用于直升機現場計量的低頻振動校準技術

楊 霖 鄭術力

(工業和信息化部電子第五研究所,廣州510610)

用于直升機現場計量的低頻振動校準技術

楊 霖 鄭術力

(工業和信息化部電子第五研究所,廣州510610)

本文面向直升機健康與使用監測系統(HUMS)的現場計量保障需求,針對其中振動傳感器在低頻段尚無法實現現場校準的現狀,提出了基于直線電機驅動技術的便攜式低頻振動校準技術方案。該方案利用高精度直線電機構造低頻標準振動源,采用穩定性高的石英撓性加速度計作為標準加速度計,具有體積小、精度高、現場環境適應性好的特點,非常適用直升機HUMS的現場計量保障。根據不確定度評估結果,該方案能夠實現0.5Hz～20Hz頻率范圍,0.01m/s2～20m/s2加速度范圍內不超過1%的校準不確定度(k=2)。

健康與使用監測系統 加速度計 低頻振動 現場校準 直線電機

1 引 言

直升機是近地、近海低空作戰中不可或缺的重要空中力量。如圖1所示,直升機在使用過程中,旋翼、尾槳、發動機、傳動裝置等旋轉運動部件要產生交變載荷,引起機體結構的受迫振動。機體結構的受迫振動會給直升機的使用帶來嚴重后果:如主要零部件、燃油動力系統的振動疲勞失效,機載裝備因產生振動而功能失效或失準,座艙的受迫振動影響駕駛員和乘員的舒適性等[1]。因此,對直升機振動水平進行監測及控制有著重要的現實意義。

為了監控一些影響飛行安全的參數,現代直升機上都裝備有健康與使用監測系統(Health and Usage Monitoring System,HUMS)。一般在HUMS中有數十個加速度計來監測、記錄直升機旋翼、發動機、傳動系統及機體等關鍵部位的振動水平[2]。鑒于旋翼主槳的低頻振動是直升機整體振動的主要來源[2],這些加速度計的工作頻率下限均要求能達到如1Hz甚至更低的頻率值,因而在低頻段對這些加速度計進行計量校準是保障直升機飛行安全、作戰性能及座艙舒適性的關鍵內容。

盡管加速度計的校準有成熟的技術方案,然而據我們所知,受限于現有低頻振動臺的加速度輸出幅值及測量信噪比,目前針對直升機HUMS加速度計的低頻校準均在實驗室中進行,尚無法實現現場校準。而實驗室校準往往存在計量周期長的問題,嚴重影響裝備的訓練計劃和快速響應能力,因而需要周期更短的現場計量的保障方式。

為了解決現有直升機裝備低頻振動現場計量需求無法得到滿足的問題,本文提出了一種便攜式低頻振動校準系統的技術方案,通過利用直線電機作為驅動源構造緊湊型低頻標準振動臺,結合低噪聲、高穩定性的石英撓性加速度計作為標準加速度傳感器,開發一種能夠輸出高加速度、低失真波形,適用現場計量的低頻振動校準裝置。

2 校準技術方案

2.1 總體技術方案

根據 JJG 233—2008《壓電加速度計檢定規程》[3]的相關要求,直升機上HUMS系統的加速度計作為工作用傳感器,可采用比較法進行計量檢定。據此我們可以制定本文所提出的低頻振動校準系統的總體方案,其組成結構如圖 2所示。

如圖2所示,比較法低頻振動校準系統主要由標準加速度計套組(標準加速度計與信號適調器)、低頻標準振動臺(包括振動臺體及其控制部分)、數據采集與分析模塊(包括數據采集卡與分析軟件)三部分組成。該校準系統的一般測量方法描述如下。

標準加速度計與被檢加速度計背靠背剛性連接,安裝在振動臺的臺面上,兩加速度計的靈敏軸方向與振動臺運動方向在一條直線上。上位機PC通過控制信號發生器產生一正弦信號,驅動振動臺進行單頻穩態正弦往復運動。標準加速度計與被檢加速度計對振動臺的同一振動參量產生響應,其輸出分別經兩精密信號適調器放大調理后輸入到一兩通道的數據采集模塊,數據采集模塊通過對兩路電壓信號進行采樣后傳輸到上位機PC進行數據分析處理,結合標準加速度計的靈敏度計算得到被檢加速度計的靈敏度測量值。

