朱 剛 楊曉偉 劉 鑫 魯 敏 李 翀
(1.北京航天計量測試技術(shù)研究所,北京 100076;2.北京遙測技術(shù)研究所,北京 100076; 3.上海衛(wèi)星工程研究所,上海 201109)
傾斜搖擺試驗臺(以下簡稱搖擺臺)主要用于模擬在潛艇、航母、艦艇、水上飛機、行進火炮等裝備上的各類機械、電工和電子產(chǎn)品的傾斜和搖擺環(huán)境,以確定產(chǎn)品經(jīng)受規(guī)定嚴(yán)酷等級傾斜和搖擺的工作適應(yīng)性和結(jié)構(gòu)的完好性[1]。我國自上世紀(jì)就已經(jīng)開始制定傾斜搖擺試驗的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和國家軍用標(biāo)準(zhǔn),主要包括GB/T 2423.101-2008及GJB150.23A-2009,這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了艦載設(shè)備傾斜搖擺試驗的角度、周期、試驗持續(xù)時間等的試驗要求,為我國水面設(shè)備及水面運輸裝備的可靠性試驗提供了必要的依據(jù)[2,3]。國內(nèi)的試驗設(shè)備生產(chǎn)廠家也生產(chǎn)了滿足這些試驗標(biāo)準(zhǔn)的試驗設(shè)備,滿足科研生產(chǎn)單位對于傾斜搖擺試驗的需求。為了保證試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠,國內(nèi)的計量技術(shù)機構(gòu),早已開展對于搖擺臺的校準(zhǔn)工作,目前現(xiàn)狀是校準(zhǔn)方法不統(tǒng)一,動態(tài)角位移溯源性存在不確定性,導(dǎo)致部分參數(shù)校準(zhǔn)不確定度較大。
根據(jù)多年的試驗和研究,提出了一種采用具有零頻響應(yīng)的高靈敏度加速度計對傾斜搖擺試驗臺進行校準(zhǔn)的方法,構(gòu)建了校準(zhǔn)系統(tǒng)并進行了校準(zhǔn)不確定度評定。
傾斜是指船舶受風(fēng)、不平衡裝載、操縱、或海損事故的影響所造成的橫向傾斜的浮態(tài)和相對于設(shè)計水線的縱向傾斜的浮態(tài);搖擺是指船舶受到風(fēng)、波浪等外力做用下的艦船繞其橫軸、縱軸所作的周期性角位移運動[4]。傾斜搖擺試驗臺主要用于實現(xiàn)傾斜、搖擺、振蕩以及它們的綜合試驗。試驗臺的校準(zhǔn)涉及到靜態(tài)角度、動態(tài)角度、加速度等多種參數(shù),校準(zhǔn)參數(shù)多樣,校準(zhǔn)過程繁復(fù)。
選擇具有零頻響應(yīng)的高靈敏度加速度計(頻率范圍DC~100Hz)可對搖擺臺全部參數(shù)進行校準(zhǔn)。
具有零頻響應(yīng)的加速度計(以下簡稱加速度計)是指對重力加速度具有響應(yīng)的變電容式等原理的加速度計,利用加速度計的這一特性,可以用來測量靜態(tài)或動態(tài)的角度。當(dāng)加速度計的敏感軸方向與重力加速度方向平行時,受到重力加速度作用,加速度計輸出與重力加速度成正比。當(dāng)加速度計的敏感軸方向與重力加速度方向垂直時,加速度計輸出與重力加速度無關(guān)。當(dāng)加速度計的敏感軸方向垂直于重力加速度方向時所受的加速度為0,當(dāng)加速度計傾斜角度為θ時,沿著加速度計軸線方向所受的加速度為重力加速度在該方向的分量gθ=g·sinθ,那么理論上傾斜角度θ=arcsingθ/g。測量原理如圖2所示。
圖2 使用加速度計校準(zhǔn)原理圖Fig.2 Principle of calibration by accelerometer
(1)
式中:θ——加速度計測量的傾斜角度值;S——加速度計的靈敏度;g——當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋籚0——搖擺臺在水平位置時加速度計的直流輸出;V——搖擺臺傾斜后加速度計的直流輸出。
