精密離心機的現狀與未來

楊 明,湯 莉,張春京,胡吉昌,鐘正虎

(1.北京航天控制儀器研究所，北京 100039;2.北方工業大學，北京 100144)

精密離心機的現狀與未來

楊 明1,2,湯 莉1,張春京1,胡吉昌1,鐘正虎1

(1.北京航天控制儀器研究所，北京 100039;2.北方工業大學，北京 100144)

精密離心機是用于慣性器件檢定、校準和測試的高精度慣導測試設備。它通過主軸的高速旋轉在儀器艙內產生加速度場，從而實現對慣性器件使用過程中加速度環境的模擬。精密離心機的主要技術指標就是它產生的加速度的范圍和不確定度, 目前，我國精密離心機正朝著更精確的加速度不確定度水平、大負載、多軸、溫度試驗等方向發展。

慣性器件；加速度；加速度計；精密離心機

0 前言

精密離心機是標定加速度計在高過載性能的慣導測試設備。精密離心機所產生的加速度的準確度和姿態準確度直接影響被測加速度計的標定精度[1]。因此，提高精密離心機的系統準確度是提高加速度計的測試和標定精度的重要手段。對于高精度的應用，特別是大過載條件下應用的慣導系統，除了在重力場中的進行±1g范圍試驗外，還需要在精密離心機上進行n倍地球表面重力加速度(g)的全量程檢測[2]。目前，從事導航姿態控制的科研院所已經將精密離心機作為導航控制運動的必要裝備，我國精密離心機正朝著更精確的加速度不確定度水平、大負載、多軸、溫度試驗等方向發展。測試對象也從單一的加速度計擴展到慣性平臺及捷聯慣組。

1 國內外精密離心機發展概況

精密離心機可以定義為利用牛頓力學原理，通過角運動復現加速度物理量值，以校準/檢測線加速度計、陀螺、慣性導航/制導系統誤差模型參數的標準裝置/檢測設備。

常用的精密離心機可大致分為桁架式長臂離心機、圓盤式小型離心機、雙(多)軸反轉離心機和帶溫控箱的短臂/圓盤式離心機。

桁架式長臂離心機的優點是負載質量大、尺寸大、轉臂長、轉速較慢，試驗半徑尺寸測量精度高、施加加速度精度較高，但缺點是轉子質量巨大，轉臂俯仰角和方位角變化大，結構設計和安裝復雜，且對軸系摩擦要求嚴格，往往需要氣浮或液浮軸承支撐，需要測量動態俯仰角和方位角，經濟投入和運行成本也較大。長轉臂的中大型精密離心機國外的典型案例是早期MIT(麻省理工學院)的9.81m半徑精密離心機及CIGTF公司的G460精密離心機(半徑2.54m)[3]；國內的典型案例是北京航天控制儀器研究所的L-2H精密離心機(半徑3.4m)。美國在20世紀50、60年代中期己開始使用這種慣導用大型精密離心機，MIT的大轉臂精密離心機因其功能少、精度低、造價又高，以后再沒有看到發展這種慣導用精密離心機的報道。G460精密離心機在20世紀60～80年代得到廣泛使用。英、法、德、日、巴基斯坦等國都有此離心機，它在慣導中主要用于對加速度計進行靜態模型辨識、標定和對被測對象在“鳥籠”(儀器艙)上的調心，加速度范圍為0.25～25g； 加速度不確定度達到5×10-6[4]。我國自行研制的L-2H精密離心機詳細介紹可見2.1節。

圓盤式小型離心機的轉子質量小、結構簡單、成本較低，但轉臂較短，要獲得同樣大小的加速度輸入，就必須提高它的轉速。由于陀螺加速度計在離心機高速轉動下外環軸方向附加陀螺干擾力矩的存在，會影響陀螺加速度計的輸出精度，故圓盤式小型單軸離心機不適用于陀螺加速度計。另一方面，由于圓盤式小型離心機的轉臂短，動態半徑測試誤差的影響較大，故主要用于K2項(為加速度計誤差模型中二階非線性誤差系數)和交叉耦合二次項Kip(加速度計輸入軸與擺軸交叉耦合項系數)、Kio(加速度計輸入軸與輸出軸交叉耦合項系數)或陀螺與加速度有關二階項的測試和標定。圓盤式小型精密離心機國外的典型案例是門捷列夫計量科學研究院慣性測量基準體系實驗室的CHP精密離心機(半徑1m)[3]；國內的典型案例是中國工程物理研究院總體工程所的JML-100G精密離心機(半徑1m)。CHP精密離心機加速度范圍為0.5～75g； 加速度不確定度達到2×10-6。JML-100G精密離心機詳細介紹可見2.4節。從技術指標分析，JML-100G精密離心機優于國外技術水平。

