一种用于小力值传感器溯源的正弦动态力校准系统及方法与流程

本发明涉及小力值溯源技术，具体涉及一种用于小力值传感器溯源的正弦动态力校准系统及方法，小力值传感器溯源力值在5n～50n。

背景技术：

随着国家航天事业的飞速发展，姿控发动机的地面试验迎来新的高峰。10n、25n发动机是我国主力卫星平台的姿控发动机，卫星总体的需求量很大。

在准确修正航天器姿态的前提下，确保消耗的推进剂剂量经济可行，这就需要准确提供发动机的动态推力技术指标。要满足这种需求，动态推力测试系统不仅要具有很高的稳态测试精度，而且要求测试系统具有较高的信号采集、信号变换与传输、信号处理与分析，信号记录与显示，动态响应等能力。

动态推力是随时间变化的力，通常采用各种力传感器进行动态力测量。根据校准装置的激励源不同，可以将动态力校准方法分为落锤冲击式、脆断阶跃式及稳态正弦式。

落锤冲击式动态力校准装置利用高处的重锤落在传感器上产生一个脉冲式的瞬时冲击力，力值不仅与落锤高度，还与材质的均匀性和加速度的分布有关，影响因素较多；而且由于落锤高度不能任意调节，因此装置的测量范围有限。

脆断阶跃式动态力校准装置利用脆性材料的破坏产生阶跃变化的动态力，力值与材料属性密切相关，而且不能连续可调，亦无法复现，因此其校准受材料制约大。

稳态正弦动态力校准装置使用振动台作为激励源，由电动振动台产生的稳态正弦力源，系统的可信分析频率范围为20hz～1khz，最大力值为10kn。主要针对力值量程上限在1kn以上的动态力传感器进行校准。

用于俯仰、偏航和滚动等卫星姿态调整的发动机(姿控发动机)一般推力较小，在工作时单个发动机单次消耗的推进剂也较少，其工作次数可达上百万次，随时根据姿控系统的需要进行工作，以保证卫星正确的姿态，这种情况下，准确的发动机性能参数可以更加节省有限的推进剂，延长卫星的寿命。但是，利用现有的动态力校准装置不能传递小力值传感器。

随着航天器航程的不断延伸，利用小推力发动机对航天飞行器在飞行过程中的姿态控制精度的要求越来越高，姿控发动机高空模拟试验的主要目的在于测试发动机的推力随推进剂的流量变化关系，而控制姿态的发动机的工作过程是一个典型的动态过程。因此，准确测量小推力发动机的动态推力性能指标，是提高卫星寿命和性能的有效手段之一。结合具体卫星型号任务需求，进行这项研究可有效解决发动机定型所需的试验验证手段，并推动发动机测试技术的不断发展。

技术实现要素：

为了解决目前的动态力校准装置测量范围不覆盖航天液体火箭发动机现场试验系统的动态小力值传感器的问题，本发明研制了一套可以校准力值范围在5n～50n动态力传感器的校准系统及方法。

本发明的技术解决方案是提供一种用于小力值传感器溯源的正弦动态力校准系统，其特殊之处在于：包括电动振动台、激光干涉仪、数据采集处理单元与计算机；

所述电动振动台包括信号发生器、控制器、功率放大器、振动台台体及质量块；所述信号发生器的输出端与振动台台体连接，用于给振动台台体施加正弦信号；所述控制器通过功率放大器与振动台台体连接，用于控制振动台台体的振动频率，所述功率放大器用于控制振动台台体的振动振幅；所述质量块通过待校力传感器固定在振动台台体上；

所述激光干涉仪发射激光至质量块，并接收从质量块反射回的激光，通过计算获得质量块的位移、速度及加速度，并将质量块的位移、速度及加速度输入至计算机；

所述数据采集处理单元包括放大器、数字电压表及数据采集系统；所述放大器与待校力传感器连接，用于将待校力传感器输出的电信号放大后分别输入至数字电压表及数据采集系统；所述数字电压表用于给待校传感器供电并显示其输出的电信号；所述数据采集系统用于将接收的电信号转化为相对应的测试力值，并将测试力值输出至计算机；

