朱 剛 楊曉偉 劉 鑫 魯 敏 李 翀

(1.北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100076；2.北京遙測(cè)技術(shù)研究所，北京 100076； 3.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109)

1 引 言

傾斜搖擺試驗(yàn)臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)搖擺臺(tái))主要用于模擬在潛艇、航母、艦艇、水上飛機(jī)、行進(jìn)火炮等裝備上的各類(lèi)機(jī)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(jí)傾斜和搖擺的工作適應(yīng)性和結(jié)構(gòu)的完好性[1]。我國(guó)自上世紀(jì)就已經(jīng)開(kāi)始制定傾斜搖擺試驗(yàn)的相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)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(yàn)的角度、周期、試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間等的試驗(yàn)要求，為我國(guó)水面設(shè)備及水面運(yùn)輸裝備的可靠性試驗(yàn)提供了必要的依據(jù)[2,3]。國(guó)內(nèi)的試驗(yàn)設(shè)備生產(chǎn)廠家也生產(chǎn)了滿足這些試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)設(shè)備，滿足科研生產(chǎn)單位對(duì)于傾斜搖擺試驗(yàn)的需求。為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，國(guó)內(nèi)的計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)，早已開(kāi)展對(duì)于搖擺臺(tái)的校準(zhǔn)工作，目前現(xiàn)狀是校準(zhǔn)方法不統(tǒng)一，動(dòng)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(yàn)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(jì)對(duì)傾斜搖擺試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行校準(zhǔn)的方法，構(gòu)建了校準(zhǔn)系統(tǒng)并進(jìn)行了校準(zhǔn)不確定度評(píng)定。

2 搖擺臺(tái)校準(zhǔn)原理

2.1 搖擺臺(tái)工作原理

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(duì)于設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)[4]。傾斜搖擺試驗(yàn)臺(tái)主要用于實(shí)現(xiàn)傾斜、搖擺、振蕩以及它們的綜合試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)的校準(zhǔn)涉及到靜態(tài)角度、動(dòng)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(guò)程繁復(fù)。

2.2 搖擺臺(tái)校準(zhǔn)方法

選擇具有零頻響應(yīng)的高靈敏度加速度計(jì)(頻率范圍DC～100Hz)可對(duì)搖擺臺(tái)全部參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。

具有零頻響應(yīng)的加速度計(jì)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)加速度計(jì))是指對(duì)重力加速度具有響應(yīng)的變電容式等原理的加速度計(jì)，利用加速度計(jì)的這一特性，可以用來(lái)測(cè)量靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的角度。當(dāng)加速度計(jì)的敏感軸方向與重力加速度方向平行時(shí)，受到重力加速度作用，加速度計(jì)輸出與重力加速度成正比。當(dāng)加速度計(jì)的敏感軸方向與重力加速度方向垂直時(shí)，加速度計(jì)輸出與重力加速度無(wú)關(guān)。當(dāng)加速度計(jì)的敏感軸方向垂直于重力加速度方向時(shí)所受的加速度為0，當(dāng)加速度計(jì)傾斜角度為θ時(shí)，沿著加速度計(jì)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(cè)量原理如圖2所示。

圖2 使用加速度計(jì)校準(zhǔn)原理圖Fig.2 Principle of calibration by accelerometer

(1)

式中：θ——加速度計(jì)測(cè)量的傾斜角度值；S——加速度計(jì)的靈敏度；g——當(dāng)?shù)刂亓铀俣?；V0——搖擺臺(tái)在水平位置時(shí)加速度計(jì)的直流輸出；V——搖擺臺(tái)傾斜后加速度計(jì)的直流輸出。

當(dāng)使用加速度計(jì)測(cè)量搖擺角度時(shí)，首先使搖擺臺(tái)置于水平位置，安裝加速度計(jì)使其敏感軸方向垂直于重力加速度和傾斜的軸線，搖擺臺(tái)搖擺后，使用動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀的交流耦合方式測(cè)量加速度計(jì)的交流輸出峰值VP。參照公式(1)的計(jì)算方法，加速度計(jì)測(cè)得的搖擺角度可根據(jù)式(2)計(jì)算。

(2)

式中：φ——加速度計(jì)測(cè)量的搖擺角度值；VP——搖擺臺(tái)搖擺后加速度計(jì)的輸出峰值。

2.3 校準(zhǔn)裝置

校準(zhǔn)裝置主要由加速度計(jì)及配套的放大器、動(dòng)態(tài)信號(hào)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(jì)經(jīng)供電放大器輸出端與動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀相連時(shí)可用于傾斜搖擺的角度、振蕩加速度、周期和失真度等的測(cè)量；與數(shù)字電壓表相連時(shí)，可用于靜態(tài)角度測(cè)量；與數(shù)字記憶示波器相連時(shí)，可用于傾斜搖擺角度、振蕩加速度和周期的測(cè)量。

圖3 校準(zhǔn)系統(tǒng)示意圖Fig.3 Setup of calibration system

校準(zhǔn)時(shí)，將搖擺臺(tái)臺(tái)面置于水平位置，將加速度計(jì)剛性安裝在試驗(yàn)臺(tái)臺(tái)面中心，加速度計(jì)的敏感軸方向應(yīng)平行于重力加速度的方向。當(dāng)進(jìn)行傾斜校準(zhǔn)時(shí)，在試驗(yàn)臺(tái)的傾斜角度范圍內(nèi)選取需校準(zhǔn)的角度，操作試驗(yàn)臺(tái)按照設(shè)定角度傾斜，使用動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀、數(shù)字電壓表或記憶示波器讀取加速度計(jì)的直流輸出，按照式(1)計(jì)算傾斜角度。當(dāng)進(jìn)行搖擺校準(zhǔn)時(shí)，在試驗(yàn)臺(tái)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(yàn)臺(tái)按照設(shè)定角度與周期搖擺，使用動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀或記憶示波器讀取加速度計(jì)的交流輸出，按照式(2)計(jì)算搖擺角度。同時(shí)，可以使用動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀或數(shù)字記憶示波器測(cè)量搖擺周期，使用動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀測(cè)量搖擺失真度等參數(shù)。

