熱載荷下儀表螺紋連接狀態(tài)的機(jī)電阻抗概念驗(yàn)證研究

付雨露, 王瑞強(qiáng), 孫清超, 沙 立, 凌林本

（1. 大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 大連 116024;2. 北京航天控制儀器研究所, 北京 100039）

0 引言

高精度慣性儀表是一種重要的慣性導(dǎo)航器件,廣泛應(yīng)用于航空、 航天及船舶等領(lǐng)域, 對(duì)裝配工藝的要求極高。 尤其是隨著精度要求的不斷提高,組件結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性成為目前研究的焦點(diǎn)。 其內(nèi)部溫度變化顯著, 工作精度與其周圍溫度環(huán)境和內(nèi)部工作環(huán)境有著密切的關(guān)系［1-3］。 螺紋連接是慣性儀表裝配過程中大量應(yīng)用的連接方式之一, 儀表內(nèi)部存在的溫度梯度極容易引起螺紋連接結(jié)構(gòu)的松動(dòng), 對(duì)浮子組件的平衡產(chǎn)生影響, 引起轉(zhuǎn)子質(zhì)心漂移, 從而導(dǎo)致慣性儀表的運(yùn)動(dòng)精度降低乃至失效。 因此, 開展對(duì)溫度變化下精密慣性儀表螺紋連接結(jié)構(gòu)健康狀況的檢測(cè)是十分必要的。

機(jī)電阻抗（Electromechanical Impedance, EMI）方法具有局部靈敏度高、 便于安裝、 無需模型分析等優(yōu)點(diǎn), 在復(fù)雜結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。 最早是LIANG 等［4］提出了EMI 技術(shù),利用壓電材料的正壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng), 實(shí)現(xiàn)了機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換。 對(duì)粘貼在結(jié)構(gòu)表面的壓電材料施加激勵(lì)電壓, 壓電元件振動(dòng), 通過耦合作用將振動(dòng)傳遞到結(jié)構(gòu)上。 與此同時(shí), 結(jié)構(gòu)的振動(dòng)會(huì)使得壓電元件發(fā)生變形, 從而使得電阻抗發(fā)生改變, 以此來檢測(cè)結(jié)構(gòu)是否健康。 眾多研究［5-7］表明, EMI 技術(shù)可以用于結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān)測(cè)及損傷識(shí)別, 然而溫度對(duì)EMI 技術(shù)的影響也是不可忽略的, 溫度會(huì)直接影響EMI 方法檢測(cè)的準(zhǔn)確性。KRISHNAMURTHY 等［8］研究并發(fā)現(xiàn)了介電常數(shù)對(duì)溫度十分敏感。 閻石等［9］研究了溫度對(duì)壓電智能骨料信號(hào)的穩(wěn)定性并分析了變化規(guī)律, 發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)信號(hào)的影響是非線性的, 且信號(hào)在每個(gè)溫度節(jié)點(diǎn)上都較為穩(wěn)定。 SEPEHRY 等［10-11］在梁表面粘貼了壓電陶瓷（Piezoelectric Lead Zirconate Titanate, PZT）片, 制成一種歐拉-伯努利梁, 探究了機(jī)械阻抗受溫度的影響規(guī)律, 并進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和比較。

以上研究大多集中在土木領(lǐng)域的梁、 殼結(jié)構(gòu)上, 而對(duì)于復(fù)雜精密機(jī)械結(jié)構(gòu)的研究還較少。 同時(shí), 針對(duì)溫度的相關(guān)研究中, 對(duì)于儀表內(nèi)部交變溫度載荷下連接結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)問題并不完全適用。因此, 本文以慣性儀表動(dòng)壓氣浮軸承結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象, 結(jié)合PZT 導(dǎo)納及阻抗公式驗(yàn)證了機(jī)電阻抗技術(shù)識(shí)別螺紋連接狀態(tài)的可行性, 并分析了溫度對(duì)機(jī)電阻抗的影響。 通過有限元仿真方法, 探究了交變溫度對(duì)PZT 阻抗信號(hào)的影響規(guī)律, 構(gòu)建精密儀表內(nèi)部溫度場(chǎng)環(huán)境, 對(duì)溫度變化下的阻抗信號(hào)進(jìn)行了分析, 驗(yàn)證了仿真模型的正確性。 獲得了溫度變化對(duì)機(jī)電阻抗監(jiān)測(cè)技術(shù)的影響規(guī)律, 可以作為精密慣性儀表健康監(jiān)測(cè)方法的參考。

