基于精密激光测距技术的旋翼桨毂离心试验台限位行程传感器校准方法研究.pdf

第 2 期基于精密激光测距技术的旋翼桨毂离心试验台限位行程传感器校准方法研究2024 年 4 月第 44 卷 第 2 期宇航计测技术Journal of Astronautic Metrology and MeasurementApr.2024Vol.44No.2文章编号:1000-7202(2024)02-0009-05DOI:10.12060/j.issn.1000-7202.2024.02.02基于精密激光测距技术的旋翼桨毂离心试验台限位行程传感器校准方法研究保善英,孟宪立,王利玲,高 群(成都国营锦江机器厂,成都 610043)摘要:论述了用于旋翼桨毂大修装配调试阶段承担模拟旋翼桨毂在低、高转速状态下,离心限动块打开和复位试验的离心试验台的工作原理,确定了旋翼桨毂多次打开、复位试验仍不满足工艺要求的原因为离心试验台限位行程测量不准,致使离心限动块打开和复位试验出现误判,最终影响装备的修理质量和进度。针对此问题,提出了一种基于精密激光测距技术的离心试验台限位行程传感器的校准方法,可实现离心试验台限位行程传感器的精准计量,测量精度达 1 m,测量不确定度为 0.006 m+1.92 10-5L。关键词:旋翼桨毂离心试验;限位行程传感器;精密激光测距;测量不确定度中图分类号:V19文献标识码:A收稿日期:2023-11-01;修回日期:2024-02-19基金项目:四川省科技计划项目(2022YFG0360)作者简介:保善英(1989-),女,工程师,工程硕士,主要研究方向:几何量精密测量技术。Research on Calibration Method of Limit Travel Sensor ofCentrifugal Test Bench for Rotor Hub Based on PrecisionLaser Ranging TechnologyBAO Shanying,MENG Xianli,WANG Liling,GAO Qun(Chengdu State-owned Jinjiang Machine Factory,Chengdu,610043,China)Abstract:The working principle of a centrifugal test bench,which is used to simulate the opening and resetting of thecentrifugal limiting block at low or high speed in the rotor hub overhaul and commissioning stage,is described.It isdetermined that the reason why the rotor hub is opened many times and the reset test still does not meet the technologicalrequirements is that the limit stroke measurement of the centrifugal test bench is inaccurate,which leads to the opening of thecentrifugal limit block and the misjudgment of the reset test,which ultimately affects the repair quality and progress of theequipment.In response to this problem,a calibration method for the centrifugal test bench limit travel sensor based onprecision laser ranging technology is proposed,which can achieve accurate measurement of the centrifugal test bench limittravel sensor with a measurement accuracy of 1 m and a measurement uncertainty of 0.006 m+1.92 10-5L.Keywords:Rotor hub centrifugal test;Limit travel sensor;Precision laser ranging;Measurement uncertainty宇航计测技术2024 年0 引 言旋翼桨毂在大修装配调试阶段应进行离心限动器试验,离心试验台主要承担模拟旋翼桨毂在低转速和高转速状态下离心限动块的打开和复位试验。