轉(zhuǎn)換為連桿所受的載荷。

2 系統(tǒng)工作狀態(tài)

捆綁連桿載荷監(jiān)測系統(tǒng)使用時(shí)分為兩個(gè)狀態(tài)，地面試驗(yàn)工作狀態(tài)和飛行工作狀態(tài)。兩種工作狀態(tài)簡圖見圖1和圖2。

2.1地面試驗(yàn)工作狀態(tài)

地面試驗(yàn)工作狀態(tài)如圖1所示。先將輸入電纜接入圖4的接口7，連桿上的應(yīng)變傳感器輸出的弱電信號由信號變送器調(diào)理成伏級電壓信號，并通過電纜將該伏級電壓信號傳送至圖4中地面采集儀A/D轉(zhuǎn)換卡，將電壓信號變?yōu)閿?shù)字信號，最后通過高速以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸至測量計(jì)算機(jī)，并通過測量軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、捆綁連桿載荷計(jì)算、載荷實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)存儲打印等功能。

2.2飛行時(shí)工作狀態(tài)

飛行時(shí)工作狀態(tài)如圖2所示。箭上應(yīng)變傳感器輸出的弱電信號由箭上變送器調(diào)理成伏級電壓信號，由箭上遙測系統(tǒng)接收該伏級信號。對于箭上信號的處理有在線和離線兩種處理方式。在線方式：測試軟件通過箭上遙測系統(tǒng)分配的數(shù)據(jù)端口，直接從箭上遙測系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取各個(gè)傳感器的電壓數(shù)據(jù)，將傳感器的電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為連桿實(shí)時(shí)載荷。離線方式：箭上遙測系統(tǒng)將獲取的電壓數(shù)據(jù)存儲到光盤上，待發(fā)射完成后，通過測量計(jì)算機(jī)上的采集計(jì)算軟件讀取光盤上的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對捆綁連桿載荷計(jì)算、載荷實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)存儲打印等功能。

3 監(jiān)測系統(tǒng)的硬件、軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

該載荷監(jiān)測系統(tǒng)地面設(shè)備架構(gòu)如圖3所示。由網(wǎng)絡(luò)采集卡A/D轉(zhuǎn)換后將電壓信號變?yōu)閿?shù)字信號，直接通過高速以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸至測試計(jì)算機(jī)，并通過專用測試軟件完成相應(yīng)功能。同時(shí)，系統(tǒng)地面設(shè)備為箭上載荷傳感器供電。為解決因火箭尺寸巨大數(shù)據(jù)線太長問題，捆綁連桿載荷監(jiān)測系統(tǒng)采用基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸方式。

3.1監(jiān)測設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)備使用模擬開關(guān)技術(shù)和同步掃描技術(shù)解決采集60通道模擬數(shù)據(jù)信號的同步問題。配備計(jì)算機(jī)與采集板卡通訊，進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。地面監(jiān)測系統(tǒng)硬件具體實(shí)施方法如圖4所示。

系統(tǒng)由捆綁連桿載荷監(jiān)測地面采集儀和安裝有載荷監(jiān)測專用軟件的計(jì)算機(jī)8組成。地面采集儀主要由圖4中的1～7組成。

系統(tǒng)連接： 220V交流電由電源插座6進(jìn)入到電源模塊3，電源模塊提供采集板卡1和多路模擬開關(guān)2的電源；地線接線柱5與電源插座6的地連接；網(wǎng)絡(luò)接口4與采集板卡1上的網(wǎng)口連接；外部信號通過監(jiān)測系統(tǒng)信號輸入接口7接入設(shè)備，多路輸入信號由信號線進(jìn)入多路模擬開關(guān)2，多路模擬開關(guān)2的輸出經(jīng)連接采集板卡1的信號線進(jìn)入采集卡，由采集卡將信號進(jìn)行A/D變換后采集；同時(shí)多路模擬開關(guān)2的控制信號由采集板卡1通過控制線提供；最后地面采集儀的網(wǎng)口4通過網(wǎng)線與計(jì)算機(jī)8的網(wǎng)口連接，由計(jì)算機(jī)8上的專用軟件實(shí)現(xiàn)信號采集和數(shù)據(jù)計(jì)算分析。