當(dāng)使用加速度計測量搖擺角度時,首先使搖擺臺置于水平位置,安裝加速度計使其敏感軸方向垂直于重力加速度和傾斜的軸線,搖擺臺搖擺后,使用動態(tài)信號分析儀的交流耦合方式測量加速度計的交流輸出峰值VP。參照公式(1)的計算方法,加速度計測得的搖擺角度可根據(jù)式(2)計算。
(2)
式中:φ——加速度計測量的搖擺角度值;VP——搖擺臺搖擺后加速度計的輸出峰值。
校準(zhǔn)裝置主要由加速度計及配套的放大器、動態(tài)信號分析儀、數(shù)字電壓表或數(shù)字記憶示波器等組成,校準(zhǔn)系統(tǒng)如圖3所示。加速度計經(jīng)供電放大器輸出端與動態(tài)信號分析儀相連時可用于傾斜搖擺的角度、振蕩加速度、周期和失真度等的測量;與數(shù)字電壓表相連時,可用于靜態(tài)角度測量;與數(shù)字記憶示波器相連時,可用于傾斜搖擺角度、振蕩加速度和周期的測量。
圖3 校準(zhǔn)系統(tǒng)示意圖Fig.3 Setup of calibration system
校準(zhǔn)時,將搖擺臺臺面置于水平位置,將加速度計剛性安裝在試驗臺臺面中心,加速度計的敏感軸方向應(yīng)平行于重力加速度的方向。當(dāng)進行傾斜校準(zhǔn)時,在試驗臺的傾斜角度范圍內(nèi)選取需校準(zhǔn)的角度,操作試驗臺按照設(shè)定角度傾斜,使用動態(tài)信號分析儀、數(shù)字電壓表或記憶示波器讀取加速度計的直流輸出,按照式(1)計算傾斜角度。當(dāng)進行搖擺校準(zhǔn)時,在試驗臺的搖擺角度和周期范圍內(nèi)選取需校準(zhǔn)的角度與周期,操作試驗臺按照設(shè)定角度與周期搖擺,使用動態(tài)信號分析儀或記憶示波器讀取加速度計的交流輸出,按照式(2)計算搖擺角度。同時,可以使用動態(tài)信號分析儀或數(shù)字記憶示波器測量搖擺周期,使用動態(tài)信號分析儀測量搖擺失真度等參數(shù)。
根據(jù)上述的校準(zhǔn)方法構(gòu)建校準(zhǔn)系統(tǒng),使用美國PCB公司生產(chǎn)的3711型加速度計對西安捷盛電子技術(shù)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的Y581500/ZF型傾斜搖擺試驗臺進行校準(zhǔn),校準(zhǔn)結(jié)果如表1~表5所示。本文只給出了搖擺臺的傾斜和搖擺試驗結(jié)果,振蕩測試的方法已有成熟的振動測量標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范可供參考,因此不再贅述。
表1 傾斜角度示值誤差
Tab.1 Inclination angle error value
表2 搖擺角度示值誤差
Tab.2 Swing angle error value
表3搖擺周期示值誤差
Tab.3 Swing period error value
表4 搖擺失真度
Tab.4 Swing harmonic distortion
根據(jù)GJB150.23A-2009的試驗要求,結(jié)合搖擺臺的工作方式,使用加速度計進行校準(zhǔn),能夠覆蓋搖擺臺的主要技術(shù)參數(shù),包括傾斜角度、搖擺角度、周期和失真度以及振蕩的加速度、周期和失真度等。
使用加速度計測量搖擺角度,它的測量模型由公式(2)得到。
對搖擺臺進行搖擺角度測量時,A類方法評定的不確定度主要來源于測量的重復(fù)性。設(shè)定搖擺角度為15°,搖擺周期為5s,對傾斜搖擺試驗臺的搖擺角度重復(fù)測量10次,測量值如表5所示。
表5 搖擺角度測量值
Tab.5 Swing angle test result
搖擺角度測量值的平均值
搖擺角度測量平均值的實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差
搖擺角度測量值的A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度以相對值表示為
