黃 軍,邱華誠,劉施然,趙榮娟,呂治國,楊彥廣

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心 超高速空氣動力研究所,四川 綿陽 621000)

0 引 言

高超聲速飛行器具有較強(qiáng)的機(jī)動性、突防能力以及較大的作戰(zhàn)半徑，目前已經(jīng)成為21世紀(jì)各航天大國爭相發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)[1]。高超聲速風(fēng)洞地面測力試驗(yàn)是獲得各種高超聲速飛行器氣動力特性數(shù)據(jù)、評估其氣動性能的主要手段之一。激波風(fēng)洞能夠模擬的總溫、總壓、焓值等參數(shù)值更高，在該類參數(shù)的模擬方面優(yōu)于其他高超聲速風(fēng)洞[2]；但激波風(fēng)洞的有效試驗(yàn)時間很短，在很短的試驗(yàn)時間內(nèi)準(zhǔn)確測量飛行器模型的氣動力，是極具挑戰(zhàn)性的研究。

激波風(fēng)洞自20世紀(jì)50年代出現(xiàn)以來，其測力試驗(yàn)方法不斷完善，從最初的應(yīng)變天平，逐漸發(fā)展至壓電天平、加速度天平和應(yīng)力波天平等。受敏感柵材料靈敏度的影響，應(yīng)變天平的頻響較低，大多應(yīng)用于有效試驗(yàn)時間較長的激波風(fēng)洞。中國科學(xué)院劉云峰[3]、汪運(yùn)鵬[4-5]、孟寶清[6]等在百毫秒量級的激波風(fēng)洞中開展了大量應(yīng)變天平測力試驗(yàn)研究，在約100 ms的有效試驗(yàn)時間內(nèi)，天平可獲得3～4個信號周期，避免了慣性力補(bǔ)償，縱向氣動力測量誤差可優(yōu)于1%。壓電天平出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代末[7]，具有較高的頻響，能夠滿足試驗(yàn)時間較短的激波風(fēng)洞試驗(yàn)。中國空氣動力研究與發(fā)展中心呂治國等[8]發(fā)展了多種壓電天平測試技術(shù)，采用“5+1”天平結(jié)構(gòu)，在有效試驗(yàn)時間僅有幾至幾十毫秒的激波風(fēng)洞中測量了飛船返回艙等外形的氣動力，縱向氣動力測量誤差優(yōu)于4%，并實(shí)現(xiàn)了較小滾轉(zhuǎn)力矩的測量。加速度天平誕生于20世紀(jì)60年代[9]，其響應(yīng)時間約為0.15 ms。Menezes[10]、Singh[11]、Sahoo[12]等對加速度計(jì)天平的結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)方法進(jìn)行了深入研究，獲得了較好的試驗(yàn)結(jié)果，縱向氣動力測量誤差在6%左右。應(yīng)力波天平最早由Sanderson和Simmons于1991年提出[13]，其響應(yīng)時間為0.1 ms。昆士蘭大學(xué)Robinson和Mee等[14-15]發(fā)展了多分量應(yīng)力波天平；中國空氣動力研究與發(fā)展中心劉施然等[16]實(shí)現(xiàn)了激波風(fēng)洞應(yīng)力波天平測力試驗(yàn)，單分量測量誤差優(yōu)于10%。

在眾多激波風(fēng)洞測力試驗(yàn)方法中，應(yīng)力波天平和加速度計(jì)天平響應(yīng)時間最短，但數(shù)據(jù)處理方法和試驗(yàn)裝置較常規(guī)天平復(fù)雜；壓電天平剛度較高，但受壓電陶瓷片經(jīng)時穩(wěn)定性的影響，天平校準(zhǔn)和試驗(yàn)的精準(zhǔn)度比應(yīng)變天平低；應(yīng)變天平的測量誤差最小，但受天平剛度的影響，需要的有效風(fēng)洞試驗(yàn)時間較長。

