紅外光電式沖量標定裝置關鍵技術研究*

張 銳

（長沙航空職業(yè)技術學院，湖南 長沙 410124）

目前，微型渦輪發(fā)動機、微型化學推進系統(tǒng)和微型電推進系統(tǒng)等高性能微型動力裝置的研制及性能測試，離不開對動力裝置的推力、沖量性能參數(shù)的測量。高精度的標定裝置是實現(xiàn)推力及沖量高精度測量的關鍵。重力標定法是通過將一定質量物體置于試驗機內，在合理的高度進行釋放，運用錘體自由下落的方式和沖擊測量臺架進行標定的方法，該過程涵蓋了重力勢能轉換為沖擊能量的轉化過程。通過判定紅外光電式沖擊速度，測量試驗品的剩余能量，是沖量標定的關鍵。

1 紅外光電式沖擊速度測量裝置的基本概述

首先，在落錘單一試驗機進行錘擊過程中，會受到導向裝置的摩擦、護管摩擦以及空氣阻力等作用，產生相應的熱能，導致能量出現(xiàn)一定的損失。所以，能量損失作為紅外光電式沖擊速度測量裝置在運行過程中的重點參數(shù)，可用于裝置的校準[1]。

其次，由于不同結構、材料對沖擊速度是具有不同要求的。通常情況下非金屬材料所需要的沖擊速度是相對較慢的，而金屬材料則需要較快的沖擊速度。據(jù)此，對鋼材撕裂試驗中的相關內容進行分析，得出落錘沖擊試驗機在運行過程中需要以5 m/s~9 m/s的速度運行，才能達到所需的檢測標準。誤差控制在0.5%，落錘在瞬間產生的沖擊速度更為重要[2]。

2 紅外光電式沖擊速度測量裝置分析

2.1 紅外光電式速度測量裝置運行原理

紅外光電式速度測量裝置的運行原理，是依附于兩個固定距離的圓柱，讓其可以安裝于磁力表座上，在沖擊試驗機以及磁力表座的落錘相連區(qū)域內，實現(xiàn)對紅外光電式速度的測量[4]。同時，沖擊速度測試裝置涵蓋了頻譜處理模塊、傳感器以及信號處理模塊等內容，會嚴格遵循信號的連接方式，通過正交混頻器、自動增益控制器、放大電路等相關裝置的運行接收信號，并可控制自動增益電路，合理排布電路之間的信號連接方式，通過整形電路以及濾波電路等手段，控制連接區(qū)域內的主頻為150 MHz。

同時，紅外光電式傳感器會與另外一個磁力表座進行連接，讓其可以完全固定于沖擊試驗機上，使其能夠應用于不同的位置上，在落錘工作實施過程中則可通過速度沖擊產生的差異，確認所需固定的距離并確保磁力表座可以穿過傳感器。這樣，沖擊速度測量裝置則可結合環(huán)境特點，增加在環(huán)境中的適應性，運用沖擊振動試驗機的方式，選取對應的實驗對象，確保其可以承受振動頻率，減少在設備運行過程中的干擾因素，利用環(huán)境優(yōu)勢激勵沖擊速度測量裝置的檢測工作的開展，運用兩次遮擋的方式計算出具體的時間間隔，并且能夠以兩個圓柱的距離為基礎，合理地計算出其速度[5]。

另外，沖擊速度作為控制的主要因素之一，根據(jù)實驗強度值，保證在系統(tǒng)中測速儀所檢驗的結果準確無誤，通過低速測量方式，縮短當前物體的沖擊面，從而讓傳感器的感應時間不會受到速度的振動影響。利用測速雷達，實現(xiàn)與多普勒信號的同步運行，進而高速采集數(shù)據(jù)。其中，落錘的沖擊能量的產生是源自于落錘在固定高度的自由落體運動[6]。所以，在紅外光電式速度測量裝置運行過程中，更應重視裝置中的重力勢能，通過重力勢能轉變?yōu)閯幽艿姆绞剑瑢崿F(xiàn)對落錘沖擊時間的測量，則可計算出該區(qū)域內的具體沖擊速度。

2.2 紅外光電式速度測量裝置研制手段

根據(jù)紅外光電式速度測量裝置的響應時間分析，若在0.1 ms以內，劃分為紅外線的類型，讓光感器作為主要的測量元件[7]。

首先，通過預留空間的拓展，讓所遮擋的圓柱可以通過此區(qū)域，將傳感器中的槽寬固定距離規(guī)劃為30 mm/50 mm。這樣，可降低其他因素以及可抗光帶來的干擾，增強裝置在環(huán)境中的適應性。

