动态位移测试仪动态校准方法的研究

2014-03-22倪灯塔

计量技术 2014年3期

倪灯塔

(海军驻遵义地区军事代表室，遵义 563003)

0　引言

高精度的动态位移测量系统是机械、仪表、工具、兵器、航空和宇航等产业获得位置精度和动态位移的基础，也是上述产业产品及技术不断进步的制约因素[1]。随着航天、航空及机械工业向高速、高精度的发展，研究物体在动载荷作用下的运动、变形、位移等具有越来越重要的意义[2]，而研究上述问题需要有高精度的动态位移测量系统。如对飞机抗鸟撞设计中的动态位移测试的研究变得越来越重要，全世界每年发生鸟撞事故约一万起，因此鸟撞试验的研究受到全世界的普遍重视和关切[3]。国内在对鸟撞试验研究过程中，研制的鸟撞测试系统也使用到动态位移测试系统，以确定鸟撞部位结构变形的大小。

本文介绍的高精度的动态位移测量系统是利用霍尔效应进行动态位移测量，可以进行大量程0～40mm测量，突破了过去一直没有有效的方法对其进行动态校准。通过对系统响应频率的研究和对测试精度的校准，对国内已研制的鸟撞测试系统中的位移测试系统的测试精度给以定量的测定。

1　动态位移测量现状

目前动态位移的测量方法主要有：多火花高速摄影法[4]、CCD动态测量法[4-5]、高速摄影法、霍尔效应法[6-7]及记时器与光学传感器法等。多火花高速摄影法、CCD动态测量法、高速摄影法都需要昂贵的设备，而CCD动态测量法和高速摄影法还受到位移范围(测量微小位移)的限制。记时器与光学传感器法是目前最为广泛使用的方法，位移可以通过速度曲线得到，速度的计算是记录物体通过两个已知距离的传感器的时间，确定这一间距内的平均速度。光传感器一般有白炽光、激光和细金属线等。在这一方法的基础上，还发展了密布的磁性线圈法，当装有小磁块的物体通过线圈时，由磁场的变化确定其时间。这些方法只能给出两个传感器之间的平均速度。

为了提高动态位移的测试精度，只能提高速度的测试精度，这样只能减少传感器之间的间距并增加传感器的个数[8]。国内研制的鸟撞测试系统中的位移测试系统是利用霍尔效应进行动态位移测量，但是过去一直没有有效的方法对其进行动态校准，所以研究动态位移的校准方法非常有意义。一般来说动态位移校准包括两个方面的内容：一是对其响应频率的研究；二是对测试精度的校准。

2　霍尔效应动态位移研究重点

该动态位移测试系统主要包括三部分：霍尔元件(位移传感器)，其作用是产生霍尔电压；磁片，其作用就是产生磁场；动态位移测试仪，其作用就是测量并记录霍尔电压以确定磁片和传感器的间距，从而得到所要的动态位移(见图1)。其原理就是利用霍尔效应进行动态位移测量。

所谓霍尔效应即是美国物理学家E·Hall于1879年发现的一种新的物理效应：在一片金属薄片的上下方向通有电流I，并在垂直于金属面的方向上加一磁场B，就可以发现在金属薄片的左右两侧会产生电压VH，实验证明只要磁场不是特别强，VH和I及B成正比，和薄片厚度d成反比。即：

VH=RH·I·B/d

(1)

式(1)中，VH为霍尔电压；RH为霍尔系数。金属薄片即相当于现在的霍尔元件(多由半导体制成)，当霍尔元件选定后，RH/d即为其灵敏系数。

由霍尔效应可知，当激励电流恒定时，霍尔电压与磁感应强度成正比，若磁感应强度是位置的函数，则霍尔电压的大小就可以用来反映霍尔元件的位置。随着霍尔元件位置的变化，其输出电压与之成良好线性变化。从原理上分析，磁场梯度越大，霍尔输出对位移变化的灵敏度越高，磁场梯度越均匀，霍尔输出对位移的线性度就越好[9]。国内研制的动态位移测试系统则是霍尔元件(位移传感器)固定，由一永磁磁片产生磁场，磁片运动时将会引起霍尔元件附近的磁场变化，其位置可由霍尔电压反映出来，试验过程中确定磁片的位置曲线就可以得到所要的动态位移。