3.2監(jiān)測設(shè)備專用軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

捆綁連桿載荷監(jiān)測系統(tǒng)軟件是用于監(jiān)測和計(jì)算連桿載荷的專用軟件。軟件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和信息流見圖5。該軟件主要功能包含以下幾部分：系統(tǒng)標(biāo)定、傳感器標(biāo)定；傳感器通道及參數(shù)配置；地面測試和數(shù)據(jù)處理；遙測數(shù)據(jù)在線和離線處理。

在傳感器標(biāo)定或者箭上連桿受力時(shí)，傳感器的輸出電壓經(jīng)過變送器傳送至地面采集設(shè)備，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，計(jì)算機(jī)通過LAN接口將數(shù)字電壓信號采入。軟件采集傳感器信號，并結(jié)合傳感器設(shè)備連接表、標(biāo)定數(shù)據(jù)庫、離線數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)處理模塊將電壓信號處理為載荷信號。其中數(shù)據(jù)處理模塊分為以下三個(gè)部分：標(biāo)定數(shù)據(jù)處理、地面測試數(shù)據(jù)處理、遙測數(shù)據(jù)處理。

標(biāo)定數(shù)據(jù)處理：對連桿施加設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)載荷，軟件采集到連桿上傳感器輸出的電壓信號后，按照載荷和電壓的數(shù)據(jù)，用最小二乘法進(jìn)行擬合，得到傳感器的載荷和電壓的標(biāo)定數(shù)據(jù)庫和靈敏度。并將該數(shù)據(jù)庫和靈敏度存入軟件的參數(shù)文件中。

地面測試數(shù)據(jù)處理：在連桿傳力試驗(yàn)、連桿靜力試驗(yàn)、助推器分離大型試驗(yàn)中，利用地面測試設(shè)備和測試軟件，調(diào)用傳感器標(biāo)定庫，實(shí)時(shí)地監(jiān)測記錄各個(gè)連桿所受載荷，并能夠在試驗(yàn)完成后對數(shù)據(jù)進(jìn)行回放和處理。

遙測數(shù)據(jù)處理：火箭飛行過程中遙測系統(tǒng)提供的遙測數(shù)據(jù)分為光盤數(shù)據(jù)和在線數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)格式不同，因此需要對不同的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行讀取，并調(diào)用連桿和傳感器的對應(yīng)連接關(guān)系，調(diào)用傳感器對應(yīng)的標(biāo)定數(shù)據(jù)庫和靈敏度來計(jì)算載荷，并對載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行離線回放和計(jì)算。

4 標(biāo)定和驗(yàn)證

系統(tǒng)在使用前需要進(jìn)行兩次標(biāo)定：(1)在采集傳感器電壓信號前，需要用標(biāo)準(zhǔn)信號對系統(tǒng)的輸入進(jìn)行標(biāo)定，以保證系統(tǒng)的精度滿足要求。(2)連桿上傳感器粘貼后，需要對連桿施加標(biāo)準(zhǔn)載荷，得到標(biāo)準(zhǔn)載荷和計(jì)算機(jī)采集到的傳感器輸出電壓之間的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)這些數(shù)據(jù)擬合成正比例函數(shù)，根據(jù)函數(shù)將傳感器的輸出反算出載荷，與標(biāo)準(zhǔn)載荷進(jìn)行對比，計(jì)算反算載荷和標(biāo)準(zhǔn)載荷的誤差是否符合設(shè)計(jì)要求。