其次，工作頻率在300 kHz以內，則可運用多功能脈沖表對光電傳感器內的脈沖信號進行解讀，控制好其中存在的時間間隔，并且運用測量儀完成對脈沖信號的檢測工作[8]。

再次，需要運用計量溯源的方式，以時間作為基準，加強對時間的測量設計，保證兩次時間間隔保持一致，通過顯示值的設定，增加脈沖信號的應用，從而讓其能夠在下一時間內進行脈沖信號的輸入，這樣，則可控制多功能脈沖表，讓其中的顯示位數(shù)能夠調整為0.01 ms。

最后，選用互換性強、易于拆卸的磁力表座，擔任固定單元或遮擋鏈接模塊[9]。這樣，在圓柱直徑中的固定距離被確認后，則可將圓柱的直徑劃分為10 mm。由此方式，既可以滿足不同沖擊環(huán)境下的測量需求，又能夠通過中心距離設計的方式，讓圓柱中心距離可以分布為20 mm、50 mm、100 mm以及200 mm等規(guī)格。

基于該滑坡位移特征分析可知，其在2008年8月至2009年9月間的位移明顯，因此，選取該時段作為本文滑坡位移預測研究的對象。由于實際水位調度曲線具有一定波動性，為了更方便且合理地進行數(shù)值模擬，對三峽水位調度曲線進行概化，忽略局部微小波動，最終將該時段的水位調度簡化為以下8種計算工況(見表1)。

2.3 紅外光電式沖擊速度測量裝置的組成

1）通過高精度的計時器，控制其分度值在1 ms以內，運用優(yōu)化進度的方式，實現(xiàn)對開關信號的控制并劃分出觸電短路區(qū)域，完成后續(xù)的計時操作。

2）增加高靈敏度開關的應用，設置常開模式并規(guī)劃出平衡點所在位置，讓平衡點所在位置為常閉狀態(tài)，一旦其受到振動，則會瞬間斷開，將其響應時間規(guī)劃為0.2 ms。

3）設置按鈕開關為常閉開關。

4）通過沖擊振動板作為傳遞裝置，運用2 0 mm*400 mm*1 mm的普通鐵板作為沖擊振動傳遞板。將此板應用于砧座上方，在進行自由下落時落錘則會下落到底部。這樣，通過錘擊的方式，則可產生振動并保證常閉振動開關可以斷開，使計時器能夠在短時間內停止計時[10]。

2.4 溯源

通過紅外光電式沖擊速度測量裝置的校準方式，規(guī)劃出裝置的時間以及長度，控制其與兩個圓柱之間的距離，則可實現(xiàn)對紅外光電式沖擊速度測量裝置的溯源。

首先，在長度測量階段，可選用千分尺、測長機以及卡尺進行長度的校準工作。在測試工作執(zhí)行完畢后，根據(jù)動力特性試驗的操作規(guī)則，規(guī)劃出具體的沖擊速度，使其中的動態(tài)性參數(shù)，如阻尼、振型、頻率等更加明顯。這樣，在振動篩選試驗合理運行的基礎上，則可讓生產線上的組件、元器件、整機能夠合理地進行振動。同時，可通過落錘試驗的方式，計算得出在長度參數(shù)測量過程中裝置內存在的不確定度會高于0.03 mm。

其次，可讓沖擊試驗機的測量范圍控制在300 J以內，通過A/B/C的實驗方式，合理地運用半自動氣動夾緊裝置。在控制好沖擊試驗機的下落高度后，則可運用計算機設備實現(xiàn)對落錘升降狀況的觀察，通過電磁鐵的自動捕捉方式，避免試樣出現(xiàn)二次沖擊問題。

最后，若轉速標準裝置可以提供對應的標準轉速，則其可帶動圓柱的時間，在固定時間內通過傳感器；同時，多功能脈沖表在讀取傳感器的過程中，需要分化時間的間隔，根據(jù)轉速標準裝置之間存在的標準度等級進行分析，讓設備在測量過程中能夠符合JJG 326—2021《轉速標準裝置檢定規(guī)程》的要求。這樣一來，當轉速的標準限值被規(guī)劃為0.01時，則可通過轉速進行對應的拓展工作，使轉速更加穩(wěn)定，可以恒定在10 r/min。在經過試驗后，其中的時間參數(shù)誤差則可被控制在0.2 ms以內，完成對本裝置的溯源操作。