所述计算机包括存储器及处理器，所述存储器中存储计算机程序，所述计算机程序在处理器中执行时，实现以下校准过程：

步骤一、发送控制指令至控制器与信号发生器，控制振动台按照正弦信号在设定振幅与频率下振动；

步骤二、根据激光干涉仪发送的质量块的加速度利用公式计算标准力值，其中m1为质量块质量，m1为待校力传感器敏感件上部及力传感器与质量块之间联接件的等效质量之和；

步骤三、利用标准力值校准测试力值，实现对待校力值传感器的校准。

进一步地，取质量块顶面的平均加速度值为加速度通过下述方法获得：

在同一个校准频率下，对质量块顶面中心点进行多次测量，获得多个加速度值，取其平均值作为质量块顶面的加速度值。

进一步地，为了获取精确的质量块加速度，取质量块顶面的平均加速度值为加速度通过下述方法获得：

在同一个校准频率下，对质量块顶面多个点进行测量，获得多个加速度值，取其平均值作为质量块顶面的加速度值。

进一步地，在质量块顶面中心及径向1/2半径的圆周处选取多个测量点进行测量。

进一步地，还可以取质量块的整体平均加速度值为加速度通过下述方法获得：

其中为质量块顶面的平均加速度值，k0为加速度因子，通过下式计算：

其中，ρ为质量块的密度，kg/m³，e为质量块的弹性模量，n/m²；l为质量块的长度，m；c为质量块的纵波速度，m/s；ω为振动角频率，1/s。

进一步地，为了获得更为准确的标准力值，步骤二中利用公式计算标准力值，其中m1为质量块质量，m1为待校力传感器敏感件上部及力传感器与质量块之间联接件的等效质量之和；m2为力传感器敏感件下部及力传感器与振动台之间联接件的等效质量之和；m2为振动台动圈质量。

进一步地，该系统还包括二维位置控制平台；所述激光干涉仪的测量头安装在二维位置控制平台上。

进一步地，所述激光干涉仪为氦氖激光器光源外差式激光干涉仪。

进一步地，所述质量块顶面设有反射膜。

本发明还提供一种利用上述的用于小力值传感器溯源的正弦动态力校准系统实现小力值传感器的校准方法，包括以下步骤：

s1、确定待校力传感器的力值范围f(t)；

s2、根据力值范围确定质量块的有效质量和形状，所述有效质量包括m1、m1、m2、m2；

s3、根据或计算加速度通过控制控制器及功率放大器控制振动台的振幅及频率，使得激光干涉仪输出的加速度等于其中与振幅l及频率f的关系为

s4、在步骤三调节后的振幅及频率条件下，对待校传感器进行校准，具体过程如下：

s41、计算机发送控制指令至控制器与信号发生器，控制振动台按照正弦信号在步骤三调节后的振幅及频率条件下振动；

s42、激光干涉仪测量质量块的加速度并发送至计算机；

s43、计算机根据激光干涉仪发送的质量块的加速度利用公式或计算标准力值，其中m1为质量块质量，m1为待校力传感器敏感件上部及力传感器与质量块之间联接件的等效质量之和；m2为力传感器敏感件下部及力传感器与振动台之间联接件的等效质量之和；m2为振动台动圈质量；

s44、利用标准力值校准测试力值，实现对待校力值传感器的校准。

本发明的有益效果是：

1、本发明正弦力计量校准装置，采用激光干涉法直接测量加速度，准确度最高，避免了测量链中由加速度传感器校准和测量带来的附加误差；且激光干涉仪进行加速度非接触测量避免了由加速度传感器的安装带来的附加质量造成质量块上加速度分布的复杂化；另外激光干涉仪可以对质量块和力传感器表面任意点的加速度进行测量，可以更透彻地测量加速度分布情况，能够获得更精确的标准力值；