1 EMI 技術(shù)的溫度效應(yīng)

PZT 貼片實(shí)質(zhì)上是一個(gè)平行板電容器, 壓電材料是其電介質(zhì)材料, 而壓電效應(yīng)是壓電材料的固有屬性, 可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換。 PZT自身存在正逆壓電效應(yīng), 如圖1 所示, 集激勵(lì)與傳感于一體, 所以既可以作為驅(qū)動(dòng)器又可以作為傳感器。 給PZT 一個(gè)激勵(lì), 電場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化, 也會(huì)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)變。

圖1 壓電材料的正逆壓電效應(yīng)Fig.1 Positive and negative piezoelectric effects of piezoelectric materials

將PZT 粘貼在結(jié)構(gòu)上, 它會(huì)與結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合。在交流電壓的激勵(lì)下, PZT 在軸向上發(fā)生振動(dòng), 而結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗將約束PZT 的運(yùn)動(dòng)。 系統(tǒng)的耦合模型如圖2 所示。

圖2 單自由度-質(zhì)量-剛度-阻尼系統(tǒng)的耦合模型Fig.2 Coupling model of single degrees of freedom-mass-stiffness-damping system

與結(jié)構(gòu)耦合的電導(dǎo)納及電阻抗表達(dá)式如下

螺紋連接松動(dòng)、 預(yù)緊力減小會(huì)使結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗變化, 從而導(dǎo)致耦合阻抗發(fā)生改變。 而溫度會(huì)影響壓電材料的壓電應(yīng)變常數(shù)d31及介電常數(shù)εT31,也會(huì)使得耦合阻抗改變。 溫度對(duì)壓電應(yīng)變常數(shù)的影響呈線性關(guān)系, PZT 與結(jié)構(gòu)的耦合阻抗會(huì)因此發(fā)生變化。 隨著溫度的升高, 壓電材料的介電常數(shù)呈指數(shù)增長(zhǎng), 這使得PZT 的電容C隨之變大, 耦合阻抗隨之改變。 因此, 在結(jié)構(gòu)未受損傷, 即結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗不變時(shí), 溫度變化也會(huì)影響PZT 的阻抗信號(hào)。 溫度對(duì)阻抗信號(hào)的影響較為復(fù)雜, 并非對(duì)壓電應(yīng)變常數(shù)、 介電常數(shù)影響的簡(jiǎn)單疊加, 進(jìn)一步探究溫度對(duì)PZT 阻抗信號(hào)的影響規(guī)律, 研究溫度效應(yīng)的修正技術(shù)以增加機(jī)電阻抗技術(shù)的適用性具有重要意義。

2 多物理場(chǎng)耦合仿真

機(jī)電阻抗分析涉及靜電場(chǎng)、 物理場(chǎng)的耦合,利用COMSOL 進(jìn)行多物理場(chǎng)耦合仿真, 探究溫度對(duì)阻抗信號(hào)的影響。 在慣性儀表中, 陀螺電機(jī)轉(zhuǎn)子、 安裝框架、 半球軸承連同電機(jī)軸統(tǒng)稱為轉(zhuǎn)子系統(tǒng), 如圖3 所示。 高精度陀螺儀表采用動(dòng)壓氣浮軸承進(jìn)行支撐, 可以提高電機(jī)使用壽命和陀螺儀精度, 動(dòng)壓氣浮軸承的穩(wěn)定性受螺紋連接狀態(tài)影響。 對(duì)半球型動(dòng)壓氣浮軸承結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析,仿真根據(jù)精密儀表的實(shí)際熱載荷工況進(jìn)行設(shè)置。

圖3 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of rotor system

半球型動(dòng)壓氣浮軸承結(jié)構(gòu)的上連接件為半球結(jié)構(gòu), 鎖緊螺母通過軸端的螺紋擰緊在軸的兩端。為了防止球碗型連接件的連接面受力不均勻, 在鎖緊螺母與上連接件之間添加襯套, 如圖4（a）所示。 為了與后續(xù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵恢? 根據(jù)儀表結(jié)構(gòu)對(duì)動(dòng)壓氣浮軸承結(jié)構(gòu)進(jìn)行等比例放大, 軸端螺紋公稱直徑為10mm。 儀表結(jié)構(gòu)為對(duì)稱分布, 在此本文只選擇一端螺紋連接結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象, 探究溫度對(duì)阻抗信號(hào)的影響規(guī)律。 仿真中對(duì)螺紋進(jìn)行簡(jiǎn)化處理, 使用一半結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析, 模型如圖4（b） 所示。 其中, PZT 為Φ5mm × 0.5mm 的PZT-5H 型壓電陶瓷片, 電機(jī)軸材料為45 鋼。