制約應(yīng)變天平剛度的因素主要為敏感柵材料的靈敏度。為提升敏感柵靈敏度，半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)(以機(jī)械、化學(xué)等方法將單晶硅加工為絲狀或其他形狀作為敏感柵)于20世紀(jì)50年代末問世。與金屬電阻應(yīng)變計(jì)相比，半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)具有靈敏度系數(shù)高、機(jī)械滯后小、體積小、耗電小等優(yōu)點(diǎn)，但其電阻溫度系數(shù)比金屬電阻應(yīng)變計(jì)高出約2個數(shù)量級，大大限制了其應(yīng)用環(huán)境[17-19]。隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，傳統(tǒng)體型半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)溫度性能差的缺點(diǎn)有了改善的可能[20]。此外，利用半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)靈敏度系數(shù)高的優(yōu)點(diǎn)，可以將應(yīng)變天平的設(shè)計(jì)應(yīng)變降低1～2個數(shù)量級，從而提高應(yīng)變天平剛度，實(shí)現(xiàn)在激波風(fēng)洞上的應(yīng)用。

本文研制了一種新型半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)，改善了常規(guī)半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)的溫度特性；在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一桿高頻響六分量半導(dǎo)體應(yīng)變天平，提升了整個測力試驗(yàn)系統(tǒng)的固有頻率。開展了天平靜態(tài)校準(zhǔn)和激波風(fēng)洞B-2標(biāo)模測力驗(yàn)證試驗(yàn)，考核了天平的靜、動態(tài)性能。

1 半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)

1.1 全橋半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)

半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)是利用半導(dǎo)體材料的“壓阻效應(yīng)”來實(shí)現(xiàn)測量的：對半導(dǎo)體材料的某一軸施加載荷時，材料發(fā)生變形，電阻率變化，導(dǎo)致其電阻發(fā)生變化，通過恒流或恒壓供電，可將變形引起的電阻變化量轉(zhuǎn)換為電壓信號，從而實(shí)現(xiàn)測量。

常用的半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)為體型應(yīng)變計(jì)，采用柵狀半導(dǎo)體硅作為敏感柵材料。制作工藝如圖1所示：(1) 制作敏感柵。以切片、研磨、切小片等方法將半導(dǎo)體單晶硅材料按照一定的晶向加工成柵體狀。(2) 腐蝕壓焊。用腐蝕液刻蝕敏感柵上的電極并焊接引出導(dǎo)線。(3) 粘貼成形。將基底膠粘劑涂覆在敏感柵材料上，并加熱固化。

由表1可知，半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)的靈敏度系數(shù)比金屬電阻應(yīng)變計(jì)高很多，但電阻溫度系數(shù)也比金屬電阻應(yīng)變計(jì)高很多。

圖1 常規(guī)半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)加工工藝Fig.1 Fabrication process of traditional semiconductor strain gage

表1 應(yīng)變計(jì)主要性能對比Table 1 Characteristics of different strain gages

常規(guī)半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)由單個硅柵構(gòu)成。為降低溫度效應(yīng)，設(shè)計(jì)了一種新型半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)，在單片應(yīng)變計(jì)上利用4個阻值接近的硅柵組成Wheatstone全橋，如圖2所示。4個硅柵間距很小，能減小溫度梯度引起的溫差，從而達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)男Ч?/p>

圖2 全橋半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)Fig.2 Example of full bridge type semiconductor strain gage

1.2 應(yīng)變靈敏度

應(yīng)變計(jì)靜態(tài)性能測試在等強(qiáng)度梁上進(jìn)行，如圖3所示。本文采用的等強(qiáng)度梁每懸掛1 kg砝碼將產(chǎn)生200 με的應(yīng)變。在等強(qiáng)度梁上分別粘貼全橋金屬電阻應(yīng)變計(jì)、常規(guī)半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)和全橋半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)，將等強(qiáng)度梁固定于溫控箱內(nèi)，在溫控箱外利用細(xì)線或金屬絲將砝碼懸掛于等強(qiáng)度梁前端。