2、本发明根据待校小力值传感器的力值范围设计质量块的有效质量，并根据质量块的有效质量及待校力值范围推算质量块的加速度，通过控制振动台的振幅及频率调节质量块的加速度至计算值，在该振幅及频率下实现待校小力值传感器的校准，进一步提高了姿控发动机动态推力测量的现场校准技术，为姿控发动机力值溯源提供有效依据，为总体提供更科学、更准确的发动机小力值测量结果，为卫星、武器型号的精确调姿提供保障。

附图说明

图1为本发明用于小力值传感器溯源的正弦动态力校准系统示意图；

图2为正弦力计量校准等级序列(量值溯源图)。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。

从图1可以看出，本发明用于小力值传感器溯源的正弦动态力校准系统主要包括电动振动台、激光干涉仪、数据采集处理单元与计算机。

选用电动振动台作为执行器，再配以相应的信号发生器和功率放大器，来实现所需的标准正弦动态力。结合图1，电动振动台主要包括信号发生器、控制器、功率放大器、振动台台体及质量块；其中信号发生器的输出端与振动台台体连接，用于给振动台台体施加正弦信号；控制器通过功率放大器与振动台台体连接，用于控制振动台台体的振动频率，功率放大器用于控制振动台台体的振动振幅；质量块通过待校力传感器固定在振动台台体上，且质量块顶面设有反射膜。正弦力校准时在电动振动台面安装力传感器，力传感器上连接着质量块，必要时通过导向约束减少质量块横向运动。

本发明进行动态力值传感器校准时，采用激光干涉仪直接进行加速度测量，激光干涉仪发射激光至质量块，并接收从质量块反射回的激光，通过计算获得质量块的位移、速度及加速度(具体计算过程为现有技术)，并将质量块的位移、速度及加速度输入至计算机；通过将激光干涉仪的测量头安装在二维位置控制平台上实现加速度的扫描测量。

数据采集处理单元包括放大器、数字电压表及数据采集系统；放大器与待校力传感器连接，用于将待校力传感器输出的电信号放大后分别输入至数字电压表及数据采集系统；数字电压表用于给待校传感器供电并显示其输出的电信号；所述数据采集系统用于将接收的电信号转化为相对应的测试力值，并将测试力值输出至计算机。

计算机包括存储器及处理器，所述存储器中存储计算机程序，所述计算机程序在处理器中执行时，实现以下校准过程：

步骤一、发送控制指令至控制器与信号发生器，控制振动台按照正弦信号在设定振幅与频率下振动；同时激光干涉仪测量加速度；

步骤二、根据激光干涉仪发送的质量块的加速度利用力值公式计算标准力值，标准力值等于其驱动的有效质量乘以其加速度；

步骤三、利用标准力值校准测试力值，实现对待校力值传感器的校准。

信号发生器产生一定频率的正弦信号，驱动电磁振动台工作，即电动振动台驱动线圈处于高磁感应强度的空隙中，所需振动信号从信号发生器产生并通入驱动线圈产生洛伦兹力为：f(t)＝nsbi(t)，其中n为驱动线圈匝数；s为驱动线圈每匝长度；b为驱动线圈所在磁场的磁感应强度；i(t)为驱动线圈中电流。假设驱动线圈、质量块上加速度a相等，则振动台激振力响应为：其中m1为质量块质量；m1为力传感器敏感件上部及力传感器与质量块之间联接件的等效质量之和；m2为力传感器敏感件下部及力传感器与振动台之间联接件的等效质量之和；m2为振动台动圈质量。由于力传感器上作用力为：因而在力传感器的作用力与振动台激振力之比为忽略力传感器与联接件质量影响可进一步简化，在力传感器的作用力与振动台激振力之比近似为因此，本发明可根据计算标准力值，为了更精确的获得标准力值可根据计算。