將上述過程寫成數學表達式,則被檢加速度計的靈敏度可以表達為:

式中:S1,S2——標準加速度計和被檢加速度計的靈敏度幅值;X1,X2——標準加速度計和被檢加速度計的輸出電壓值(同為最大值、有效值或頻譜幅值)。標準加速度計的靈敏度幅值S1一般由絕對法校準得到。

為了便于下文對整個校準系統的不確定度進行評估,此處我們根據現場計量的需求對校準系統各部分進行了初步選型,其方案見表1。

表1 低頻振動校準系統各部分初步選型方案

2.2 標準加速度計套組方案

在表1中,校準系統的標準加速度計套組擬采用定制的高精度石英撓性加速度計。石英撓性加速度計是目前國內外水平最高的加速度計,在各類裝備、神舟系列飛船、探月工程等重大工程任務中均有廣泛使用,其工作原理如圖3所示。

如圖3所示,石英撓性加速度計是一個機電結合的慣性器件,系統主要由以下幾部分組成:a)檢測質量擺組件,當感受到載體加速度時能產生慣性力; b)電磁力矩器;c)差動電容傳感器,傳感到檢測質量做功時,其間電容值發生的變化;d)電子放大器。

當沿加速度計的輸入軸方向有加速度a作用時,由撓性擺和力矩線圈組成的檢測質量塊將由于慣性作用相對于平衡位置發生微小偏轉,從而產生慣性力Fa或慣性力矩,則差動電容器間距發生改變導致電容量發生變化,再通過伺服放大器電路檢測這一變化并變換成相應的輸出電流信號,電流信號被饋送到處于恒定磁場中的力矩器而產生反饋力Fb或反饋力矩,與輸入加速度引起的慣性力Fa或慣性力矩相平衡,直到再次恢復到平衡位置,電流大小通過檢測采樣電阻兩端電壓而得出。

石英撓性加速度計測量噪聲小、精度高、靈敏度優,常用于高精度慣性導航、地震測量及鉆井傾斜測量等需求場合,是作為振動計量標準器的良好選擇。此外,通過使用溫度誤差補償技術,石英撓性加速度計的溫度系數可以控制在很小的量級,溫度穩定性大大提升,環境適應性大大增強,非常適合直升機現場計量溫度條件變化大的使用場景。

2.3 低頻標準振動臺方案

2.3.1 低頻標準振動臺的研制特點

與中高頻振動計量不同,一般來說,低頻振動計量的難點在于如何提高傳感器的信噪比。鑒于振動臺的振幅存在上限,當振動頻率較低時,最大加速度幅值也隨之較小,使得傳感器的測量信噪比偏低,校準精度不能保證。因此,對低頻標準振動臺來說,增大振幅/行程可認為是提高低頻校準精度的最有效的手段。

對低頻標準振動臺而言,大行程的運動特點使得其擁有特定的研制難點。按驅動原理劃分,低頻標準振動臺的現有設計方案主要分為兩類:電磁型和電機型。如圖4所示,對于電磁型振動臺來說,大行程的特點使得其長氣隙內磁場分布不均勻,從而增加了振動臺運動控制的復雜度和臺體結構設計、加工方面的困難。

而對于電機型振動臺而言,如圖5所示,鑒于直線電機內部磁場可以無限延展,其不存在由大行程帶來的研制難點,只需克服直線電機內部磁場局部不平順帶來的推力波動的問題,而該問題已隨近年來直線電機的工藝及控制技術的快速發展而得到解決。

2.3.2 低頻標準振動臺的技術方案

針對以上低頻標準振動臺的研制特點,我們可以分析得出,從直升機裝備的現場計量實際需求出發,電機型方案相比電磁型方案有以下幾方面的優點:

1)電機型方案磁場均勻,行程可以做大。而對同樣的大行程,電磁型方案振動臺的研制難度則大得多。考慮到直升機現場的工作環境較復雜,現場計量不僅要求振動臺具有好的自穩定和抗干擾特性,而且需要振動臺能夠有較大的行程,輸出大的加速度幅值從而提高傳感器的測量信噪比,保障計量校準的精度。

2)電機型方案控制簡單,研制難度低。相比電磁型方案因為復雜的機電耦合模型和非均勻的磁場分布而導致的研制困難,電機型方案直接采用較為成熟先進的直線電機產品作為振動臺臺面的直接驅動源,控制簡單方便。