雙軸反轉平臺的離心機的結構形式是在離心機的負載部位安裝一個反轉臺，當離心機與反轉臺以大小相同、方向相反的角速率同時轉動時，安裝于反轉臺臺面上的被測件的角運動被抵消。由于這種運動形式在反轉臺上加速度計敏感方向產生的輸入為周期性的正弦曲線，故這種離心機的另一個用途是可用來做加速度計的線振動試驗。國外的典型案例是門捷列夫計量科學研究院慣性測量基準體系實驗室的DC-3精密離心機；國內的典型案例是北京航天控制儀器研究所引進的DC-4精密離心機(半徑0.38m)。目前我國雙軸反轉平臺精密離心機主要依賴進口俄羅斯產品，加速度范圍及精度：中央臺0.8～50g；綜合精度2～5×10-6；邊緣臺0.8～25g；諧波加速度頻率0.5～30Hz[5]。

帶溫控箱的短臂/圓盤式離心機是指在短臂/圓盤式離心機的基礎上增加溫控箱，適應被測產品全溫度域的測試。國外的典型案例是Acutronic公司的AC1135-TC系列精密離心機(半徑0.4m)；國內的典型案例是北京航天控制儀器研究研制的TBL-SC0101-A帶溫控箱小型離心機(半徑0.55m)。AC1135-TC加速度范圍為：0.5～200g；加速度不確定度補償后可達到2×10-5。溫度范圍為-50℃～+125℃，溫度波動度：≤1℃，升降溫速率：≥5℃/min[6]；TBL-SC0101-A加速度范圍為：0.5～80g；加速度不確定度補償后可達到5×10-5。溫箱指標與AC1135-TC相同。

2 國內主要精密離心機技術方案介紹

在慣性導航系統中，彈箭的飛行加速度大于1g甚至幾十g。最經濟有效的產生加速度的設備就是精密離心機。精密離心機是標定加速度計在高過載條件下輸出性能，包括儀表的非線性及模型方程中的各高次項系數的測試設備。精密離心機的主要功能有：1)考核各種慣性器件在高加速度下的性能；2)驗證加速度計在大于1g狀態下的標定結果與1g狀態下的精確標定結果的一致性；3)確定正確模型，分離誤差系數，進行誤差分析[7]。

2.1 L-2H精密離心機

L-2H精密離心機是我國1960年開始，由錢學森主導立項，自主研發的大型桁架式長臂精密離心機，主要由離心機主機、靜壓軸承供油系統、指令系統、穩速系統(包括機電聯鎖保護)、轉速測量系統、靜動態半徑測量系統、動態光學俯仰角測量系統、加速度計測試裝置、計算機數據采集處理系統、離心機運轉監控裝置等幾部分組成。

在分布格局上，地下一層是離心機機房，離心機機座和四周圓形墻壁;地下二層是油泵間，布置有整個靜壓軸承供油系統；地面是離心機控制測試中心機房，包括電氣控制系統、數據采集處理系統、離心機運轉監控系統。加速度不確定度達到1.5×10-5，最大輸出加速度達到30g。

圖1 L-2H精密離心機Fig.1 L-2H precision centrifuge

2.2 MCTR200精密離心機

由北京航天控制儀器研究所研制的MCTR200小型大加速度精密離心機結構采用圓盤形式，主要由離心機主機、運動控制單元、轉速測量單元、伺服驅動單元、動態半徑測量單元、加速度計測試裝置單元、離心機運轉監控裝置單元等幾部分組成。其主機部分如圖2所示。加速度不確定度達到5×10-6，最大輸出加速度達到86g。