圖4 半球型動(dòng)壓氣浮軸承結(jié)構(gòu)及仿真模型Fig.4 Schematic diagram of hemispherical dynamic pressure air bearing structure and simulation model

采用COMSOL 自帶的螺栓預(yù)緊力節(jié)點(diǎn)施加預(yù)緊力, 如圖5 所示, 將軸視作螺桿, 設(shè)置一個(gè)穿過軸的截面, 預(yù)緊力節(jié)點(diǎn)施加在該截面上使得軸內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力, 這時(shí)產(chǎn)生的反作用力表現(xiàn)為螺栓預(yù)緊力, 預(yù)緊力設(shè)置為30000N。 仿真中保持預(yù)緊力加載, 使鎖緊螺母處于緊固連接狀態(tài)。

圖5 螺栓預(yù)緊力截面Fig.5 Schematic diagram of bolt preload section

將結(jié)構(gòu)各個(gè)接觸面設(shè)置為“一致對(duì)”, 即認(rèn)為相互接觸的部件為一個(gè)構(gòu)件, 接觸面間的物理場(chǎng)是連續(xù)的, 以保證結(jié)果收斂。 將螺母上端面設(shè)置為彈簧基礎(chǔ), 被連接件的下底面設(shè)置為固定約束,如圖6 所示, 使用增廣拉格朗日求解法進(jìn)行求解。PZT 置于軸端面中心的位置, PZT 和結(jié)構(gòu)耦合的端面設(shè)置接地, 另一端面設(shè)置電壓終端, 采用COMSOL 內(nèi)部的linper 函數(shù)施加1V 交流電壓。 linper 函數(shù)可以確保施加的電壓只用于線性擾動(dòng)求解器中,確保穩(wěn)態(tài)求解器不受其影響。

圖6 彈簧基礎(chǔ)與固定約束Fig.6 Schematic diagram of spring base and fixed constraints

采用COMSOL 自帶的四面體網(wǎng)格對(duì)試件進(jìn)行劃分, 如圖7 所示。

圖7 試件網(wǎng)格劃分Fig.7 Schematic diagram of specimen meshing

由第1 節(jié)中對(duì)耦合阻抗的理論分析可知, 溫度主要影響PZT 的壓電應(yīng)變常數(shù)及介電常數(shù)。 然而,介電常數(shù)由相對(duì)介電常數(shù)εr決定（εT=εr·ε0,ε0為真空介電常量）。 當(dāng)PZT 粘貼于結(jié)構(gòu)表面時(shí),PZT 將其平面的拉伸和壓縮與結(jié)構(gòu)表面彈性波的平面彈性應(yīng)變相耦合。 平面PZT 的運(yùn)動(dòng)是通過d31和d32壓電效應(yīng)激勵(lì), 而其他方向上的壓電應(yīng)變常數(shù)影響不大。 因此, 在進(jìn)行壓電應(yīng)變常數(shù)設(shè)置時(shí),僅改變d31和d32, 其余方向上的壓電應(yīng)變常數(shù)保持不變。 不同溫度下的PZT-5H 參數(shù)如表1 所示, 根據(jù)表1 參數(shù)設(shè)置不同溫度下的PZT 參數(shù), 探究溫度對(duì)阻抗信號(hào)的影響。

表1 不同溫度下的PZT 參數(shù)Table 1 PZT parameters at different temperatures

為了確定阻抗峰值特征明顯的頻率區(qū)間, 仿真首先粗略掃描了200kHz ～1800kHz 頻段范圍,掃描步長(zhǎng)設(shè)置為3kHz, 阻抗實(shí)部曲線如圖8 所示。

圖8 200kHz ～1800kHz 的阻抗實(shí)部曲線Fig.8 Impedance real part curve in 200kHz ～1800kHz

由圖8 可知, 在200kHz ～1800kHz 頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)了6 個(gè)波峰。 由于PZT 本身存在共振頻率,所以能量在不同的頻段內(nèi)也是不同的。 在激勵(lì)電壓的作用下, 某些頻率點(diǎn)產(chǎn)生能量集中, 反映在阻抗實(shí)部曲線上就形成波峰。 由于波峰反映結(jié)構(gòu)固有特性且相對(duì)敏感, 而在870kHz ～970kHz、1470kHz ～1570kHz 兩個(gè)頻段內(nèi)出現(xiàn)了較為明顯的波峰, 因此后續(xù)仿真在870kHz ～970kHz、 1470kHz～1570kHz 兩個(gè)頻段內(nèi)進(jìn)行精細(xì)掃描。