正弦力测量中质量块质量m1测量不确定很小，力传感器敏感件上部及力传感器与质量块之间联接件的等效质量m1之和的测量不确定度次之，加速度的测量不确定度占主导地位，因而正弦力溯源主要取决于加速度测量，国内外知名计量研究机构一直关注并尝试解决振动中质量块加速度的不均匀分布。

本发明在对力传感器进行校准时，采用激光干涉仪测量质量块顶面加速度的过程可以分为三类：

第一类，在每个校准的频率点，对质量块表面中心进行多次加速度测量，取其平均值作为质量块顶面的加速度值。本发明加速度测量采用最佳测量不确定度参考频率点±0.05％，其它频率点±0.1％的氦氖激光器光源外差式激光干涉仪，其测量头安装在二维位置控制平台上实现加速度的扫描测量。

第二类，在同一个校准频率下，对质量块顶面多个点进行测量，获得多个加速度值，取其平均值作为质量块顶面的加速度值。可采用定位准确度优于2μm的计算机二维控制装置控制平台运动，对质量块顶面加速度分布进行测量，如在质量块顶面中心及径向1/2半径的圆周处测量加速度控制振动台。

第三类，取质量块整体平均加速度值为加速度通过下述方法获得：

其中为质量块顶面的平均加速度值，k0为加速度因子，通过下式计算：

其中，ρ为质量块的密度，kg/m³，e为质量块的弹性模量，n/m²；l为质量块的长度，m；c为质量块的纵波速度，m/s；ω为振动角频率，1/s。

本发明采用激光干涉法建立的正弦力计量校准装置基于labview平台实现系统控制与信号分析。信号发生器发出正弦信号，振动台按照正弦信号进行振动，同时激光干涉仪测量加速度，质量是已知的，提前是软件中设置好的，进而达到测量加速度的目的，力传感器幅值灵敏度测量不确定度评估参考频率点(160hz)urel＝1.0％，其他频率点urel＝2.0％。

本发明通过下述方法，实现小力值传感器的校准：

首先，确定待校力传感器的力值范围f(t)，如5n～50n；

其次，根据确定的力值范围设计质量块的有效质量和形状，所述有效质量包括m1、m1、m2、m2；质量块的形状为具有一定厚度及高度的柱体；

其次，根据或计算加速度根据加速度平均值计算正弦力的幅频特性和相频特性，通过控制控制器及功率放大器控制振动台的振幅及频率，使得激光干涉仪输出的加速度等于其中与振幅l及频率f的关系为

最后、在调节后的振幅及频率条件下，对待校传感器进行校准，具体过程如下：

1、计算机发送控制指令至控制器与信号发生器，控制振动台按照正弦信号在步骤三调节后的振幅及频率条件下振动；

2、激光干涉仪测量质量块的加速度并发送至计算机；

3、计算机根据激光干涉仪发送的质量块的加速度利用公式或计算标准力值，其中m1为质量块质量，m1为待校力传感器敏感件上部及力传感器与质量块之间联接件的等效质量之和；m2为力传感器敏感件下部及力传感器与振动台之间联接件的等效质量之和；m2为振动台动圈质量；

4、利用标准力值校准测试力值，实现对待校力值传感器的校准。

根据正弦力定义、测量方法研究制定的量值溯源，如图2所示，图中ur为动态力扩展测量不确定度。正弦力计量校准等级序列明确了正弦力标准向工作计量器具量值传递的程序、测量不确定度及校准方法，并要求正弦力标准装置之间应进行比对。

原级标准用激光干涉法测量加速度，正弦力溯源到长度、时间、质量与电量；次级标准用加速度计法测量加速度，正弦力溯源至质量、加速度与电量，其加速度测量系统应采用激光干涉(绝对法)校准。次级标准加速度计法正弦力标准装置只能向工作用力传感器和测力系统进行量值传递；而原级标准激光干涉法正弦力标准装置既可向动态力标准传感器或测力系统进行量值传递，也可向动态力工作传感器和测力系统进行量值传递。