刘 杰 孙乃英

（陕西华燕航空仪表有限公司，陕西 汉中 723102）

开环半液浮摆式加速度计的动态特性测试是通过试验方法确定固有频率和阻尼比，此类加速度计的试验方法按HB 6156–1988《常规线加速度计通用技术条件》执行，动态特性采用频率法或阶跃法。HB 6156–1988是1988年起草的，当时制定频率试验法所使用的设备早已淘汰，当于2008年为某摆组件重新研制半液浮摆式加速度计时，没有设备进行频率试验，求助其它专业厂家，也没有类似设备，因此，决定重现研究动态特性测试方法。

1 摆式加速度计的试验方法

摆式加速度计有开环式和闭环式。闭环加速度计按照HB 6363–1989《单轴摆式伺服线加速度计通用规范》的方法，在力矩器线圈上施加激励信号，通过改变信号的频率，得到频率响应曲线，最后测量并计算固有频率和阻尼比。也可以采用阶跃法在力矩器线圈上施加阶跃信号，对阶跃响应曲线进行测量计算求出固有频率和阻尼比。开环加速度计没有力矩器，不能施加激励进行扫频试验，但可以借鉴闭环加速度计的试验原理采用频率试验法，即HB 6156–1988所述的频率试验法。

2 开环摆式加速度计的动态测试

2.1 动态指标设计

该型加速度计的固有频率取决于浮子组件的结构设计，阻尼比与结构设计和浮油的粘度有关。当扭杆的刚度取500gf•cm/rad时，经计算，固有频率 fn≈30.8Hz，略大于要求值27Hz。扭杆的刚度越大，固有频率越高，但刚度越大，加速度计的测量范围越小，兼顾各项性能，扭杆的刚度设计值取（530±10）gf•cm/rad，此时 fn≈31.7Hz。

2.2 动态特性测试

半液浮摆式加速度计实际上是将半液浮速率陀螺仪的电机去掉，换成偏心摆块而成的。半液浮速率陀螺仪的动态试验按照GJB 669–1989《速率陀螺仪试验方法》采用阶跃试验法，我们也希望参照GJB 669–1989对加速度计进行试验，为此，先后采取了突停法、敲击法、垂直冲击法、垂直振动法，但都不能实现阶跃输出。

突停法是将加速度计竖直固定，使输入轴与突停台转盘相切，启动转台，加速度计感受到转台的切向加速度，浮子组件产生偏转，当转台突停时，切向加速度为0，使浮子组件回到平衡位置，形成阶跃动作。实际上由于转台转速很低，转盘半径小，转台提供的切向加速度很小，而加速度计的零位电压、噪声、浮子组件的小轴与轴承之间的摩擦本身都比较大，因此，阶跃响应信号不明显，无法测量。

敲击法是希望加速度计的外部输入加速度由0突然变成某一定加速度，虽然与突停台的作用是相反的，但也是阶跃作用。实际上进行试验后发现敲击作用并不能形成阶跃响应。

垂直冲击法和垂直振动法是使加速度计的输入轴与冲击或振动方向一致进行冲击或振动，达到外部输入加速度的改变，从而得到相应的输出关系。由于这种安装方式本身使加速度计受到重力作用，重力作用迭加后输出信号与输入量并不呈有规律的关系。

既然通过外部作用无法产生阶跃信号，是否可以直接对惯性部分进行干扰，使其产生阶跃动作呢？我们进行了试验，即在加速度计装配波纹管组件前，将加速度计竖直浸没在硅油里，给加速度计通电，信号器的输出端与示波器相连，将浮子组件拨到极限位置约2g输入状态，然后突然释放浮子组件恢复平衡位置（0g输入状态），让浮子组件产生一个阶跃信号。这个动作使一个稳态过程突变到另一个稳态过程，用示波器记录信号器的输出曲线，如图1和图2所示。

图1 输出信号为交流时的阶跃响应曲线

图2 交流输出信号解调成直流信号时的阶跃响应曲线

图1中左边正弦波信号是输入为2g时的交流输出信号，突然释放浮子组件后，正弦波信号振荡衰减为一条近似直线，此过程即为2g输入状态突然减小为0g输入状态的输出信号变化过程。图2中左边较低的一条直线信号是输入为2g时解调后的直流输出信号，突然释放浮子组件后，直流输出信号振荡衰减为一条直线，此过程即为2g输入状态突然减小为0g输入状态的直流输出信号变化过程。

