倾斜摇摆试验台校准技术研究

朱 刚 杨晓伟 刘 鑫 鲁 敏 李 翀

(1.北京航天计量测试技术研究所，北京 100076；2.北京遥测技术研究所，北京 100076； 3.上海卫星工程研究所，上海 201109)

1 引 言

倾斜摇摆试验台(以下简称摇摆台)主要用于模拟在潜艇、航母、舰艇、水上飞机、行进火炮等装备上的各类机械、电工和电子产品的倾斜和摇摆环境，以确定产品经受规定严酷等级倾斜和摇摆的工作适应性和结构的完好性[1]。我国自上世纪就已经开始制定倾斜摇摆试验的相关国家标准和国家军用标准，主要包括GB/T 2423.101-2008及GJB150.23A-2009，这些标准规定了舰载设备倾斜摇摆试验的角度、周期、试验持续时间等的试验要求，为我国水面设备及水面运输装备的可靠性试验提供了必要的依据[2,3]。国内的试验设备生产厂家也生产了满足这些试验标准的试验设备，满足科研生产单位对于倾斜摇摆试验的需求。为了保证试验数据的准确可靠，国内的计量技术机构，早已开展对于摇摆台的校准工作，目前现状是校准方法不统一，动态角位移溯源性存在不确定性，导致部分参数校准不确定度较大。

根据多年的试验和研究，提出了一种采用具有零频响应的高灵敏度加速度计对倾斜摇摆试验台进行校准的方法，构建了校准系统并进行了校准不确定度评定。

2 摇摆台校准原理

2.1 摇摆台工作原理

倾斜是指船舶受风、不平衡装载、操纵、或海损事故的影响所造成的横向倾斜的浮态和相对于设计水线的纵向倾斜的浮态；摇摆是指船舶受到风、波浪等外力做用下的舰船绕其横轴、纵轴所作的周期性角位移运动[4]。倾斜摇摆试验台主要用于实现倾斜、摇摆、振荡以及它们的综合试验。试验台的校准涉及到静态角度、动态角度、加速度等多种参数，校准参数多样，校准过程繁复。

2.2 摇摆台校准方法

选择具有零频响应的高灵敏度加速度计(频率范围DC～100Hz)可对摇摆台全部参数进行校准。

具有零频响应的加速度计(以下简称加速度计)是指对重力加速度具有响应的变电容式等原理的加速度计，利用加速度计的这一特性，可以用来测量静态或动态的角度。当加速度计的敏感轴方向与重力加速度方向平行时，受到重力加速度作用，加速度计输出与重力加速度成正比。当加速度计的敏感轴方向与重力加速度方向垂直时，加速度计输出与重力加速度无关。当加速度计的敏感轴方向垂直于重力加速度方向时所受的加速度为0，当加速度计倾斜角度为θ时，沿着加速度计轴线方向所受的加速度为重力加速度在该方向的分量gθ=g·sinθ，那么理论上倾斜角度θ=arcsingθ/g。测量原理如图2所示。

图2 使用加速度计校准原理图Fig.2 Principle of calibration by accelerometer

(1)

式中：θ——加速度计测量的倾斜角度值；S——加速度计的灵敏度；g——当地重力加速度；V0——摇摆台在水平位置时加速度计的直流输出；V——摇摆台倾斜后加速度计的直流输出。

当使用加速度计测量摇摆角度时，首先使摇摆台置于水平位置，安装加速度计使其敏感轴方向垂直于重力加速度和倾斜的轴线，摇摆台摇摆后，使用动态信号分析仪的交流耦合方式测量加速度计的交流输出峰值VP。参照公式(1)的计算方法，加速度计测得的摇摆角度可根据式(2)计算。

(2)

式中：φ——加速度计测量的摇摆角度值；VP——摇摆台摇摆后加速度计的输出峰值。

2.3 校准装置

校准装置主要由加速度计及配套的放大器、动态信号分析仪、数字电压表或数字记忆示波器等组成，校准系统如图3所示。加速度计经供电放大器输出端与动态信号分析仪相连时可用于倾斜摇摆的角度、振荡加速度、周期和失真度等的测量；与数字电压表相连时，可用于静态角度测量；与数字记忆示波器相连时，可用于倾斜摇摆角度、振荡加速度和周期的测量。

图3 校准系统示意图Fig.3 Setup of calibration system

校准时，将摇摆台台面置于水平位置，将加速度计刚性安装在试验台台面中心，加速度计的敏感轴方向应平行于重力加速度的方向。当进行倾斜校准时，在试验台的倾斜角度范围内选取需校准的角度，操作试验台按照设定角度倾斜，使用动态信号分析仪、数字电压表或记忆示波器读取加速度计的直流输出，按照式(1)计算倾斜角度。当进行摇摆校准时，在试验台的摇摆角度和周期范围内选取需校准的角度与周期，操作试验台按照设定角度与周期摇摆，使用动态信号分析仪或记忆示波器读取加速度计的交流输出，按照式(2)计算摇摆角度。同时，可以使用动态信号分析仪或数字记忆示波器测量摇摆周期，使用动态信号分析仪测量摇摆失真度等参数。