2.4 校準(zhǔn)結(jié)果

根據(jù)上述的校準(zhǔn)方法構(gòu)建校準(zhǔn)系統(tǒng)，使用美國(guó)PCB公司生產(chǎn)的3711型加速度計(jì)對(duì)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(yàn)臺(tái)進(jìn)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(tái)的傾斜和搖擺試驗(yàn)結(jié)果，振蕩測(cè)試的方法已有成熟的振動(dòng)測(cè)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(yàn)要求，結(jié)合搖擺臺(tái)的工作方式，使用加速度計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，能夠覆蓋搖擺臺(tái)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。

3 測(cè)量不確定度評(píng)定

3.1 測(cè)量模型

使用加速度計(jì)測(cè)量搖擺角度，它的測(cè)量模型由公式(2)得到。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度的A類(lèi)評(píng)定

對(duì)搖擺臺(tái)進(jìn)行搖擺角度測(cè)量時(shí)，A類(lèi)方法評(píng)定的不確定度主要來(lái)源于測(cè)量的重復(fù)性。設(shè)定搖擺角度為15°，搖擺周期為5s，對(duì)傾斜搖擺試驗(yàn)臺(tái)的搖擺角度重復(fù)測(cè)量10次，測(cè)量值如表5所示。

表5 搖擺角度測(cè)量值

Tab.5 Swing angle test result

搖擺角度測(cè)量值的平均值

搖擺角度測(cè)量平均值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差

搖擺角度測(cè)量值的A類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度以相對(duì)值表示為

3.3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度的B類(lèi)評(píng)定

對(duì)搖擺臺(tái)進(jìn)行搖擺角度測(cè)量時(shí)，B類(lèi)方法評(píng)定的不確定度主要來(lái)源如表6所示。

表6 B類(lèi)不確定度分量

Tab.6 Uncertainty components of method B

根據(jù)以上不確定度來(lái)源，得到搖擺角度測(cè)量的B類(lèi)不確定度為

3.4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

搖擺角度測(cè)量結(jié)果的不確定度分量獨(dú)立無(wú)關(guān)，故搖擺角度測(cè)量結(jié)果的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

3.5 擴(kuò)展不確定度

取包含因子k=2，則搖擺角度測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度

U=k·uc=1.6% (k=2)

根據(jù)以上測(cè)量不確定度的評(píng)定方法，可以得出，在搖擺臺(tái)全量程范圍內(nèi)，搖擺角度測(cè)量誤差為1.6%以?xún)?nèi)。

根據(jù)GJB150.23A-2009的要求，傾斜搖擺試驗(yàn)的角度幅值、搖擺周期不超過(guò)規(guī)定值的5%，失真度不大于15%。同試驗(yàn)結(jié)果比較可見(jiàn)，使用加速度計(jì)進(jìn)行搖擺臺(tái)校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度完全能夠滿足試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)要求。

3.6 校準(zhǔn)不確定度的驗(yàn)證

根據(jù)GJB 2749A-2009的規(guī)定，采用兩臺(tái)比對(duì)法，對(duì)以上測(cè)量不確定度進(jìn)行驗(yàn)證[5]。

本文中的測(cè)量采用美國(guó)PCB公司生產(chǎn)的3711型加速度計(jì)，對(duì)以上傾斜搖擺試驗(yàn)臺(tái)搖擺角度的進(jìn)行測(cè)量，其搖擺角度測(cè)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(guó)Sundsand Data Control公司生產(chǎn)的979-1300型伺服加速度計(jì)對(duì)相同的設(shè)備的搖擺角度進(jìn)行測(cè)量，得到測(cè)量結(jié)果為y2=15.28°，測(cè)量不確定度為U2=1.5%(k=2)。

測(cè)量不確定度的驗(yàn)證結(jié)果

可見(jiàn)，以上測(cè)量不確定度的評(píng)定方法可行，結(jié)果滿足搖擺臺(tái)的校準(zhǔn)與測(cè)試要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文給出的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)搖擺臺(tái)在靜態(tài)和動(dòng)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(guò)多年的應(yīng)用實(shí)踐證明，采用具有零頻響應(yīng)的高靈敏度加速度計(jì)可滿足搖擺臺(tái)的校準(zhǔn)要求，僅需一次安裝便可完成所有動(dòng)靜態(tài)性能參數(shù)的校準(zhǔn)，具有原理簡(jiǎn)單、操作方便的特點(diǎn)；同時(shí)，加速度計(jì)可以溯源至現(xiàn)有的國(guó)家基準(zhǔn)，具有完整的溯源鏈，保證了搖擺臺(tái)的量值準(zhǔn)確可靠，為規(guī)范搖擺臺(tái)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(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].機(jī)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(yàn) 第2部分：試驗(yàn)方法 試驗(yàn)：傾斜和搖擺[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[3] GJB150.23A-2009 軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第23部分：傾斜和搖擺試驗(yàn).北京：總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部，2009.

[4] 施建榮，施詩(shī)，張燕.論艦船裝備傾斜和搖擺環(huán)境適應(yīng)性與試驗(yàn)[J].裝備環(huán)境工程,2011(04)：41～44.

[5] GJB 2749A-2009 軍事計(jì)量測(cè)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.