对阶跃响应曲线按GJB 669-1989的方法进行计算可以得到阻尼比和固有频率。高、低温试验时将容器连同加速度计一起放入试验箱内，保温后取出进行试验。抽取3只加速度计进行试验，试验数据见表1。低温下的阻尼比是过阻尼，曲线无振荡，无法根据公式进行计算，参照经验曲线确定阻尼比的大小。

从表1可以看出，3只加速度计的试验结果满足要求，且与理论值误差很小。这种试验方法容易理解，也比较准确，但必须要在加速度计的装配过程中进行，装配成成品后无法进行试验，因此，需要验证该方法对最终成品也适用。

2.3 动态特性测试方法验证

摆式加速度计的专业标准没有介绍拨浮子组件测试动态特性的方法，无法找到标准认定该试验方法适用，我们希望通过对成品进行试验，确认最终成品的动态特性测试与在中间过程进行动态特性测试是一致的。经过多方咨询，我们找到有关单位协助研究试验方法，通过多次试验研究出水平振动法，原理是将加速度计水平安装在振动台上，使输入轴与振动台的振动方向一致，沿输入轴方向施加正弦振动信号，则输出信号也为正弦信号，改变振动台的频率，得到多组试验曲线，当两个曲线的相差为90°时，振动台的振动频率即为加速度计的固有频率。实际试验时，加速度计的输出端接上解调电路，使交流输出信号变成直流信号，当振动台以某一频率和加速度往复振动时，加速度计受到交变输入加速度作用产生与振动台同频率的交流输出信号，该信号输入到示波器。正弦振动测试仪监测振动台的机械振动后转换成电压信号也输入到示波器。加速度计与设备的连接示意如图3。

2009年3月对2只加速度计进行动态试验，获得11组动态试验数据。取其中一次试验举例说明，例如对2#加速度计进行试验，输入30 Hz的正弦振动信号，幅值为1g，周期为1/30=33.33ms。记录波形如图4所示，分别为振动台输入振动信号和加速度计输出信号。对示波器读取的Excel数据进行整理记录于表2中。

表1 阶跃响应输出曲线的参数

图3 动态试验示意图

由表2可知，振动频率为30Hz时相差大于90°，通过改变振动频率使相差尽量接近于90°，最后确定振动频率约为20 Hz，低于要求值。通过与顾客及有关单位分析及试验，认为测试结果不仅与振动台的振动频率有关，而且与振动加速度值有关，当振动加速度合适时，加速度计的阶跃响应信号不至于接近饱和或太弱，最后确定振动加速度为0.5g时最合理。2010年1月又对2只加速度计进行了试验，振动加速度为0.5g，对其中1只加速度计的原始数据按上述方法进行处理后，可求出各频率点对应的相差，具体见表3。

表3中的结果是振动波形上升时对应的2个相邻过零点的时刻的相差，波形下降时的相差未计算，波形下降时的相差要大于上升时的相差，且误差较大，我们认为应以波形上升过程计算相差要合理，原因是波形下降过程中，加速度计的浮子组件原来受到的加速度从最大变成0，信号器的输出也是从最大变成0，而在此过程中，振动台同时施加反方向的加速度，使总的输出迭加，输出信号与输入信号不是比例关系。

图4 2#加速度计在振动台频率为30Hz时的波形

从表3可以看出，该型加速度计的固有频率在30Hz～34Hz之间，约为31Hz，与理论计算值和阶跃法试验结果很接近。阻尼比是输出信号解调后的直流有效值与解调前的交流有效值的比值，为0.646。该型加速度计已交付156只，随系统进行了地面仿真试验、湖试、海试等试验，未出现动态特性方面的问题，这充分说明了设计参数合理，试验方法可行。

表2 输出波形信号为0时的时刻值（选取2个周期）

表3 不同振动频率下的相差

3 结束语

通过对开环加速度计的动态特性进行试验和验证，证明参照GJB 669–1989对加速度计采取拨浮子组件模拟阶跃响应试验的方法是可行的，且对半成品进行试验和对最终成品进行试验基本一致。采用这种试验方法，可以不需要在振动台上进行多频率点振动试验，从而节省了试验费用，提高了生产效率。同时，也表明GJB 669–1989中阶跃响应试验的方法也适用于与速率陀螺仪类似的传感器的动态试验，可以使标准发挥更大的作用。