本文在将以下几个方面对霍尔效应动态位移测试仪进行评价：

1)频响问题

频率响应是指功率放大器的输出增益随输入信号频率的变化而提升或衰减和相位滞后随输入信号频率而变化的现象。它反映了放大电路对于不同频率的信号的适应能力。如果放大电路对不同频率信号的幅值放大不同，就会引起幅度失真；如果放大电路对不同频率信号产生的相移不同就会引起相位失真。幅度失真和相位失真总称为频率失真。

由于激光位移计(响应频率1MHz)没有放大电路，几乎没有频率失真和非线性失真，因此可选用不同的磁片速度来检验霍尔效应动态位移测试仪的频率响应。

2)霍尔效应动态位移测试仪精度确定

通过对霍尔效应动态位移测试仪与激光位移计所测位移的比较，确定霍尔效应动态位移测试仪的精度。

3)磁元件与探头距离的优化

通过试验，确定合适的距离，使霍尔效应动态位移测试仪的频响、线性度达到最佳。

3　动态位移测试仪校准试验

动态位移测试仪校准方法如图1所示，其原理是：空气炮发射主动弹，撞击初始处于静止状态的被动弹，贴于被动弹上的磁片将和被动弹一起获得一定的速度朝传感器方向运动，传感器的输出经动态位移测试仪和数据采集系统记录，为了保护霍尔效应动态位移测试仪的传感器，在传感器前面加装了一块厚度为6mm的铝板(通过用磁片静态标定霍尔效应动态位移测试仪，证实加装铝板后不会影响磁场，即霍尔电压不会由于加装铝板而改变)。激光位移计可以测得磁片位移d标与时间t的关系：

d标=f(t)

1.气炮炮管;2.垫圈;3.防护铝板;4.霍尔效应位移传感器;5.激光位移计;6.磁片;7.橡胶垫;8.被动弹;9.阻挡器;10.主动弹

通过对霍尔效应动态位移测试仪的静态标定，可以得到磁片与传感器的间距输出电压的关系：

l静标=S(V)

(3)

当磁片和被动弹一起运动时，通过动态位移测试仪将会得到输出电压-时间关系：

V=g(t)

(4)

通过式(3)、(4)，可以导出动态位移测试仪所测的位移-时间关系：

d霍尔=S(V0)-S(g(t))

(5)

式中，V0为动态位移测试仪的初始输出电压。

对于频响问题的评价时采取不同的磁片速度进行多次试验，比较霍尔效应动态位移测试仪所测位移-时间曲线和激光位移计所测位移-时间曲线，看霍尔效应动态位移测试仪所测位移是否存在频率失真。

对于霍尔效应动态位移测试仪的精度确定，由于激光位移计和霍尔效应动态位移测试仪都是测量磁片的位移，比较不同速度和不同磁片与传感器初始间距情况下的d标和d霍尔就可以对霍尔效应动态位移测试仪进行标定和校准，并对其测试精度给予评价。

对于磁元件与探头距离的优化，由于霍校尔元件(位移传感器)的有效测量距离为0～40mm，故在有效间距范围内选取30mm、35mm和40mm多次试验，以确定合适的距离，使霍尔效应位移传感器的频响、测试精度及线性度达到最佳。

4　试验结果与讨论

试验采用的速度范围是20～91m/s，试验曲线如图2和3所示，它们分别记录了不同磁片速度和不同初始间距时的试验数据，其他速度下的试验曲线与之类似。通过对试验数据的处理发现：霍尔效应动态位移测试仪所测的位移存在相位上的滞后，即存在相位失真，但位移变化的梯度二者基本一致。故需对霍尔效应动态位移测试仪所测位移进行时间上的平移以便和激光位移计所测位移曲线进行对比。

图2(a)和图3(a)中的数据分别为磁片与传感器的初始间距为40mm和30mm，片激光宽度分别为20mm和9mm，故激光器所测最大位移为20mm和9mm。从图2(b)及图3(b)可以看出，激光位移计和动态位移测试仪所得结果吻合很好。