不同材料安裝底座對沖擊傳感器靈敏度影響試驗研究

尹 釗，余 抗，趙 波

（1.北京空間飛行器總體設計部，北京100094；2.山東航天電子技術研究所，煙臺264006）

0 引言

未來空間站等大型載人航天器將采用新型運載火箭發(fā)射入軌，發(fā)射時將經歷全新器箭耦合條件下復雜的力學環(huán)境，包含較大的沖擊響應。前期的沖擊試驗表明，船箭分離瞬間的沖擊加速度將達到上千g 的量級。為獲取全新器箭耦合條件下發(fā)射段產生的沖擊環(huán)境，需要在航天器器箭界面處布置沖擊傳感器，以監(jiān)測航天器在發(fā)射點火、船箭分離等時刻產生的振動和主結構的力學環(huán)境。

沖擊傳感器在航天器結構上的安裝方式影響傳感器數據獲取的準確度，這一點可通過傳感器的靈敏度幅值線性度體現。一般來說，傳感器與航天器結構間采用螺栓連接的方式固定安裝。而為了采集x、y、z 三方向的沖擊響應，一般將3個單軸傳感器組合形成三軸沖擊傳感器。為實現組合后的三軸傳感器與航天器結構的螺接，須設計能夠滿足傳感器螺接安裝的底座。

為減小傳感器安裝底座的質量，可選擇聚酰亞胺等絕緣材料作為安裝底座的材料。然而，非金屬材料安裝底座雖然質量小，但剛度較低，可能存在降低傳感器安裝諧振頻率的問題。故本文設計采用2A12鋁合金作為大量程沖擊傳感器安裝底座的材料，并分別進行傳感器不帶安裝底座、帶聚酰亞胺安裝底座和帶鋁合金安裝底座3種情況下的沖擊檢定試驗，以驗證不同安裝方式對沖擊傳感器靈敏度的影響，測試傳感器是否滿足實際測量誤差不大于±10%的要求。

1 沖擊傳感器檢定原理

根據沖擊傳感器校準原理，采用沖擊加速度比較法對傳感器進行校準。利用加速度校準標準器具，將參考傳感器與被檢傳感器的加速度進行比較。將被檢傳感器與參考傳感器背靠背剛性安裝在振動臺臺面中心位置，二者承受同一個沖擊激勵源，此時認為參考傳感器與被檢傳感器的加速度相同，被檢傳感器的輸出與所承受的加速度值之比為其靈敏度幅值。即

式中：a 為加速度，m·s；V和V分別為參考傳感器和被檢傳感器的輸出，mV；S和S分別為參考傳感器和被檢傳感器的靈敏度幅值，mV/(m·s)。

檢定試驗裝置由供電和信號采集設備、上位機（含處理軟件）和沖擊波形發(fā)生器組成。首先將傳感器的信號線與供電器連接，被檢傳感器與參考傳感器剛性連接并固定在氣炮沖擊器上，調節(jié)限位裝置高度對傳感器進行限位，并保證在傳感器運動方向上有一定的行程（參見圖1）；之后操作上位機，設定不同的沖擊量級（500g～10 000g），產生沖擊波；信號采集設備將傳感器信號傳輸至上位機，通過數據處理軟件采用最小二乘法生成傳感器信號時域曲線（圖2）和幅值線性度曲線（圖3）；最后觀察并記錄上位機測量的加速度值、靈敏度、脈沖寬度數據。

圖1 氣炮沖擊器及檢定測試工裝Fig.1 Air gun impactor

圖2 沖擊傳感器信號時域曲線Fig.2 Time domain curveof the shock sensor’s signal

圖3 沖擊傳感器幅值線性度曲線Fig.3 Amplitude linearity of the shock sensor

2 傳感器靈敏度檢定試驗

檢定試驗中，采用沖擊波發(fā)生器產生沖擊信號。參考傳感器為美國PCB公司的301A12型背靠背校準參考沖擊傳感器，其標稱靈敏度為0.4501 mV/g，頻率范圍1 Hz～10 kHz，加速度測量范圍±10 000g。被檢傳感器是型號為350C23的ICP型大量程沖擊傳感器，其標稱靈敏度為0.524 mV/g，頻率范圍0.4 Hz～10 kHz，諧振頻率大于100 kHz，加速度測量范圍±10 000g。

2.1 傳感器不帶安裝底座檢定試驗

對沖擊傳感器不帶安裝底座進行檢定試驗。被檢傳感器直接通過螺釘與參考傳感器背靠背剛性連接（見圖4）。

圖4 被檢傳感器與參考傳感器螺接Fig.4 The sensor screwed with the reference sensor

沖擊傳感器不帶安裝底座的檢定試驗結果如表1 所示，將被檢傳感器在各加速度下的靈敏度與同型號沖擊傳感器的標稱靈敏度0.524 mV/g 進行比較，經計算，傳感器不帶安裝底座的靈敏度幅值最大誤差為0.57%。