圖2 MCTR200精密離心機Fig.2 MCTR200 precision centrifuge

2.3 JML-I型精密離心機

由哈工大研制的JML-I精密離心機是目前亞洲唯一的大轉臂末端裝有帶反轉 “鳥籠”的高端三軸精密離心機，其技術指標優于美國G460S離心機，接近CGC 公司445型精密離心機。由于其大臂末端裝有反轉平臺，所以能夠為陀螺儀、擺式積分陀螺加速度計(PIGA)等對角速率矢量敏感的高精度陀螺類儀表提供接近零轉速的測試環境。加速度不確定度達到1×10-6，最大輸出加速度達到25g。

其主機部分如圖3所示。

圖3 JML-I型精密離心機Fig.3 JML-1 precision centrifuge

2.4 JML-100G精密離心機

由中國工程物理研究院總體工程研究所研制的JML-100G精密離心機為小型盤式精密離心機，主要由1800t抗振一體化基座、精密機械系統、拖動控制系統、精密測量系統、校準應用系統、精密運行環境包裝系統等幾部分組成。

這是國家重大科學儀器設備開發專項——“高精度慣性儀表校準檢測裝置研制及應用”項目，其加速度不確定度達到1.4×10-6，最大輸出加速度達到100g，處于國際先進水平[8]。

圖4 JML-100G型精密離心機Fig.4 JML-100G precision centrifuge

3 精密離心機技術

3.1 精密離心機誤差模型

離心機的系統準確度包括離心機的向心加速度準確度和離心機儀器艙工作基面(用于安裝被測加速度計的安裝面)的姿態準確度。向心加速度準確度影響到加速度計試驗時輸入到加速度計的加速度的準確度，它主要與離心機半徑和旋轉的角速度的控制和測試的準確度有關，而離心機的姿態準確度直接影響向心加速度和重力加速度能否精確輸入到加速度計坐標系的敏感軸上，由加速度計坐標系相對地理坐標系的姿態準確度與加速度計坐標系相對主軸坐標系的姿態準確度兩部分組成。誤差模型可參見IEEE加速度計精密離心機測試規范[3]。

表1 向心加速度的主要誤差源

為正確傳遞離心機復現的加速度量值到被測試件，需要專門針對測量基準對準和保持裝置進行細致化的設計[9]。

3.2 精密離心機的關鍵技術

精密離心機作為一種高端、超精密設備，主要存在以下幾個方面的問題，這也是研制精密離心機必需突破的技術方向。

(1)精密支撐技術

桁架式長臂離心機由于轉動部分質量巨大，轉速精度要求高，常需采用較大的氣浮或液浮軸承支撐。圓盤式小型離心機雖然因為轉子質量較小而可以采用氣浮或機械軸承，使用機械軸承必須考慮到軸承的磨損、發熱、可更換性等問題。從目前的研究效果來看，采用型號合適的滾動軸承、適當的安裝和正確的預載荷后達到的幾何精度可以接近空氣軸承的試驗數據。

(2)伺服驅動技術

隨著對精密離心機速率精度、平穩性指標要求的提高，采用高性能模塊化嵌入式計算機控制系統進行控制已成為伺服系統發展的趨勢，選擇高性能交流伺服驅動裝置，有利于實現控制精度的進一步提高，其先進的控制伺服算法和控制策略可滿足系統所需的控制指標。轉速精度可以達到10-7量級。

(3)信號傳輸技術

由于精密離心機高速轉動對機械式導電滑環的磨損相對較大，且測試中滑環噪聲對信號的輸出質量也有很大影響。在精密離心機中可以采用水銀滑環，可以有效地降低信號噪聲并延長滑環使用壽命。水銀滑環通道一般為模擬量信號，例如：微小電壓、電流、高頻等信號，而電刷滑環通道一般為數字量信號及功率信號使用[5]。

2.1分析上述實施品管圈前后尿標本留取合格率,采用品管圈管理后觀察組患者的合格率明顯高于對照組,p<0.05,見表1。

(4)動態半徑及失準角測量技術

對于離心機動態半徑及失準角的測量，目前根據實際測量時的測量精度、測量范圍等設計具體測量方案。對于離心機動態半徑及失準角的測量，可采用接觸式、非接觸式測量方法,有直接、間接測量的方法。動態半徑是一個相對量的概念，所以在測量時存在測試基準的問題，測試基準存在內基準和外基準。內基準是動態半徑測試系統在測量過程中隨離心機的大臂一起轉動的。外基準是動態半徑測試系統位于離心機機體之外，只是用于測試動態半徑的傳感器的一個極板而安裝在離心機大臂上(或圓盤式的測量平臺上)，隨大臂一起轉動。內基準測試方法的缺點是：測試不出是由離心機主軸回轉誤差引起的還是由動不平衡造成的主軸擾動引起的半徑變化；外基準測試方法的缺點是：基準變化會造成測試誤差和不能連續測試[10]。