仿真溫度分別設(shè)置為10℃、 30℃、 50℃、70℃, 掃描步長(zhǎng)均為1kHz。 圖9 為不同激勵(lì)頻段內(nèi)阻抗實(shí)部曲線波峰隨溫度的變化情況。 由圖9 可知, 隨著溫度升高, 兩個(gè)波峰均發(fā)生峰值頻率的左移和高度的降低。 但是不同頻段內(nèi), 波峰的變化程度不同: 在頻段870kHz ～970kHz 內(nèi), 溫度從10℃升高到70℃的過程中, 阻抗實(shí)部曲線的峰值頻率從920kHz 變化到了919kHz, 共降低1000Hz;在頻段1470kHz ～1570kHz 內(nèi), 溫度從10℃升高到70℃的過程中, 阻抗實(shí)部曲線的峰值頻率從1510kHz 變化到了1505kHz, 共降低5000Hz。 峰值幅值的變化在不同頻段內(nèi)也是有差異的: 在頻段870kHz ～970kHz 內(nèi), 隨著溫度升高到70℃, 阻抗波峰幅值下降了4.59Ω; 而在頻段1470kHz ～1570kHz 內(nèi), 隨著溫度升高到70℃, 阻抗波峰幅值僅下降1.13Ω。

圖9 溫度變化對(duì)阻抗實(shí)部信號(hào)的影響Fig.9 Effect of temperature changes on the impedance real part signal

仿真結(jié)果表明, 溫度變化會(huì)對(duì)阻抗信號(hào)的峰值頻率和幅值造成影響, 溫度升高會(huì)造成阻抗實(shí)部信號(hào)峰值頻率的左移及波峰幅值的下降。 并且溫度對(duì)阻抗實(shí)部信號(hào)的影響與頻率有關(guān), 在低頻范圍內(nèi), 溫度對(duì)峰值頻率的影響較小, 而對(duì)波峰幅值的影響較為顯著。

3 溫度影響試驗(yàn)

為了模擬精密儀表服役時(shí)的工況及熱載荷作用,采用可程式恒溫恒濕試驗(yàn)箱、 阻抗測(cè)試系統(tǒng)、 電子溫度計(jì)組成的試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行溫度試驗(yàn)。 其中, 筆記本電腦及精密阻抗分析儀構(gòu)成阻抗測(cè)試系統(tǒng), 用來檢測(cè)粘在結(jié)構(gòu)上的PZT 阻抗。 溫箱用來進(jìn)行溫度的調(diào)節(jié)及保持, 由于溫箱內(nèi)腔過大, 在溫箱內(nèi)部不同區(qū)域可能會(huì)出現(xiàn)溫度不均勻的現(xiàn)象, 使用電子溫度計(jì)來檢測(cè)試驗(yàn)件周圍區(qū)域的溫度, 試驗(yàn)時(shí)溫度以電子溫度計(jì)示數(shù)為準(zhǔn)。 試驗(yàn)裝置如圖10 所示。

圖10 試驗(yàn)裝置Fig.10 Diagram of test equipment

PZT 采用直徑為10mm、 厚度為0.5mm 的PZT-5H 型圓形壓電陶瓷片, 重要性能參數(shù)如表2 所示。

表2 PZT 重要性能參數(shù)Table 2 Important performance parameters of PZT

在不影響試驗(yàn)結(jié)果的前提下, 為了方便粘貼PZT, 對(duì)慣性儀表動(dòng)壓氣浮軸承結(jié)構(gòu)進(jìn)行等比例放大。 試驗(yàn)件的軸端分別帶有長(zhǎng)度為14mm 的M12的螺紋, 軸中間部位直徑為17mm, 總長(zhǎng)度為102mm。 采用406 瞬干膠將PZT 粘在試驗(yàn)件頭部,粘貼后的試驗(yàn)件如圖11 所示。 用膠帶將連接線粘在試驗(yàn)件表面, 防止連接線在誤觸、 拉扯等情況下斷裂。