4.1系統(tǒng)標(biāo)定

系統(tǒng)共有60個(gè)電壓輸入通道，用于采集各個(gè)連桿上全橋載荷傳感器的輸出電壓。通道的輸入電壓范圍是(0V～5V)。為了驗(yàn)證采集系統(tǒng)的測量精度和線性度，用標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變儀組成全橋，通過改變標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變儀的應(yīng)變值，來模擬連桿上全橋載荷傳感器在載荷作用下的電壓輸出。表1為不同應(yīng)變下某通道的輸出電壓。零級差是各級應(yīng)變下全橋的輸出電壓與零載荷下的輸出電壓差。

表1 應(yīng)變與系統(tǒng)輸入關(guān)系表

從表1中可以看出，在應(yīng)變按照一定間隔變化時(shí)，由標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變儀組成的全橋輸出電壓按照比例變化，最大偏差為8mv，線性度為0.16%，滿足系統(tǒng)所要求的0.5%誤差。通過對其他59個(gè)通道的測試，誤差最大為10mv，線性度和精度完全滿足設(shè)計(jì)要求，因此可以用于載荷的測量。

4.2傳感器標(biāo)定

在測量捆綁連桿受載荷時(shí)，由于應(yīng)變片電阻存在偏差，組橋引線、粘貼工藝的隨機(jī)性，每個(gè)傳感器的電壓和載荷的關(guān)系，也就是靈敏度都會有一定的離散型。因此需要對每個(gè)傳感器進(jìn)行單獨(dú)標(biāo)定，得到其靈敏度，最終形成傳感器數(shù)據(jù)庫。在地面試驗(yàn)和箭上發(fā)射時(shí)能夠準(zhǔn)確的調(diào)用數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對載荷的精確測量。

按照捆綁連桿設(shè)計(jì)和使用載荷以及連桿標(biāo)定流程，設(shè)計(jì)實(shí)施了標(biāo)定試驗(yàn)。因在火箭發(fā)射過程中捆綁連桿受到軸向拉力或壓力，所以拉壓方向各選取13個(gè)固定值(5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、63kN),取一根連桿(帶傳感器)，通過標(biāo)準(zhǔn)加載設(shè)備對捆綁連桿上的傳感器進(jìn)行加載試驗(yàn)，得到標(biāo)準(zhǔn)載荷F0(kN)與捆綁連桿形變產(chǎn)生的輸出電壓V(mV)間的對應(yīng)關(guān)系。對F0(kN)與輸出電壓V(mV)用最小二乘法擬和，得到式(1)。

F=0.120 17V

(1)

再次對連桿進(jìn)行加載，將輸出電壓帶入式(1),得到傳感器的計(jì)算載荷F。將標(biāo)準(zhǔn)載荷F0與計(jì)算載荷F比較，得到載荷偏差。圖6是所有標(biāo)定級別下標(biāo)準(zhǔn)載荷與計(jì)算載荷的載荷偏差圖。

由圖6可以看出，通過式(1)計(jì)算出的計(jì)算載荷和標(biāo)準(zhǔn)載荷間的最大偏差小于2kN，相對誤差小于5%，滿足設(shè)計(jì)小于5%的精度要求。

通過對其他二十幾根連桿的標(biāo)定和計(jì)算，經(jīng)統(tǒng)計(jì)最大載荷偏差為5kN，均滿足要求，因此該系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)的精度要求，可用于載荷的測量。

4.3試驗(yàn)驗(yàn)證

捆綁連桿載荷監(jiān)測系統(tǒng)地面設(shè)備已在連桿靜力試驗(yàn)、連桿傳力試驗(yàn)、加注試驗(yàn)中應(yīng)用并得到了連桿傳感器精度驗(yàn)證。

表2是連桿靜力試驗(yàn)中標(biāo)稱載荷與通過連桿傳感器輸出計(jì)算出的載荷的驗(yàn)證結(jié)果。由表2所示，用傳感器測試出的載荷值，即用式(2)計(jì)算出的載荷值F與標(biāo)稱載荷值F0存在偏差。

F=SV(S是傳感器靈敏度)

(2)

在表2中，小載荷時(shí)偏差較大，大載荷(大于100kN)時(shí)偏差也會隨之增加，但最大相對誤差小于5%，符合測試要求。相對誤差公式如下：

相對誤差=傳感器輸出偏差值÷滿量程×100%

(3)