3)選用U型槽結構的電機,電機型方案的推力波動可以控制在很小。針對直線電機存在的局部磁場不平順、推力波動的問題,采用磁鐵間距較小的U型槽直線電機,磁場局部不平順大大改善,加上線圈動子的無鐵芯設計,齒槽效應不明顯,輸出推力波動大大減小。

圖6所示為我們選定的電機型低頻標準振動臺方案的結構組成。從圖中我們可以看出,該振動臺系統主要由直線電機、導軌及運動平臺、直線編碼器(光柵尺)、驅動器、控制器等部分組成。其中直線電機與直線編碼器均安裝在導軌內部,運動平臺與直線電機動子相連,其上設計有夾具安裝孔,用來與安裝加速度計傳感器的夾具(圖6中未畫出)相連。驅動器與直線電機、直線編碼器相連,結合計算機與控制器實現對運動臺(直線電機動子)位移的精確控制。

根據圖6所示設計方案,直線電機導軌運動臺尺寸預計不超過40cm×15cm×10cm,整個校準系統預計不超過60cm×40cm×25cm,單一儀器箱可以容納,方便現場計量使用。

直線電機位移伺服控制原理如圖7所示,伺服控制系統的被控對象為直線電機;檢測單元為電流傳感器、位置傳感器及其信號調理電路等;控制器為位置、速度和電流三閉環控制器;執行單元為直線電機驅動器的功率驅動電路等。通過電流環、速度環、位置環共三層的閉環反饋控制,可以實現對直線電機推力、速度、位移的實時精確控制。

伺服控制系統的核心就是控制器的設計,而控制器中常用的控制算法是根據偏差進行控制的PID控制算法[4]。典型的數字PID算法可由式(2)表示:

式中:e(k)——系統第k次輸入偏差;e(k-1)——系統第k-1次輸入偏差;u(k)——系統第k次輸出;KP,KI,KD——比例系數、積分系數和微分系數。

數字PID的參數設置對伺服控制系統的性能有很大影響,通常,伺服系統的控制器可以選擇P控制器、PI控制器、PD控制器和PID控制器。根據被控對象的特點以及控制精度等要求確定采用何種控制器。在運動伺服控制系統中最常用的是PI控制器,PI控制器具有較好的動態特性并且能夠消除穩態誤差,能夠滿足大部分運動控制系統性能要求。

在本文所提出的低頻標準振動臺方案中,其運動控制所輸出的是正弦往復運動,位移、速度、加速度三者均為連續交變的正弦曲線,因而對伺服運動控制系統中的位置控制、速度控制、電流控制三個控制器均應設定合適的PID調節參數,以消除穩態誤差并保持良好的動態特性。具體的PID參數需要在實際測試中反復調節選定。

3 實驗驗證

為了在實驗上驗證本文提出的低頻振動校準系統的技術方案可行,我們對其中的低頻標準振動臺的部分技術性能進行了初步的驗證。

我們以Newport公司的IDL225直線電機運動臺測試樣機作為研究樣品,進行初步的正弦往復運動測試。如圖8所示,給定直線電機的位移輸入為頻率0.4Hz、振幅100mm的正弦運動曲線,對直線電機進行伺服運動控制,運動臺實際位移如圖8(a),通過光柵尺進行測量,并通過兩次求導得到加速度測量曲線如圖8(c)。

根據 JJG 298—2015《標準振動臺檢定規程》[5],振動臺的加速度諧波失真度γ定義為:

式中:a1——基波的加速度幅值;ai——i次諧波的加速度幅值(i=2,3,4,5)。

根據以上定義,加速度曲線的高頻噪聲(高于5次諧波)不會對振動臺的加速度諧波失真度產生影響。據此,由圖8(c)和圖8(d)中的數據可以算得,振動臺的加速度諧波失真度為0.96%,遠小于JJG 298—2015規定的10%的技術指標。

除此之外,我們還對上述測試樣機在2Hz和20Hz正弦往復運動下的數據進行了測試,其結果如圖9和圖10所示。

根據式(3)的定義,我們可以計算得到2Hz(圖9)和20Hz(圖10)時正弦往復運動的加速度諧波失真度分別為0.86%和4.63%,同樣小于JJG 298—2015規定的10%的技術指標。