圖4為階梯加載情況下全橋半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)和全橋金屬電阻應(yīng)變計(jì)的輸出結(jié)果對比(圖中將加載換算為相應(yīng)的應(yīng)變)。可以看出：半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)的輸出變化量遠(yuǎn)大于金屬電阻應(yīng)變計(jì)，前者的應(yīng)變靈敏度系數(shù)(K=(ΔR/R)/ε)高達(dá)109，而后者僅為1.4；同時，半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)的輸出結(jié)果具有很好的線性度。因此，對于相同結(jié)構(gòu)的天平本體，采用半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)作為天平敏感元件可以大幅降低天平的設(shè)計(jì)應(yīng)變。

圖3 測試裝置Fig.3 Measurement setup for test

圖4 應(yīng)變計(jì)輸出與應(yīng)變的關(guān)系Fig.4 Response of strain gages under applied strain

1.3 溫度特性

通過等強(qiáng)度梁試驗(yàn)可知：在20～60℃范圍內(nèi)，單個半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)在零載荷條件下的溫度漂移高達(dá)921.6 mV，零載荷條件下的溫漂為621.3% FS，電阻溫度系數(shù)為230×10-5/℃，如圖5所示；進(jìn)行全橋半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)設(shè)計(jì)后，其全溫區(qū)的溫度漂移如圖6所示，零載荷條件下的溫漂為5.4% FS，電阻溫度系數(shù)為3×10-5/℃，與金屬電阻應(yīng)變計(jì)相當(dāng)。

圖5 半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)輸出Fig.5 Semiconductor strain gage output

圖6 全橋半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)輸出Fig.6 Full bridge type semiconductor strain gage output

為進(jìn)一步降低溫度漂移，對全橋半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，其原理如圖7所示。圖中，電阻R1、R2、R3和R4為半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)的橋臂電阻，電阻R0為溫度補(bǔ)償電阻，電阻R01、R02為零點(diǎn)補(bǔ)償電阻，補(bǔ)償電阻采用貼片電阻或色環(huán)電阻。

溫度補(bǔ)償后的全橋半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)的全溫區(qū)溫度漂移如圖8所示。零載荷條件下的溫漂為0.2% FS，電阻溫度系數(shù)為0.1×10-5/℃，小載荷下半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)的溫度特性進(jìn)一步改善。溫度補(bǔ)償后的全橋半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)在室溫條件下的加、卸載輸出如圖9所示。在加、卸載過程中，應(yīng)變計(jì)最大滯后為-0.5636 mV，占最大載荷輸出的0.3%，零點(diǎn)漂移為-0.4761 mV，占最大載荷輸出的0.2%，均滿足應(yīng)變天平使用要求。

圖7 溫度補(bǔ)償原理圖Fig.7 Schematic diagram of temperature compensation

圖8 溫度補(bǔ)償后的輸出Fig.8 Semiconductor strain gage output after temperature compensation

圖9 半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)加載輸出Fig.9 Response of semiconductor strain gage under applied forces

2 天平設(shè)計(jì)

利用半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)靈敏度系數(shù)高的優(yōu)點(diǎn)，可將應(yīng)變天平的設(shè)計(jì)應(yīng)變降低1～2個數(shù)量級?？紤]信噪比等因素的影響，將天平的設(shè)計(jì)應(yīng)變設(shè)為常規(guī)高超聲速風(fēng)洞應(yīng)變天平的1/10，如表2所示。

表2 天平設(shè)計(jì)載荷與設(shè)計(jì)應(yīng)變Table 2 The range and strain design of balance

為保證天平在激波風(fēng)洞有效試驗(yàn)時間內(nèi)能夠獲得一個以上周期的完整信號，要求整個測力試驗(yàn)系統(tǒng)的一階固有頻率高于100 Hz。

天平元件采用常規(guī)應(yīng)變天平結(jié)構(gòu)，軸向力梁采用“T”型梁結(jié)構(gòu)，組合梁采用五柱梁結(jié)構(gòu)。以設(shè)計(jì)應(yīng)變?yōu)榧s束條件，以變形最小為設(shè)計(jì)目標(biāo)，采用最優(yōu)剛度法對天平結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。天平敏感梁長86 mm，直徑38 mm。天平結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 天平結(jié)構(gòu)Fig.10 The structure of balance