表1 沖擊傳感器（不帶安裝底座）檢定試驗結果Table 1 The sensitive calibration test results of the impact sensor (without mounting base)

2.2 傳感器帶聚酰亞胺安裝底座檢定試驗

對沖擊傳感器帶聚酰亞胺絕緣安裝底座（見圖5）進行檢定試驗。

圖5 三軸沖擊傳感器（安裝底座材料為聚酰亞胺）Fig.5 Three-axisimpact sensor with polyimide mounting base

沖擊傳感器帶聚酰亞胺絕緣安裝底座的檢定試驗結果如表2所示，傳感器靈敏度在部分頻點出現超差，其中在加速度10 000g，脈沖寬度0.12 ms時，靈敏度誤差最大，達到83.6%，大大超出傳感器測量誤差不大于10%的要求。

表2 沖擊傳感器（帶聚酰亞胺絕緣安裝底座）檢定試驗結果Table 2 The sensitive calibration test results of the of the impact sensor (polyimide insulating base)

經分析，由于聚酰亞胺材料的固有特性，聚酰亞胺安裝底座諧振頻率較低，在沖擊標定的部分頻段可能會影響傳感器的傳遞特性，造成傳感器頻率響應及靈敏度在部分頻點出現放大。

2.3 傳感器帶鋁合金安裝底座檢定試驗

將傳感器安裝底座材料更換為鋁合金（2A12-H112）進行檢定試驗。鋁合金安裝底座本體尺寸為20 mm×20 mm×20 mm，重約50 g。被檢傳感器先通過螺接固定在安裝底座上再與參考傳感器通過螺釘剛性連接，如圖6所示。安裝底座與參考傳感器之間的連接采用1/4-28的英制螺紋，外徑約為6.35 mm。

圖6 傳感器帶鋁合金安裝底座與參考傳感器螺接Fig.6 Sensor with mounting base screwed with the reference sensor to form a rigid connection

沖擊傳感器帶鋁合金安裝底座的檢定試驗結果如表3所示，經計算，傳感器帶鋁合金安裝底座的靈敏度最大誤差為4.96%，滿足傳感器測量誤差不大于10%的要求。

表3 沖擊傳感器（帶鋁合金安裝底座）檢定試驗結果Table 3 The sensitive calibration test results of the impact sensor (with mounting base made of aluminum alloy)

2.4 分析與小結

在固定安裝孔之后，對聚酰亞胺安裝底座與鋁合金安裝底座分別進行有限元模型的前6階模態(tài)頻率及模態(tài)振型分析，結果見圖7～圖12。

圖7 兩種材料安裝底座的一階振型Fig.7 Thefirst modal shapesof the two installation bases

圖8 兩種材料安裝底座的二階振型Fig.8 The second modal shapes of the two installation bases

圖9 兩種材料安裝底座的三階振型Fig.9 The third modal shapes of the two installation bases

對比沖擊傳感器不帶安裝底座、帶聚酰亞胺安裝底座和帶鋁合金安裝底座的檢定試驗結果（表1～表3）可知，增加安裝底座會加大傳感器的靈敏度誤差。而傳感器的安裝諧振頻率與傳感器的安裝剛度有關：一般來說安裝剛度越高，安裝諧振頻率越高。由圖7～圖12可知，將安裝底座材料由聚酰亞胺非金屬材料改為鋁合金后，前6階模態(tài)頻率均明顯提高。這是由于安裝底座可以看成是一個二階系統，二階系統固有頻率與阻尼比成反比，而聚酰亞胺的阻尼系數遠大于鋁合金的，所以當安裝底座材料由聚酰亞胺改為鋁合金時，安裝底座的剛度增大，從而提高了傳感器的安裝諧振頻率，相應減小了傳感器靈敏度的誤差，能夠滿足實際測量對誤差限的要求。

圖10 兩種材料安裝底座的四階振型Fig.10 The fourth modal shapesof the two installation bases

圖11 兩種材料安裝底座的五階振型Fig.11 The fifth modal shapes of the two installation bases

圖12 兩種材料安裝底座的六階振型Fig.12 The sixth modal shapes of the two installation bases

3 結論

本文通過對不同材料安裝底座的仿真和試驗研究，對沖擊傳感器不帶安裝底座、帶聚酰亞胺安裝底座和帶鋁合金安裝底座3種情況分別進行靈敏度檢定試驗，驗證了不同安裝方式對沖擊傳感器靈敏度的影響，得到以下結論：

1）由于聚酰亞胺材料的固有特性，聚酰亞胺安裝底座諧振頻率較低，在大量程沖擊傳感器標定的高頻部分會影響傳感器的頻響特性，使傳感器頻率響應及靈敏度被放大。安裝底座材料由聚酰亞胺更改為鋁合金后可有效提高安裝底座的固有頻率。

2）增加安裝底座會產生傳感器靈敏度誤差。采用鋁合金安裝底座引起的傳感器靈敏度誤差在±5%以內，遠低于采用聚酰亞胺安裝底座的情況，能夠滿足實際測量對誤差不大于10%的要求。