2.4 校准结果

根据上述的校准方法构建校准系统，使用美国PCB公司生产的3711型加速度计对西安捷盛电子技术有限责任公司生产的Y581500/ZF型倾斜摇摆试验台进行校准，校准结果如表1～表5所示。本文只给出了摇摆台的倾斜和摇摆试验结果，振荡测试的方法已有成熟的振动测量标准和规范可供参考，因此不再赘述。

表1 倾斜角度示值误差

Tab.1 Inclination angle error value

表2 摇摆角度示值误差

Tab.2 Swing angle error value

表3摇摆周期示值误差

Tab.3 Swing period error value

表4 摇摆失真度

Tab.4 Swing harmonic distortion

根据GJB150.23A-2009的试验要求，结合摇摆台的工作方式，使用加速度计进行校准，能够覆盖摇摆台的主要技术参数，包括倾斜角度、摇摆角度、周期和失真度以及振荡的加速度、周期和失真度等。

3 测量不确定度评定

3.1 测量模型

使用加速度计测量摇摆角度，它的测量模型由公式(2)得到。

3.2 标准不确定度的A类评定

对摇摆台进行摇摆角度测量时，A类方法评定的不确定度主要来源于测量的重复性。设定摇摆角度为15°，摇摆周期为5s，对倾斜摇摆试验台的摇摆角度重复测量10次，测量值如表5所示。

表5 摇摆角度测量值

Tab.5 Swing angle test result

摇摆角度测量值的平均值

摇摆角度测量平均值的实验标准偏差

摇摆角度测量值的A类标准不确定度以相对值表示为

3.3 标准不确定度的B类评定

对摇摆台进行摇摆角度测量时，B类方法评定的不确定度主要来源如表6所示。

表6 B类不确定度分量

Tab.6 Uncertainty components of method B

根据以上不确定度来源，得到摇摆角度测量的B类不确定度为

3.4 合成标准不确定度

摇摆角度测量结果的不确定度分量独立无关，故摇摆角度测量结果的合成标准不确定度为

3.5 扩展不确定度

取包含因子k=2，则摇摆角度测量结果的扩展不确定度

U=k·uc=1.6% (k=2)

根据以上测量不确定度的评定方法，可以得出，在摇摆台全量程范围内，摇摆角度测量误差为1.6%以内。

根据GJB150.23A-2009的要求，倾斜摇摆试验的角度幅值、摇摆周期不超过规定值的5%，失真度不大于15%。同试验结果比较可见，使用加速度计进行摇摆台校准，校准结果的不确定度完全能够满足试验台的试验要求。

3.6 校准不确定度的验证

根据GJB 2749A-2009的规定，采用两台比对法，对以上测量不确定度进行验证[5]。

本文中的测量采用美国PCB公司生产的3711型加速度计，对以上倾斜摇摆试验台摇摆角度的进行测量，其摇摆角度测量结果为y1=15.20°，校准不确定度为：U1=1.6%(k=2)；另采用美国Sundsand Data Control公司生产的979-1300型伺服加速度计对相同的设备的摇摆角度进行测量，得到测量结果为y2=15.28°，测量不确定度为U2=1.5%(k=2)。

测量不确定度的验证结果

可见，以上测量不确定度的评定方法可行，结果满足摇摆台的校准与测试要求。

4 结束语

本文给出的方法，能够实现摇摆台在静态和动态角度上的校准，并可取得较高的校准准确度。经过多年的应用实践证明，采用具有零频响应的高灵敏度加速度计可满足摇摆台的校准要求，仅需一次安装便可完成所有动静态性能参数的校准，具有原理简单、操作方便的特点；同时，加速度计可以溯源至现有的国家基准，具有完整的溯源链，保证了摇摆台的量值准确可靠，为规范摇摆台校准方法，制订相应的校准规范打下了基础。

[1] 吕明珠，刘世勋.舰船倾斜摇摆试验台的设计与试验[J].机电工程,2016(08)：1003～1006.

[2] GB/T 2423.101-2008 电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法 试验：倾斜和摇摆[S].北京：中国标准出版社，2008.

[3] GJB150.23A-2009 军用装备实验室环境试验方法 第23部分：倾斜和摇摆试验.北京：总装备部军标出版发行部，2009.

[4] 施建荣，施诗，张燕.论舰船装备倾斜和摇摆环境适应性与试验[J].装备环境工程,2011(04)：41～44.

[5] GJB 2749A-2009 军事计量测量标准建立与保持通用要求[S].北京：总装备部军标出版发行部.