/ 上海市計量測試技術研究院

0 引言

在航空、航天、汽車、兵器制造等領域中，力錘是振動模態(tài)試驗的主要激勵源[1-3]。生產(chǎn)廠家在出廠檢定時往往只給出力錘內(nèi)置傳感器在其工作范圍內(nèi)的線性靈敏度，現(xiàn)行部分國家標準以及檢定規(guī)程也存在不同程度“靜標動用”的問題[4]。在實際使用中，受到錘頭質(zhì)量、材質(zhì)以及錘體配重的影響，力錘的實際力值與使用出廠靜態(tài)靈敏度得到的測量值存在顯著差異[5-8]。

力錘在其工作范圍內(nèi)可認為是一個線性的時不變的欠阻尼二階系統(tǒng)，如圖1所示。其微分方程為

式中：k—— 力錘內(nèi)置傳感器等效剛度；

c—— 力錘內(nèi)置傳感器等效阻尼；

m—— 力錘內(nèi)置傳感器等效質(zhì)量；

M—— 錘頭、錘體、配重的等效質(zhì)量

令為穩(wěn)態(tài)增益，則：

圖1 力錘工作原理

該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

由式（2）可知，力錘的動態(tài)靈敏度與其內(nèi)置傳感器存在著一定的差異，使用內(nèi)置傳感器靈敏度來代替力錘的靈敏度是有待商榷的。故本文設計了一種力錘動態(tài)校準系統(tǒng)用于校準力錘。

1 力錘動態(tài)校準系統(tǒng)裝置

力錘動態(tài)校準系統(tǒng)裝置如圖2所示，采用脈沖式動態(tài)力比較法校準。力錘垂直敲擊標準力傳感器敏感面，通過標準力傳感器測量兩者間作用力的大小，實現(xiàn)動態(tài)力值的復現(xiàn)，將復現(xiàn)的力值與力錘的輸出量進行對比來得到校準結(jié)果。該方法模擬力錘工程測量的使用環(huán)境，簡單方便。該裝置可產(chǎn)生10～10 000 N脈沖式動態(tài)力，通過改變緩沖墊的材質(zhì)、厚度，可改變脈沖力的脈寬時間0.5～10 ms。

圖2 力錘動態(tài)校準系統(tǒng)裝置

信號處理系統(tǒng)采用美國NI公司的USB-4431 24位數(shù)據(jù)采集卡，適用于集成電路壓電式(IEPE)與非集成電路壓電式（IEPE）傳感器，可同步采集多通道數(shù)據(jù)。采用USB進行信號傳輸，構建系統(tǒng)方便攜帶，適用于在線校準。

2 力錘校準軟件程序

力錘動態(tài)校準程序基于LabVIEW圖形化編程。LabVIEW提供了很多跟傳統(tǒng)的儀器面板很相似的控件，用來創(chuàng)建人機交互界面[9]。用戶界面是軟件中的前面板?？梢酝ㄟ^編程來控制前面板上的對象。改變軟件，就可以實現(xiàn)不同的儀器儀表的功能，快捷方便，實現(xiàn)了軟件即硬件這一理念。整個程序?qū)崿F(xiàn)力錘校準數(shù)據(jù)的自動處理存儲，包含以下模塊：信息錄入存儲模塊、測量參數(shù)設置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、線性擬合殘差統(tǒng)計模塊、峰值提取模塊、脈寬計算模塊、報告生成模塊，程序流程如圖3所示。

信息錄入模塊可將待測力錘的基本信息錄入，包括生產(chǎn)廠家、型號、出廠編號、傳感器類型等。

測量參數(shù)設置模塊能夠設置采樣率、采樣時間、觸發(fā)前采樣點數(shù)、觸發(fā)比等參數(shù)，確保測試過程中采集到完整有效的數(shù)據(jù)。