根据不同旋翼桨毂的修理要求,设置相应的限位行程,当被修旋翼桨毂的限位行程达到或超过设置阈值时,离心限动块做出打开或复位的动作。参照JJF1305-2011 线位移传感器校准规范1,用 5 等量块和长度测量仪作为主标准器开展限位行程传感器的校准。校准时,需将限位行程传感器从离心试验台上拆卸下来送实验室校准,离线校准的方式无法模拟限位行程传感器的实际使用状态,拆卸和安装误差也会影响限位行程传感器的测量精度。此外,依据离心试验台设计,5 个限位行程传感器要求线性度为 0.1%FS,同时需全程数据拟合满足一阶公式 Y=Kx+b,其中,Y 为被校限位行程传感器的标准值,x 为测得值,将同一被校限位行程传感器两个校准点的 x 和 Y 值代入公式便可求得 K 和 b 的值,对于同一被校限位行程传感器,不同校准点的 K 和 b 的值应是相同的。现有依据JJF1305-2011 开展限位行程传感器的校准方法不能保证全程数据拟合满足公式 Y=Kx+b 的要求。利用精密激光测距技术完成旋翼桨毂离心试验台限位行程传感器的原位校准,避免了拆卸和安装过程引入的误差,以激光干涉仪作为主标准器,配合使用专门的辅助校准工装,可以保证限位行程传感器的校准误差在 1 m 范围内,经计算分析,该方法的测量不确定度为 0.006 m+1.92 10-5L,其中 L 为被校限位行程传感器校准点的标称值。1 离心试验台工作原理采用驱动电机带动试验台主轴转动,通过旋转电机上的操纵盘控制转速来控制离心试验台主轴转速,5 个可调位置的限位行程传感器发出的光线射在旋翼桨毂 5 个摆动限制器的相同位置,并有对应光线接收器,通过指示灯显示。操纵面板上安装有电源开关和平面显示器,用软件驱动操控离心试验台电机的开、关和转速调整,试验时能够显示 5个支臂打开、合上时的转速,能够储存每次的试验数据,试验台的装配如图 1 所示。图 1 离心试验台装配图Fig.1 Assembly drawing of centrifugal test bench1.1 离心试验台测试系统原理由电机提供01 500 r/min 的转速,经过减速器减速后为 0300 r/min,驱动主轴旋转,从而带动安装在主轴上的被测件同步旋转。电机为变频电机,通过变频器改变电机的频率实现调速。被测件通过花键副与主轴对中定位,5 个支脚放置在托盘上的 5个调平螺栓上,最后用锁紧螺母压紧被测件。托盘上安装有5 个限位行程传感器分别与被测件的 15 号限动器对应,用于测量被测件旋转过程中限动器移动的位移量。调节转速,持续升高转速,限动器进行打开动作,当动作行程量达到或超过设定值时,系统判定限动器完全打开,记录达到此行程量时的转速;持续降低转速,限动器进行复位动作,当动作行程量达到或超过设定值时,系统判定限动器完全复位,记录达到此行程量时的转速。调平托盘外侧5 mm处有一个接地开关,用于测量调平托盘的转速(即被测件的转速)。1.2 离心试验台限位行程传感器校准的必要性分析由离心试验台的工作原理和测试系统原理可知,离心限动器试验以限位行程传感器的反馈做为输入,做出打开或复位的动作。当限位行程传感器的显示值小于真实值且等于设置的阀值时,测试系统不能执行打开的动作,为了满足工艺的要求,需反复试验直至排除问题产生的原因,导致整个旋翼桨毂的修理周期成倍增加,影响装备的修理进度;当限位行程传感器的显示值大于真实值且等于设置的阀值时,测试系统会产生误判,做出错误的打开动作,致使交付的旋翼桨毂不合格,影响装备的修理质量。01第 2 期基于精密激光测距技术的旋翼桨毂离心试验台限位行程传感器校准方法研究2 基于精密激光测距技术的离心试验台限位行程传感器校准方法2.1 校准系统总体设计与校准原理校准系统包括专用工装主体结构、激光干涉仪、限位行程传感器、离心试验台显示系统、激光干涉仪显示系统等,如图 2 所示。