誤差產(chǎn)生的原因有以下幾點(diǎn)：

(1)小載荷時(shí)，由于橋式傳感器的非線性的影響[5]，線性誤差較大，從而導(dǎo)致測量載荷的相對誤差較大。

(2)因標(biāo)定的最大載荷為63kN,實(shí)際連桿的使用和設(shè)計(jì)載荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)定載荷。在通過式(2)計(jì)算載荷時(shí)，大量程時(shí)只能認(rèn)為傳感器輸出線性度很好，因此產(chǎn)生的偏差也相對較大。若標(biāo)定載荷取連桿飛行過程中的大載荷，那么表2中連桿傳感器的輸出相對誤差會減小。

表2 連桿靜力試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

根據(jù)對應(yīng)變便攜系統(tǒng)的不斷研究和改進(jìn)，借鑒國外引進(jìn)的測量系統(tǒng)內(nèi)部電路設(shè)計(jì)思想，研究設(shè)計(jì)了捆綁連桿載荷監(jiān)測系統(tǒng)地面設(shè)備和采集數(shù)據(jù)處理軟件。通過用標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變儀對系統(tǒng)進(jìn)行輸入標(biāo)定，用標(biāo)準(zhǔn)載荷對連桿進(jìn)行載荷標(biāo)定，說明該系統(tǒng)符合連桿測試的設(shè)計(jì)要求，并能夠準(zhǔn)確測量連桿受到的載荷。將該設(shè)備應(yīng)用于連桿靜力試驗(yàn)、連桿傳力試驗(yàn)、助推分離試驗(yàn)和火箭加注等大型試驗(yàn)，結(jié)果表明，采集到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，精度符合設(shè)計(jì)要求。因此該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)地反應(yīng)新型火箭三支點(diǎn)超靜定捆綁結(jié)構(gòu)中連桿的載荷變化情況，為超靜定捆綁方式提供強(qiáng)有力的理論與數(shù)據(jù)支持。

[1] 張如一，沈觀林，李朝弟. 應(yīng)變電測與傳感器[M]. 清華大學(xué)出版社, 1999.

[2] 尹福炎.電阻應(yīng)變片與測力/稱重傳感器[J].衡器,2010,39(11):42～48.

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[4] 楊艷，安盼龍，趙瑞娟.電阻應(yīng)變式傳感器的研究[J].物理與工程,2010，20(2):29～33.

[5] 朱媛媛.傳感器電橋電路的非線性補(bǔ)償方法[M].現(xiàn)代計(jì)量通訊，2006.

ResearchandDesignofaLoadTestSystemforConnectingRodDevice

LIU Yu-bei DING Wen-qi YIN Wei WANG Zhi-cheng ZHANG Jian

(Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing 100076, China)

A load testing system of connecting rod device is introduced. The type of three fulcrum indeterminate bundled is used in connecting the core stage with booster of the large rocket. In order to fully research the load variation of this new type of connecting rod structure in large-scale ground test and pre launch loading process, the load monitoring system of binding link is developed and designed. Multi-channel data acquisition system is used by multi-channel analog switch and scanning technology. At the same time, the data acquisition and data processing software are programmed to analyze and process the collected voltage signals. The load is acquired through the calibrated system. Not only the principle of the hardware and the software but also the two working state are introduced in the paper .Through calibrating connecting rod on the rocket, the relationship between the force of the connecting rod and the output of the system is acquired. Through the standard load test, the linear error is controlled into the allowable range of the system. The load measurement system is accurate, which can be used to measure the load of the connecting rod in the large scale test of the rocket.

Bundled connecting rod Statically indeterminate bundle Analog switching cricuit Nonlinear

2016-11-14，

2017-03-07

劉玉蓓(1972-)，女，高級工程師，研究方向：靜力學(xué)試驗(yàn)測試技術(shù)。

1000-7202(2017) 04-0035-05

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.04.08

V416.1

A