圖11 粘貼PZT 的試驗(yàn)件Fig.11 Diagram of test pieces with PZT

將試驗(yàn)件粘有PZT 的一端夾持在臺(tái)面虎鉗上,用扭矩扳手對(duì)試驗(yàn)件沒有PZT 及連線的一端進(jìn)行加載, 以防止試驗(yàn)過程中套筒損壞連接線, 加載扭矩為20N·m。 將粘有PZT 的試驗(yàn)件置于溫箱內(nèi), 溫度分別設(shè)置為20℃、 30℃、 40℃、 50℃、60℃。 溫箱內(nèi)腔溫度到達(dá)設(shè)定值之后進(jìn)行溫度保持, 讓溫箱內(nèi)腔與試驗(yàn)件熱交換完全并建立熱平衡, 以減小試驗(yàn)件溫度不均造成的試驗(yàn)誤差, 保持時(shí)間為30min, 待電子溫度計(jì)示數(shù)穩(wěn)定之后進(jìn)行掃描。 之后采用精密阻抗分析儀激勵(lì)PZT, 激勵(lì)電壓為1V, 采集PZT 的阻抗信號(hào)并保存。 一次溫度試驗(yàn)完成后取出試驗(yàn)件, 采用扭矩扳手進(jìn)行卸載,靜置一段時(shí)間, 試驗(yàn)件恢復(fù)成室溫后再加載、 調(diào)溫, 再進(jìn)行下一次溫度試驗(yàn), 保持每次試驗(yàn)的一致性, 減小試驗(yàn)誤差。

為了找到特征峰出現(xiàn)的頻率帶, 先在100kHz ～700kHz 范圍內(nèi)進(jìn)行掃描, 確定適當(dāng)?shù)念l率區(qū)間進(jìn)行精細(xì)掃描, 研究該頻率區(qū)間內(nèi)阻抗特征峰的變化規(guī)律。 在20℃～60℃溫度范圍內(nèi)掃描PZT 的電阻抗值, 掃描頻段為100kHz ～700kHz, 掃描步長(zhǎng)為0.3kHz, 激勵(lì)電壓為1V, 阻抗實(shí)部曲線如圖12所示。

圖12 100kHz ～700kHz 的阻抗實(shí)部曲線Fig.12 Impedance real part curves in 100kHz ～700kHz

由圖12 可知, 在150kHz ～250kHz、 300kHz ～400kHz、 550kHz ～650kHz 范圍內(nèi)都有明顯的波峰。但是, 在150kHz ～250kHz 范圍內(nèi)的波峰幅值過大, 且多次試驗(yàn)表明該頻段內(nèi)阻抗信號(hào)一致性差,容易受到噪聲等外界因素干擾; 在550kHz ～650kHz 范圍內(nèi)波峰不太明顯, 且比較雜亂, 對(duì)環(huán)境變化的敏感性較差。 因此, 選取300kHz ～400kHz 頻段進(jìn)行精細(xì)掃描, 掃描步長(zhǎng)為0.2kHz,溫度范圍為20℃～60℃, 每10℃為一個(gè)溫度節(jié)點(diǎn),阻抗實(shí)部曲線如圖13 所示。

圖13 300kHz ～400kHz 的阻抗實(shí)部曲線Fig.13 Impedance real part curves in 300kHz ～400kHz

由圖13 可知, 溫度會(huì)影響阻抗曲線的峰值頻率和峰值幅值。 溫度從20℃變化到60℃的過程中,阻抗實(shí)部曲線會(huì)發(fā)生峰值頻率向左偏移和波峰幅值下降的現(xiàn)象。

為避免不同溫度下的阻抗實(shí)部曲線發(fā)生重疊,以便明顯觀察峰值頻率的偏移, 將其繪制為Y偏移堆積線圖, 如圖14 所示。 由圖14 可知, 溫度升高會(huì)使阻抗實(shí)部曲線峰值頻率降低, 且幅值也會(huì)下降。 在不同的頻段內(nèi), 阻抗實(shí)部曲線受溫度影響的變化趨勢(shì)相同, 但是峰值頻率向左偏移的程度不同。 在相對(duì)低的頻段范圍內(nèi), 峰值頻率向左偏移比較少, 而幅值的變化更加顯著。 即隨著頻率的降低, 溫度對(duì)峰值頻率的影響逐漸變?nèi)? 溫度對(duì)波峰幅值的影響逐漸顯著。 阻抗實(shí)部曲線峰值頻率隨溫度的偏移情況如表3 所示。