圖3 軟件流程

數(shù)據(jù)采集模塊會根據(jù)上面兩個模塊的設置來采集數(shù)據(jù)。如果測量數(shù)據(jù)滿足相應要求，則將數(shù)據(jù)傳輸給下面兩個模塊進行計算。

線性擬合殘差計算模塊是對力值和力錘的輸出量進行回歸分析，殘差可用于表征采集波形的有效性，當殘差越接近0，說明擬合效果越好，數(shù)據(jù)可信度越高；殘差過大，則需對數(shù)據(jù)進行剔除，重新采集波形。

脈寬計算模塊用于計算沖擊脈沖從基準值上升到最大值，再下降到基準值所需的時間，通常規(guī)定脈沖最大值的10%為基準值。

報告生成模塊將記錄每次有效測量的標準力值、力錘靈敏度幅值、脈寬等信息，生成報告。

3 力錘動態(tài)校準系統(tǒng)的校準結(jié)果

力錘動態(tài)校準系統(tǒng)可用于校準力錘、模態(tài)分析系統(tǒng)的激勵端等儀器設備。以PCB生產(chǎn)的086C03型力錘為例，校準結(jié)果如表1所示。

校準結(jié)果表明，該力錘的參考靈敏度2.23 mV/N，線性度0.24%。

表1 086C03型力錘校準結(jié)果

4 力錘動態(tài)校準系統(tǒng)的測量結(jié)果的不確定度

本文參照GB/T 20485.22-2008《振動與沖擊傳感器校準方法第22部分：沖擊比較法校準》[10]、JJG 632-1989《動態(tài)力傳感器》檢定規(guī)程[11]，結(jié)合多年積累的實驗數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，通過大量的實驗和理論研究，對力錘靈敏度幅值測量的不確定度進行了分析評估。

被校力錘靈敏度幅值測量的不確定度主要包括以下方面：由標準動態(tài)力傳感器引入的不確定度分量；由被校力錘引入的不確定度分量，這部分主要包括重復測量、基座應變/安裝、旋轉(zhuǎn)/橫向運動、電纜應變和環(huán)境溫度等因素。信號適調(diào)儀和算法等也會引入相應的不確定度分量。

根據(jù)力錘靈敏度校準的方法，建立力錘靈敏度幅值的測量模型：

式中：—— 被校力錘靈敏度幅值；

—— 標準力傳感器的靈敏度；

—— 被校力錘峰值電壓，mV；

—— 標準力傳感器峰值電壓，mV

在實際測量中，因影響因素很多，采用比較法實現(xiàn)被校力錘靈敏度幅值測量的測量模型為

上述各輸入量相互之間獨立無關，各不確定分量的靈敏度系數(shù)絕對值為1，標準不確定度各因素引入的標準不確定度見表2。

表2 標準不確定度分量一覽表

力錘靈敏度幅值的合成不確定度urel= 1.74%，相對擴展不確定度Urel= 3.5% （k= 2）。

5 結(jié)語

本文介紹了一種基于虛擬儀器技術的力錘動態(tài)校準系統(tǒng)。該系統(tǒng)模擬力錘在工程測量的實際使用環(huán)境，敲擊產(chǎn)生脈沖力，與標準動態(tài)力傳感器比較對力錘進行校準。解決了傳統(tǒng)方法“靜標動用”的問題，以及用力錘內(nèi)置傳感器靈敏度代替力錘的靈敏度存在的差異。利用不同材料、厚度的阻尼緩沖墊，可產(chǎn)生脈寬時間 0.5～10 ms，10～10 000 N 脈沖式動態(tài)力。該系統(tǒng)靈敏度幅值的擴展不確定度為3.5%。

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[10]全國機械振動、沖擊與狀態(tài)監(jiān)測標準化技術委員會.GB/T 20485.22-2008振動與沖擊傳感器校準方法第22部分：沖擊比較法校準[S]. 北京：中國標準出版社，2008.

[11]中國計量科學研究院.JJG 632-1989動態(tài)力傳感器[S].北京：中國計量出版社，1989.