天平六分量氣動力組合形式與常規(guī)應(yīng)變天平有所區(qū)別。天平六分量氣動力組合如下：

UA=U13-U15-(U14-U16)

UN=U1-U2-(U3-U4)

UC=U5-U6-(U7-U8)

UL=U9-U10+(U11-U12)

UNb=U5-U6+(U7-U8)

UM=U1-U2+(U3-U4)

(1)

式中：UA、UN、UC分別為軸向力分量、法向力分量、側(cè)向力分量的電壓輸出；UL、UNb、UM分別為滾轉(zhuǎn)力矩分量、偏航力矩分量、俯仰力矩分量的電壓輸出。

2.1 有限元分析

為在有效試驗(yàn)時間僅為十至幾十毫秒的激波風(fēng)洞上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，要求整個測力試驗(yàn)系統(tǒng)具有很大的剛度。以往測力試驗(yàn)系統(tǒng)一般由模型、天平、支桿、耳片、迎角機(jī)構(gòu)等組成，為提升其剛度，將天平和支桿設(shè)計(jì)為一個整體，天平直接與固定迎角的支撐平臺連接，減少中間連接環(huán)節(jié)，并改耳片支撐為平臺支撐。

利用MATLAB、ANSYS等工程軟件對天平結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。天平材料為馬氏體時效鋼，其密度ρ=7.98 g/cm3，彈性模量E=1.8725×1011Pa，屈服強(qiáng)度σs=1750 MPa，泊松比μ=0.3。試驗(yàn)系統(tǒng)的模態(tài)分析如圖11所示；前六階固有頻率見表3，其中，一階固有頻率為100 Hz，能夠確保天平在十至幾十毫秒內(nèi)的輸出信號具有一個以上完整周期，便于數(shù)據(jù)的后處理。

圖11 模態(tài)分析Fig.11 Modal analysis

表3 試驗(yàn)系統(tǒng)前六階固有頻率Table 3 The first six mode frequencies of system

2.2 天平校準(zhǔn)

在六分量天平靜校系統(tǒng)上對天平進(jìn)行校準(zhǔn)：通過單元校準(zhǔn)獲得天平校準(zhǔn)公式，通過多元校準(zhǔn)獲得天平的綜合加載重復(fù)性及誤差。天平六分量校準(zhǔn)結(jié)果見表4，天平綜合加載重復(fù)性達(dá)到國軍標(biāo)先進(jìn)指標(biāo)，綜合加載誤差達(dá)到國軍標(biāo)合格指標(biāo)，滿足應(yīng)變天平設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[21]。

表4 天平多元校準(zhǔn)結(jié)果Table 4 The results of multi-component calibration

3 風(fēng)洞試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)裝置

風(fēng)洞試驗(yàn)在中國空氣動力研究與發(fā)展中心的FD-14激波風(fēng)洞上進(jìn)行。該風(fēng)洞是由激波管(內(nèi)徑80 mm，高壓段、低壓段長度分別為7.5和12.5 m)以及相應(yīng)的噴管、試驗(yàn)段、充氣系統(tǒng)、液壓及控制系統(tǒng)和真空系統(tǒng)組成，如圖12所示。

圖12 FD-14激波風(fēng)洞Fig.12 FD-14 shock tunnel

試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎肂-2標(biāo)模(見圖13)。該模型具有大量的試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果[22]，因此常被作為標(biāo)準(zhǔn)模型用于新建或改造風(fēng)洞的流場校測。模型總長340.65 mm，底部直徑為120 mm；材質(zhì)為鋁合金，可以減少模型重量，提升試驗(yàn)系統(tǒng)的固有頻率。模型試驗(yàn)迎角為8°、10°和14°，側(cè)滑角為0°，每個狀態(tài)重復(fù)3車次。試驗(yàn)流場主要參數(shù)見表5。

