质量块对动态力传感器校准的影响特性

陈 东，郑术力

（工业和信息化部电子第五研究所，广州 510610）

质量块对动态力传感器校准的影响特性

陈 东，郑术力

（工业和信息化部电子第五研究所，广州 510610）

校准质量块是动态力传感器校准中的关键部件，其加速度分布的均匀性直接影响动态力传感器的校准准确度，采用有限元分析方法结合实验对比方法，研究了质量块形状尺寸、密度、弹性模量及比模量等参数对质量块加速度分布均匀性的影响，给出了各因素的影响特性。实验结果表明，使用重质合金质量块可提高动态力传感器的校准准确度。

质量块；加速度分布；动态力传感器；校准

引言

动态力传感器广泛应用于航天、航空、兵器、船舶、汽车、机械制造等领域，在产品可靠性环境试验中发挥着重要的作 用。现有动态力传感器常以静态校准时的结果作为动态测试的依据，使得具有高精度静态校准结果的设备在动态测试中可能存在很大的误差，动态力传感器的动态校准问题也日益受到人们的重视[1-3]。目前在动态校准方面主要采用正弦激励、阶跃激励和脉冲激励等方法进行校准，在绝大部分动态校准方法中都需要用到质量块，即根据牛顿第二定律，利用质量块自身的质量与其运动加速度的乘积复现标准动态力值[4-7]。其中，质量测量不确定度可达到10-6, 因此在动态力校准中，加速 度的测量不确定度分量占据主导地位。加速度测量的误差主要来源于质量块上不均匀的加速度分布，并受校准振动频率、脉宽及自身形状、密度、弹性模量和比模量等因素影响呈现出不同的影响特性。为此，本文采用有限元分析方法结合对比实验方法，对质量块的加速度分布均匀性进行了研究。

1 质量块加速度分布特性

动态力传感器校准时所复现的动态力值可根据牛顿第二定律得到，即质量块质量与加速度的乘积等于动态力力值：

其中，质量块的密度ρ在同一种材料中可以视为常数，但在校准过程中质量块上各质点的加速度呈现不均匀分布，用分布函数a()表示，动态力传感器的校准误差主要来源于加速度的不均匀分布[2]。

为研究质量块上加速度的分布特性，采用有限元分析方法模拟校准过程中质量块上的加速度分布。如图1所示建立有限元分析模型，质量块半径为15mm，高度为15mm，密度为7.8g/cm3，弹性模量为210GPa，网格采用O型网格方法划分，质量块各质点具有相同的密度和弹性模量，在质量块Z轴向施加一定量值的加速度后，质量块上加速度分布如图1所示。从图中可以看出，对于单一材质的质量块，受到一定振动量级激励后，质量块上的加速度沿轴向方向呈层状分布，周向呈环形分布，轴向、周向加速度均匀性最大偏差分别为1.1‰、0.1‰。由此可见，加速度测量的误差主要来源于质量块上不均匀的轴向加速度分布。

2 质量块加速度影响特性

采用有限元分析方法，将质量块形状尺寸、密度、弹性模量及比模量作为影响因素，建立单一因素作用下的有限元模型，分析各因素对质量块加速度分布均匀性的影响特性。

图1 质量块有限元网格模型及分析结果

图2 各因素对加速度分布均匀性的影响特性

各参数影响特性如图2所示，由曲线可知，单一因素作用下，质量块高度对加速度轴向均匀性影响显著，相同直径的质量块，高度越高加速度轴向均匀性越差；质量块直径对加速度分布周向均匀性影响更明显，相同高度时，半径越大加速度分布周向均匀性越差，但加速度周向均匀性对质量块整体均匀性影响不大。在形状尺寸相同、密度相同的条件下，弹性模量越大加速度分布均匀性越好。在形状尺寸相同、弹性模量相同的条件下，材料密度越大加速度分布均匀性越差。在形状尺寸相同、弹性模量相同的条件下，材料密度越大，加速度分布均匀性越差。

比模量（Specific Modulus）指弹性模量与密度的比值，即单位密度的弹性模量，是材料承载能力的重要指标。在形状尺寸相同的条件下，材料比模量越大，加速度分布均匀性越好。