由此可以說明,采用直線電機作為低頻標準振動臺的技術方案在實施上是可行的,本文提出的電機型低頻標準振動臺方案是可以滿足表1所給出的低頻標準振動臺的指標要求的。

4 校準不確定度評估

結合表1給出的系統各部分的選型方案,我們可以對校準系統的不確定度進行整體評估。根據JJG 233—2008和JJG 298—2015檢定規程所列相關誤差項,可以分析得出低頻振動校準系統總體校準不確定度主要有如下分量:

1)讀數的重復性

該部分可由被測加速度計的10次獨立重復測量結果求得。一般情況下,我們可以估計該部分的標準不確定度分量u1不超過0.1%。

2)標準加速度計套組的靈敏度引入的不確定度

表1中選用的主標準器為定制的石英撓性加速度計,經校準后其精度指標可以達到:參考點擴展不確定度(k=2)為0.2%,通頻帶擴展不確定度(k= 2)為0.4%。因此,我們可以估計該部分的標準不確定度分量u2不超過:

3)數據采集精度引入的不確定度

根據Brüel&Kjaer公司的PULSE采集分析模塊的出廠指標,其單通道的電壓采集精度為0.2%,則我們可以估計該部分的標準不確定度分量u3不超過:

4)標準臺臺面失真度引入不確定度

根據表1給出的標準振動臺的技術指標,整個頻率范圍內,其加速度諧波失真度γ不超過10%。按照GB/T 20485.21—2007附錄D給出的不確定度計算方法,我們可以估計該部分的標準不確定度分量u4不超過:

5)橫向振動引入的不確定度

根據表1給出的標準振動臺的技術指標,標準臺的橫向運動比不超過10%,標準加速度計的最大橫向靈敏度比不大于2%,360°合成方差,按均勻分布,則可以估計該部分的標準不確定度分量u5不超過:

6)溫度、基座應變、磁場、安裝扭矩和其他環境因素引入的不確定度

根據經驗確定各項影響的極限為0.2%,按均勻分布,則可以估計該部分的標準不確定度分量u6不超過:

7)標準套組的年穩引入的不確定度

根據主標準器的定制指標,振動標準套組年穩小于0.5%,假設正態分布,則該部分的標準不確定度分量u7不超過:

5 結束語

本文結合直升機HUMS系統現場計量保障的需求,針對其中加速度傳感器在低頻段無法現場校準的現狀,提出了基于直線電機的低頻振動現場校準專用系統的研制技術方案。通過實驗與不確定度評估初步驗證,該方案能夠實現0.5Hz～20Hz頻率范圍,0.01m/s2～20m/s2加速度范圍內不超過1%的校準擴展不確定度(k=2)。

[1] 尹春望,童國榮.直升機振動水平控制技術途徑探討[J].直升機技術,2009,4:26～30.

[2] 曾烈田.直升機振動監測分析[J].科技致富向導, 2013,35:142.

[3] 全國振動沖擊轉速計量技術委員會.JJG 233—2008,壓電加速度計[S].北京:中國計量出版社,2008.

[4] Ang K H,Chong G,Li Y.PID control system analysis, design,and technology[J].IEEE T Contr Syst T,2005, 13(4):559～576.

[5] 全國振動沖擊轉速計量技術委員會.JJG 298—2015,標準振動臺[S].北京:中國質檢出版社,2015.

On-site Calibration Technique for Helicopter Vibration Sensors in Low Frequency Range

YANG Lin ZHENG Shu-li
(China Electronic Product Reliability and Environmental Testing Research Institute,Guangzhou 510610,China)

This paper presents a technique to fill the void in on-site calibration of accelerometers in helicopter health and usage monitoring systems(HUMS)within low frequency range.The technique employs a compact linear-motor-driven reference vibration exciter and a thermo-stabilized quartz flexible accelerometer to construct a portable,precise,and stable calibrating apparatus,which is quite fit for the onsite calibration of helicopter HUMS.According to the uncertainty estimation and calculation,an expanded calibrating uncertainty(k=2)of no more than 1%is expected of the apparatus over the frequency range of 0.5 Hz～20 Hz and the acceleration range of 0.01 m/s2～20 m/s2.

Health and usage monitoring systems Accelerometers Vibration in low frequency range On-site calibration Linear motor

1000-7202(2017)01-0048-07

TB936

A

2016-07-15,

2017-02-23

楊霖(1988-),男,工程師,博士,主要研究方向:振動和微納米計量技術。