表3 峰值頻率隨溫度的偏移情況Table 3 Peak frequency offsets with temperature

圖14 不同溫度下的阻抗實(shí)部曲線Fig.14 Impedance real part curves at different temperatures

分析表3 中數(shù)據(jù)可知, 隨著溫度的升高, 阻抗實(shí)部曲線峰值頻率會(huì)向左偏移, 但是偏移程度會(huì)受頻率的影響。 溫度在從20℃升高到60℃的過程中, 1 # 峰的峰值頻率從 328.71kHz 變化到324.49kHz, 共降低了4.22kHz; 2#峰的峰值頻率從 355.61kHz 變化到 351.01kHz, 共降低了4.60kHz; 3#峰的峰值頻率從392.83kHz 變化到387.79kHz, 共降低了5.04kHz。 在從20℃升高到60℃的過程中, 頻率越高, 峰值頻率向左偏移的現(xiàn)象就越加明顯。 也就是說, 溫度對(duì)峰值頻率的影響隨著頻率的升高而更加顯著。

表4 為阻抗實(shí)部曲線波峰幅值隨溫度的變化情況。 分析表4 中數(shù)據(jù)可知, 溫度升高, 阻抗實(shí)部曲線波峰幅值會(huì)下降, 下降程度受到頻率的影響。溫度在從20℃升高到60℃的過程中, 1#峰的波峰幅值從305.51Ω 變化到174.20Ω, 共下降了131.31Ω; 2#峰的波峰幅值從313.67Ω 變化到218.39Ω, 共下降了95.28Ω; 3#峰的波峰幅值從203.23Ω 變化到108.57Ω, 共下降了94.66Ω。 在從20℃升高到60℃的過程中, 頻率越高, 波峰幅值下降的越少, 即溫度對(duì)波峰幅值的影響隨著頻率的增大而減小。

試驗(yàn)表明, 溫度會(huì)影響PZT 阻抗實(shí)部信號(hào)的峰值頻率和波峰幅值, 溫度升高, 阻抗實(shí)部曲線的峰值頻率會(huì)向左偏移, 波峰幅值也會(huì)下降。 并且溫度對(duì)導(dǎo)納信號(hào)的影響與頻率有關(guān), 在同一溫度下, 頻率越低, 阻抗實(shí)部信號(hào)峰值頻率向左偏移程度越小, 而波峰幅值下降越多。 在低頻范圍內(nèi), 溫度對(duì)峰值頻率的影響較小, 溫度對(duì)波峰幅值的影響較為顯著。

4 結(jié)論

精密慣性儀表內(nèi)部溫度場(chǎng)變化顯著, 在交變溫度載荷作用下, 螺紋連接結(jié)構(gòu)極易產(chǎn)生松動(dòng)現(xiàn)象, 影響精密慣性儀表的精度及穩(wěn)定性。 本文基于機(jī)電阻抗檢測(cè)技術(shù), 針對(duì)溫度會(huì)影響精密慣性儀表螺紋連接狀態(tài)識(shí)別結(jié)果準(zhǔn)確性的現(xiàn)象, 以粘貼了PZT 的半球型動(dòng)壓氣浮軸承鎖緊螺母結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象, 開展了溫度對(duì)PZT 信號(hào)的影響研究,通過仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的手段, 對(duì)溫度影響PZT阻抗信號(hào)的規(guī)律進(jìn)行了探究, 得到的結(jié)論如下:

1）根據(jù)精密儀表服役時(shí)的溫度條件, 進(jìn)行了仿真分析, 驗(yàn)證了溫度對(duì)PZT 信號(hào)的影響規(guī)律。 溫度變化會(huì)顯著影響PZT 阻抗信號(hào), 主要反映在信號(hào)峰值頻率和波峰幅值上。 隨著溫度的升高, PZT 阻抗信號(hào)的峰值頻率向左偏移, 而波峰幅值也會(huì)下降,且溫度對(duì)PZT 阻抗信號(hào)的影響也與頻率有關(guān)。

2）試驗(yàn)結(jié)果表明, 在不同頻段內(nèi), 阻抗信號(hào)對(duì)溫度的敏感性不同。 溫度升高引起的峰值頻率偏移量隨著頻率的升高而增大, 波峰幅值的變化量隨著頻率的升高而下降。 在低頻范圍內(nèi), 波峰幅值對(duì)溫度的敏感性較高; 在高頻范圍內(nèi), 峰值頻率對(duì)溫度更加敏感。 根據(jù)溫度對(duì)PZT 阻抗信號(hào)的影響規(guī)律, 進(jìn)一步進(jìn)行溫度效應(yīng)的修正, 機(jī)電阻抗技術(shù)經(jīng)修正后可以對(duì)熱載荷下精密儀表的螺紋連接狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別。