4 我國精密離心機的發展展望

4.1 雙軸反轉精密離心機技術

隨著陀螺加速度計精度和測試要求的進一步提高，需要高精度的雙軸反轉離心機與之配套[11]。在引進國外先進設備技術的條件下，自行開發設計研究可以用于測試慣性平臺及捷聯慣組雙軸反轉的精密離心機。

儀表級試驗的硬件條件已經基本具備，今后在主軸與從軸轉速鎖定的基礎上，實現主軸與從軸的相位鎖定，實現慣性平臺系統姿態角-航向誤差的標定。

4.2 精密離心機誤差模型及補償

離心機測試的另一個發展方向是不再一味追求提高測試設備的精度，而只需要知道設備各項誤差的量值，在測試中利用有效的方法剔除。

4.3 測試標定方法

不管是離心機動態半徑測量，還是轉速測量，傳統的測量方法都是傳感器多次測量取平均的方法。這種方法既不能消除測試方法的系統誤差，也不能得到被測量的瞬時值。利用多傳感器對被測量進行測量，并通過一定算法將測量結果進行融合，可提高測量的準確性[13]。MCTR200小型大加速度精密離心機動態半徑測試系統多傳感器測量動態半徑的方法就是一個例子。

為了準確測量離心機瞬時的轉速值，利用光電編碼器、多面棱體和高精度激光陀螺構成一個多元測量系統，三者互相校準，從而使測量精度有了很大提高。

4.4 離心機測試的標準化

目前國內外普遍引用的精密離心機測試標準規范是美、俄、法三國聯合修訂的IEEE std 836-2009[3]，出于多種考慮，該文獻仍不夠完整，僅適用于商用級線加速度計。與之相比，在概念的準確性、理論的深度、方法的實用性上，國內缺少配套的指導性文件，今后研究的方向是逐步形成國內的陀螺、線加速度計產品檢測國家標準。

5 結論

火箭、導彈、飛機等飛行器的發射、起飛、大機動等過程中，面臨的實際環境往往不是單一的環境變量，而是大的輸入比力、振動、沖擊、較高的旋轉角速度等復合的環境變量。在復合的環境中，各項因素的組合并不等于其簡單的疊加。各種器件在復合環境中更容易暴露出薄弱的環節，反映出單一環境試驗不能發現的問題[14]，真實性更強。對慣性器件而言，在真實、復雜的環境中其性能究竟如何，對于自主導航精度的影響有多大，目前國內尚缺乏足夠的研究，而又面臨著國外技術封鎖，對產生復合環境的設備就顯得尤為必要而迫切[15]。

精密離心機成為在高g輸入及諧波加速度等復合力學條件下，加速度計標定高階誤差模型系數、陀螺儀標定誤差高次項漂移率系數的關鍵設備。

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The Status and Future of Precision Centrifuge

YANG Ming1,2, TANG Li1, ZHANG Chun-jing1, HU Ji-chang1,ZHONG Zheng-hu1

(1.Beijing Aerospace Institute of Control Device, Beijing 100039，China;2.North China University of Technology, Beijing 100144，China)

Precision centrifuge is used for inertial device verification,calibration and testing of high precision inertial navigation test equipment. Acceleration field in the instrument cabin is produced by the high-speed rotation of the spindle, so as to realize the simulation of the intertial acceleration environment in the process of using the inertial device. Precision centrifuge major technical indicators are that it produces acceleration range and uncertainty. At present,the precision centrifuge is moving toward the direction which is the more precise level of uncertainty, large load ,multi-axis and temperature test.

Inertial device; Acceleration; Accelerometer; Precision centrifuge

10.19306/j.cnki.2095-8110.2016.05.004

2016-06-27；

2016-07-26。

總裝“十三五”預研基金(41417080401)

楊明(1973 - )，男，碩士，高級工程師，主要研究方向為慣性導航裝備設計。E-mail：bright_sun_man@sina.com

TJ05;V416

A

2095-8110(2016)05-0017-05