圖13 試驗(yàn)裝置Fig.13 System for test

表5 試驗(yàn)流場參數(shù)表Table 5 Parameters of flow field

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

以10°迎角為例，天平輸出信號如圖14所示(圖中Pitot為皮托壓力傳感器信號；風(fēng)洞試驗(yàn)有效時間約為11 ms)。從圖中可以看出：天平輸出信號與皮托壓力傳感器輸出信號跟隨性較好，且在有效試驗(yàn)時間內(nèi)，天平軸向力、法向力和俯仰力矩分量都能夠獲得一個以上的完整信號周期。天平法向信號的頻譜分析如圖15所示，法向力的低頻振動頻率約為91.5 Hz，俯仰力矩的低頻振動頻率約為106.8 Hz，與模態(tài)分析的結(jié)果基本相符，天平的頻響滿足要求。

圖14 天平輸出信號Fig.14 Voltage signals of balance

圖16給出了半導(dǎo)體應(yīng)變天平和壓電天平的激波風(fēng)洞測力試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯?，半導(dǎo)體應(yīng)變天平試驗(yàn)結(jié)果與壓電天平試驗(yàn)結(jié)果以及數(shù)值計(jì)算結(jié)果吻合較好，說明半導(dǎo)體應(yīng)變天平能夠真實(shí)反映試驗(yàn)?zāi)Ｐ退艿降臍鈩恿d荷，可以用于激波風(fēng)洞氣動力測量。需要說明的是：圖中氣動手冊[22]的結(jié)果為無黏計(jì)算結(jié)果，數(shù)值計(jì)算結(jié)果為層流計(jì)算結(jié)果。

圖15 法向信號的頻譜分析Fig.15 Spectral analysis of normal signals

圖16 試驗(yàn)結(jié)果對比(Ma≈10)Fig.16 Comparison of the test results at Ma≈10

由圖16還可以看出，在0°側(cè)滑角狀態(tài)下，半導(dǎo)體應(yīng)變天平試驗(yàn)結(jié)果與壓電天平試驗(yàn)結(jié)果、氣動手冊的規(guī)律性一致，半導(dǎo)體應(yīng)變天平軸向力系數(shù)和壓心系數(shù)的規(guī)律性略優(yōu)于壓電天平。半導(dǎo)體應(yīng)變天平軸向力系數(shù)、法向力系數(shù)、俯仰力矩系數(shù)和壓心系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果與氣動手冊的最大偏差分別為36.60%、1.99%、1.81%和-0.17%；壓電天平軸向力系數(shù)、法向力系數(shù)、俯仰力矩系數(shù)和壓心系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果與氣動手冊的最大偏差分別為34.14%、3.20%、2.89%和-0.61%。半導(dǎo)體應(yīng)變天平軸向力系數(shù)、法向力系數(shù)和俯仰力矩系數(shù)的不確定度與壓電天平相當(dāng)，壓心系數(shù)的不確定度優(yōu)于壓電天平。

試驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性精度如表6所示。從表中可見，半導(dǎo)體應(yīng)變天平試驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性精度優(yōu)于壓電天平，采用半導(dǎo)體應(yīng)變天平有助于提升試驗(yàn)結(jié)果精度。

表6 試驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性精度Table 6 The repeatability accuracy of results

4 結(jié) 論

在研制全橋半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)天平的基礎(chǔ)上，在激波風(fēng)洞中開展了半導(dǎo)體應(yīng)變天平測力試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

(1) 對于試驗(yàn)時間很短的激波風(fēng)洞，半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)可以很好地發(fā)揮其靈敏度系數(shù)高的優(yōu)勢；

(2) 在激波風(fēng)洞有效試驗(yàn)時間內(nèi)，半導(dǎo)體應(yīng)變天平能夠獲得一個周期以上的輸出信號，有利于數(shù)據(jù)的后處理；

(3) 與壓電天平相比，半導(dǎo)體應(yīng)變天平在試驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性上具有一定優(yōu)勢，且軸向力系數(shù)和壓心系數(shù)的規(guī)律性略好。