专用工装主体结构包括运动控制系统、限位行程传感器安装托架和激光干涉仪干涉镜安装托架,专用工装运动导轨的直线度为0.005 mm,保证激光干涉仪的光路和限位行程传感器运动轴线在同一条直线。图 2 校准系统主体结构图Fig.2 Structure diagram of calibration system body开展校准时,以激光干涉仪为主标准器,将专用挡板和激光干涉仪反射镜安装在专用工装上,保证两者具有相同的位移量;转动专用工装手轮,使激光干涉仪反射镜、限位行程传感器和专用挡板做相对运动,完成全行程的校准;通过人工采样将激光干涉仪的位移量传递至激光干涉仪的显示界面,将限位行程传感器的位移量传递至离心试验台显示界面,对激光干涉仪记录的数据和离心试验台记录的数据进行比对分析,计算得出全程中限位行程传感器的最大误差,被校限位行程传感器示值误差L 为L=Lx-LPTF(1)式中:Lx 限位行程传感器读数;LPTF 激光干涉仪读数。则LPTF=L+93.0(T-20)-0.268 3(P-101 325)+0.037 1(F-1 333)10-8L(2)式中:F 温度分压,Pa;P 气压,Pa;T 温度,。对全程校准结果用离心试验台自带的软件进行拟合,验证全程的校准结果是否满足公式 Y=Kx+b,若不满足,将 LPTF输入到离心试验台的软件,对数据进行补偿后进行重复测量,直至满足离心试验台线性度为 0.1%FS,全程校准结果拟合满足公式Y=Kx+b 的要求。2.2 测量数据处理选取限位行程传感器 2 进行数据处理分析,离心试验台显示系统界面如图 3 所示。图 3 离心试验台显示系统界面Fig.3 Displays system interface of centrifugal test bench限位行程传感器 2 校准数据如表 1 所示。表 1 限位行程传感器 2 校准数据Tab.1 Calibration data of limit stroke sensor II测量点Lx/mmLPTF/mmL/m10.0000.000024.9975.000-339.9939.995-2414.99014.992-2519.98619.988-2624.98324.985-2729.97829.9780834.97534.977-2939.97139.973-2由表1 数据计算限位行程传感器2 的线性度满足 0.1%FS 的要求,经离心试验台显示系统自动11宇航计测技术2024 年拟合全程校准结果满足 Y=Kx+b,在本次校准过程中,K=3.997 mm,b=0.001 mm。3 测量不确定度评定由式(1)可知,不确定度来源包括激光干涉仪、限位行程传感器安装、环境温度变化以及激光干涉仪的分辨力引入的分量2。3.1 激光干涉仪引入的不确定度分量3.1.1 真空波长依据激光干涉仪的溯源证书3,U=1 10-8(k=2),真空波长 0=632.990 577 nm,灵敏度系数 c11=L/0,假设服从均匀分布,按 B 类评定可得由激光干涉仪引入的不确定度分量 u11为u11=1 10-82 3L=0.29 10-8L(3)3.1.2 空气温度依据激光干涉仪的溯源证书,空气温度的测量误差为 0.01,假设服从均匀分布,按 B 类评定可得空气温度引入的不确定度分量 u(t)为u(t)=0.013=5.77 10-3灵敏度系数 c12=0.93 10-6-1L,则空气温度引入的不确定分量 u12为u12=c12u(t)=0.93 10-6-1L 5.77 10-3=0.53 10-8L(4)3.1.3 标准状态下的空气折射率根据经验可知,标准状态下的空气折射率的不确定度为 2 10-8,灵敏度系数 c13=L,则空气折射率引入的不确定分量 u13为u13=2 10-8L(5)3.1.4 干涉仪准直的余弦误差假设激光干涉仪准直后光轴偏离运动方向最大为 0.1 mm,则最大夹角 1为1=arctan(0.1 mm/40 mm)=0.014转换为弧度 0.000 2 rad,则干涉仪准直引入的不确定度分量 u(1)为u(1)=0.000 2/(2 