對搖擺臺進行搖擺角度測量時,B類方法評定的不確定度主要來源如表6所示。
表6 B類不確定度分量
Tab.6 Uncertainty components of method B
根據(jù)以上不確定度來源,得到搖擺角度測量的B類不確定度為
搖擺角度測量結(jié)果的不確定度分量獨立無關(guān),故搖擺角度測量結(jié)果的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為
取包含因子k=2,則搖擺角度測量結(jié)果的擴展不確定度
U=k·uc=1.6% (k=2)
根據(jù)以上測量不確定度的評定方法,可以得出,在搖擺臺全量程范圍內(nèi),搖擺角度測量誤差為1.6%以內(nèi)。
根據(jù)GJB150.23A-2009的要求,傾斜搖擺試驗的角度幅值、搖擺周期不超過規(guī)定值的5%,失真度不大于15%。同試驗結(jié)果比較可見,使用加速度計進行搖擺臺校準(zhǔn),校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度完全能夠滿足試驗臺的試驗要求。
根據(jù)GJB 2749A-2009的規(guī)定,采用兩臺比對法,對以上測量不確定度進行驗證[5]。
本文中的測量采用美國PCB公司生產(chǎn)的3711型加速度計,對以上傾斜搖擺試驗臺搖擺角度的進行測量,其搖擺角度測量結(jié)果為y1=15.20°,校準(zhǔn)不確定度為:U1=1.6%(k=2);另采用美國Sundsand Data Control公司生產(chǎn)的979-1300型伺服加速度計對相同的設(shè)備的搖擺角度進行測量,得到測量結(jié)果為y2=15.28°,測量不確定度為U2=1.5%(k=2)。
測量不確定度的驗證結(jié)果
可見,以上測量不確定度的評定方法可行,結(jié)果滿足搖擺臺的校準(zhǔn)與測試要求。
本文給出的方法,能夠?qū)崿F(xiàn)搖擺臺在靜態(tài)和動態(tài)角度上的校準(zhǔn),并可取得較高的校準(zhǔn)準(zhǔn)確度。經(jīng)過多年的應(yīng)用實踐證明,采用具有零頻響應(yīng)的高靈敏度加速度計可滿足搖擺臺的校準(zhǔn)要求,僅需一次安裝便可完成所有動靜態(tài)性能參數(shù)的校準(zhǔn),具有原理簡單、操作方便的特點;同時,加速度計可以溯源至現(xiàn)有的國家基準(zhǔn),具有完整的溯源鏈,保證了搖擺臺的量值準(zhǔn)確可靠,為規(guī)范搖擺臺校準(zhǔn)方法,制訂相應(yīng)的校準(zhǔn)規(guī)范打下了基礎(chǔ)。
[1] 呂明珠,劉世勛.艦船傾斜搖擺試驗臺的設(shè)計與試驗[J].機電工程,2016(08):1003~1006.
[2] GB/T 2423.101-2008 電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第2部分:試驗方法 試驗:傾斜和搖擺[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.
[3] GJB150.23A-2009 軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 第23部分:傾斜和搖擺試驗.北京:總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部,2009.
[4] 施建榮,施詩,張燕.論艦船裝備傾斜和搖擺環(huán)境適應(yīng)性與試驗[J].裝備環(huán)境工程,2011(04):41~44.
[5] GJB 2749A-2009 軍事計量測量標(biāo)準(zhǔn)建立與保持通用要求[S].北京:總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部.