3 測量階段不確定度評估

3.1 數(shù)學模型

在紅外光電式沖擊速度測量裝置應用過程中需遵循裝置的測量原理，將數(shù)學模型的測量公式規(guī)劃為：

其中，V表示裝置的運行速度；L表示兩個圓柱之間的距離；T表示裝置在運行過程中的實際間隔時間。

3.2 不確定度靈敏系數(shù)及傳遞公式

在紅外光電式沖擊速度測量裝置工作實施過程中，應明確不同分量之間存在的獨立性，通過對不確定因素的規(guī)劃，了解其中存在的合成標準不確定度、靈敏系數(shù)和長度分量方面的標準不確定度以及時間分量標準中的不確定度。這樣一來，通過靈敏系數(shù)之間的區(qū)別，則可規(guī)劃出不確定度靈敏系數(shù)及傳遞公式。

3.3 不同分量標準中的不確定度

首先，為明確不同分量標準中的不確定度，可通過便攜式速度測量的方式，控制好兩個圓柱之間的距離，讓兩者之間的距離可以控制在200 mm以內。這樣，則可通過卡尺的測量長度，遵循JJG 30—2017《通用卡尺檢定規(guī)程》中的相關規(guī)則，讓數(shù)顯卡尺的長度控制在200 mm，并將誤差范圍設置在0.03 mm之內。由此方式，則可運用矩陣分布的方式進行計算，得出相對標準的長度分量，并計算出其不確定度。

其次，根據(jù)時間分量之間存在的不確定度進行分析，合理規(guī)劃時間測量誤差的標準值。通過測試的方式，則可實現(xiàn)對多功能脈沖表、槽形紅外光電傳感器的測試。這樣，則可控制時間測量過程中產生的誤差，讓其誤差值控制在0.2 ms以內。利用矩陣分布的計算方式，實現(xiàn)對時間測量誤差標準的規(guī)劃，明確其中存在的不確定度。

再次，在時間測量重復性的過程中，可在重復的狀態(tài)下，合理地運用轉速裝置，依托時間進行對應的校準操作，保證測量工作能夠開展11次。這樣一來，則可根據(jù)所得出的時間對測量工作中的重復性進行計算，得出標準不確定度。

最后，根據(jù)上述兩項的合成方式，規(guī)劃出對應的時間測量誤差，設置標準值，保證不同分量標準中的不確定度是準確的。

3.4 擴展及合成標準中的不確定度

若在合成標準中速度為V=2 m/s，則檢測其中的合成標準不確定度是在0.002 3 m/s以內，則合成相對標準的不確定度是0.002 3/V*100%=0.115%。此時，可依托GB/T 27418—2017《測量不確定度評定和表示》中的相關標準進行分析，明確報告中所表示的不確定度和相關因子。

這樣一來，通過不同速度之間標準度的誤差，則可計算出不確定度的情況。使測試人員可以嚴格遵循JJF 1094—2016《測量儀器特性評定》中的相關規(guī)則執(zhí)行下一步操作，讓測量儀器中所顯示的誤差值能夠滿足基本評定需求。據(jù)此，通過誤差評定的方式，則可掌握紅外光電式沖擊速度測量裝置在運行階段出現(xiàn)的影響因素，促使在評定儀器與不確定度相互比較的過程中能夠得出絕對值（MPEV）之比。經計算得出該數(shù)值小于或是等于1.3。同時在沖擊速度低于10 m/s的前提下，紅外光電式沖擊速度測量裝置的拓展不確定度可以控制在0.2以內，可以滿足試驗機的校準需求。

4 結論

綜上所述，紅外光電式沖擊速度測量裝置由圓柱（固定距離）、槽形紅外光電式傳感器、脈沖表（多功能）、磁力表座組合而成，在使用過程中具有明顯的優(yōu)勢，攜帶方便，造價低且易于裝拆。因此，通過不確定性的評估試驗表示，在同等沖擊速度環(huán)境下，范圍區(qū)間在10 m/s以內的裝置，可降低紅外光電式沖擊速度測量裝置中的誤差，使其基本滿足落錘式沖擊試驗機的要求，這樣，則可根據(jù)包裝件的運行和水平，使試驗系統(tǒng)設備的校準要求得到滿足，達到對斜面沖擊、橫向沖擊以及垂直沖擊等方面的速度測量裝置檢測要求。