3)=5.77 10-5灵敏度系数 c14=1L,则余弦误差引入的不确定度分量 u14为u14=c14u(1)=0.000 25.7710-5L=1.1510-8L(6)3.1.5 干涉仪非线性误差本次校准的干涉仪的非线性误差约为 20 nm,假设服从均匀分布,按 B 类评定得其标准不确定度u15为u15=203=12 nm3.2 限位行程传感器安装引入的不确定度分量专用工装的直线度为0.005 mm,则被校限位行程传感器与运动方向间的最大误差约为0.005 mm,则在满 量 程 40 mm 时 夹 角 2的 最 大 偏 差 为0.000 1 rad,灵敏度系数 c2=2L,假定服从均匀分布,按 B 类评定的限位行程传感器安装引入的不确定度分量 u2为u2=2L 0.000 1/3=5.77 10-9L(7)3.3 温度变化引入的不确定度分量当校准温度发生变化时,限位行程传感器和测量光路温差不一致会影响测量结果,校准时,保持温度变化为 2,假设限位行程传感器的线膨胀系数为 11.8 10-6-1,温度变化服从三角分布,则温度变化引入的不确定度分量 u3为u3=11.8 10-6-12/6 L=9.63 10-6L(8)3.4 激光干涉仪的分辨力引入的不确定度分量开展 本 次 校 准 的 激 光 干 涉 仪 的 分 辨 力 为0.001 m,假设服从均匀分布,用 B 类评定可得激光干涉仪的分辨力引入的不确定度分量 u4为u4=0.0012 3=2.89 10-4m3.5 合成不确定度上述 4 个分量独立不相关,对 4 个分量进行合成,得到用激光干涉仪开展离心试验台限位行程校准的合成不确定度 uc为uc=u21+u22+u23+u24=0.003 m+0.96 10-5L(9)3.6 扩展不确定度取包含因子 k=2,得到扩展不确定度 U 为U=kuc=0.006 m+1.92 10-5L(10)4 结果验证将本方法的校准结果与国防科技工业 5111 二21第 2 期基于精密激光测距技术的旋翼桨毂离心试验台限位行程传感器校准方法研究级计量站的校准结果4进行比较,选择限位行程传感器2 的10 mm、20 mm 和30 mm 校准点,用本方法给出的校准结果 Y 和上级计量技术机构 5111 二级计量站的测量结果 Y0进行比较(偏差值),结果如表 2 所示。表 2 校准结果数据比对Tab.2 Calibration result data comparison校准点本方法校准结果Y/m上级校准结果Y0/m比对结果Y-Y0/m上级部门的扩展不确定度本方法的扩展不确定度10 mm220.020 mm220.030 mm000.00.05%0.006 m+1.92 10-5L 经计算可知,Y-Y0U2+U20,比对结果均符合要求,该种方法校准限位行程传感器的不确定度得到验证。5 结束语利用精密激光测距技术完成离心试验台限位行程的原位校准,避免了拆卸和安装过程引入的误差,以激光干涉仪作为主标准器,配合使用专门的辅助校准工装,可以保证限位行程传感器的校准误差在 1 m 范围内,测量不确定度为 0.006 m+1.92 10-5L。该方法实现了限位行程传感器的计量校准模式由计量器具拆卸送校向装备整体计量溯源保障转变,规范了测量设备量值溯源传递工作,提升测量设备可靠性和压缩校准周期的同时,更好地保障了生产任务,但存在专用测试工装不够便携的缺点。参考文献1 全国几何量工程参量计量技术委员会.线位移传感器校准规范:JJF 1305-2011M.北京:中国质检出版社,2011.2 刘俊亨,孙双花,田明,等.基于激光干涉仪的位移传感器标定技术研究J.计量学报,2017(S1):4.3 张冬明.激光干涉仪校准证书:GFJGJL2037230001110.(2022-07-12).4 张冬明.限位行程传感器校准证书:GFJGJL2037230001110.(2022-07-12).声明 为适应我国信息化建设需要,扩大本刊及作者学术交流渠道,本刊许可中国知网、万方、维普、超星、中国航天期刊平台等以数字化方式复制、汇编、发行、信息网络传播本刊全文。作者著作权使用费已包含在本刊稿酬中,一次性给付。稿件一经录用,则默认所有署名作者同意上述声明。如有异议,请在收到录用通知时向本刊说明,本刊将做适当处理。31