3 比对实验分析

图3 比对实验质量块

图4 质量块加速度均匀性测量系统

表1 质量块在不同频率下复现的动态力

图5 各材质质量块加速度频率响应曲线

图6 动态力传感器校准结果

质量块加速度频率响应和加速度均匀性是影响加速度校准准确度的主要因素。其中，加速度均匀性影响主要来源于质量块不均匀的轴向加速度分布。为确定不同比模量材料的加速度频率响应和加速度轴向分布均匀性，本文采用对比实验方法进行分析。如图3所示，在高度相同的条件下，采用不同比模量材料加工相同直径的质量块，使用图4所示的比较法测量系统，测量质量块的加速度频率响应和加速度轴向均匀性。实验时，改变振动台激励频率，使用标准加速度计监控振动台加速度量值，使得每一频率下振动台输出同 一量级的加速度，通过轻质加速度计测量每种材质质量块的加速度频率响应和轴向加速度均匀性，并计算得到铝、黄铜、304钢及重质合金四种材料在各频率下的动态力，计算结果见表1。从表1可以得到铝、黄铜、304钢及重质合金四种材料在不同频率下的动态力频率响应分别为1.54%、1.23%、1.00%和0.52%，各材料质量块加速度频率响应测量结果如图5所示。从实验结果可以看出，低频频率响应曲线与测量传感器特性不符，各材质质量块在低频存在能量传递损失，在20Hz～2000Hz频率范围内，重质合金质量块所复现的动态力的频率响应最好，AL材质动态力频率响应最差。由此可见，重质合金更适合作为校准质量块材料。

为了验证重质合金质量块是否满足动态力传感器校准要求，选用PCB公司生产的型号为208C02的工作动态力传感器，使用重质合金质量块进行校准，各频率点灵敏度校准结果如图6所示，以160Hz频率点灵敏度为参考，灵敏度频率响应最大误差为0.53%，远远优于最大允许误差。

4 结论

1）动态力传感器校准不确定度分量主要来源于质量块不均匀的轴向加速度分布和质量块加速度频率响应，质量块上的加速度沿轴向方向呈层状分布。

2）质量块尺寸高度、密度、弹性模量和比模量是影响质量块加速度分布的主要因素，其中尺寸高度影响最为显著，尺寸高度单一因素作用下，质量块上加速度均匀性随高度的增高而增大。

3）重质合金材料具有较好的加速度分布均匀性和频率响应，在动态力传感器校准中可提高校准准确度。

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陈东，男，工学硕士，工程师，主要从事力学计量检测工作。

郑术力，男，高级工程师，全国振动冲击转速计量技术委员会委员，主要从事力学声学计量检测研究工作。

表5 实际样品的分析结果

5 结论

X射线荧光光谱法分析技术随着时代的发展也在慢慢完善，不仅可以应用于冶金、地质、化工、机械、石油、建材等工业部门，以及物理、化学、生物、地学、环境科学、考古学等学科；还可用于测定涂层和金属薄膜的厚度和组成以及动态分析等研究。它以其高选择性，高灵敏度，可以连续测定微量元素，而且检出限低，测定速度快，在各个领域中得到了广泛应用，是今后分析技术中必不可少的一部分。

参考文献

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[5] 谢忠信.X射线光谱分析[M].北京:科学出版社, 1982.

[6] 柳荣厚.材料成分检验[M]. 北京:中国计量出版社, 2005.

作者简介

陈晓慧（1979-），女，工学硕士、工程师，从事材料分析及相关检测技术工作。

The Inf uence Characteristics of Mass in Dynamic Transducer Calibration

CHEN Dong, ZHENG Shu-li
（The 5th Electronics Research Institute of the Ministry of Industry and Information Technology, Guangzhou 510610）

Calibration mass is the key component in dynamic force transducer calibration. The uniformity of the acceleration distribution directly affects the calibration accuracy. In this paper, based on the finite element analysis method and the contrast experiment method, the influences of shape size, density, elastic modulus and modulus on acceleration distribution uniformity are studied; and the influence characteristics of each factor are given. The experiment results indicate that improvements are possible in dynamic force transducer calibration by using heavy alloy mass.

mass; acceleration distribution; dynamic force transducer; calibration

TB936

A

1004-7204（2015）01-0028-04