不同材料安装底座对冲击传感器灵敏度影响试验研究

2021-03-15尹钊，余抗，赵波

航天器环境工程 2021年1期

尹钊，余抗，赵波

（1.北京空间飞行器总体设计部，北京100094；2.山东航天电子技术研究所，烟台264006）

0 引言

未来空间站等大型载人航天器将采用新型运载火箭发射入轨，发射时将经历全新器箭耦合条件下复杂的力学环境，包含较大的冲击响应。前期的冲击试验表明，船箭分离瞬间的冲击加速度将达到上千g 的量级。为获取全新器箭耦合条件下发射段产生的冲击环境，需要在航天器器箭界面处布置冲击传感器，以监测航天器在发射点火、船箭分离等时刻产生的振动和主结构的力学环境。

冲击传感器在航天器结构上的安装方式影响传感器数据获取的准确度，这一点可通过传感器的灵敏度幅值线性度体现。一般来说，传感器与航天器结构间采用螺栓连接的方式固定安装。而为了采集x、y、z 三方向的冲击响应，一般将3个单轴传感器组合形成三轴冲击传感器。为实现组合后的三轴传感器与航天器结构的螺接，须设计能够满足传感器螺接安装的底座。

为减小传感器安装底座的质量，可选择聚酰亚胺等绝缘材料作为安装底座的材料。然而，非金属材料安装底座虽然质量小，但刚度较低，可能存在降低传感器安装谐振频率的问题。故本文设计采用2A12铝合金作为大量程冲击传感器安装底座的材料，并分别进行传感器不带安装底座、带聚酰亚胺安装底座和带铝合金安装底座3种情况下的冲击检定试验，以验证不同安装方式对冲击传感器灵敏度的影响，测试传感器是否满足实际测量误差不大于±10%的要求。

1 冲击传感器检定原理

根据冲击传感器校准原理，采用冲击加速度比较法对传感器进行校准。利用加速度校准标准器具，将参考传感器与被检传感器的加速度进行比较。将被检传感器与参考传感器背靠背刚性安装在振动台台面中心位置，二者承受同一个冲击激励源，此时认为参考传感器与被检传感器的加速度相同，被检传感器的输出与所承受的加速度值之比为其灵敏度幅值。即

式中：a 为加速度，m·s；V和V分别为参考传感器和被检传感器的输出，mV；S和S分别为参考传感器和被检传感器的灵敏度幅值，mV/(m·s)。

检定试验装置由供电和信号采集设备、上位机（含处理软件）和冲击波形发生器组成。首先将传感器的信号线与供电器连接，被检传感器与参考传感器刚性连接并固定在气炮冲击器上，调节限位装置高度对传感器进行限位，并保证在传感器运动方向上有一定的行程（参见图1）；之后操作上位机，设定不同的冲击量级（500g～10 000g），产生冲击波；信号采集设备将传感器信号传输至上位机，通过数据处理软件采用最小二乘法生成传感器信号时域曲线（图2）和幅值线性度曲线（图3）；最后观察并记录上位机测量的加速度值、灵敏度、脉冲宽度数据。

图1 气炮冲击器及检定测试工装Fig.1 Air gun impactor

图2 冲击传感器信号时域曲线Fig.2 Time domain curveof the shock sensor’s signal

图3 冲击传感器幅值线性度曲线Fig.3 Amplitude linearity of the shock sensor

2 传感器灵敏度检定试验

检定试验中，采用冲击波发生器产生冲击信号。参考传感器为美国PCB公司的301A12型背靠背校准参考冲击传感器，其标称灵敏度为0.4501 mV/g，频率范围1 Hz～10 kHz，加速度测量范围±10 000g。被检传感器是型号为350C23的ICP型大量程冲击传感器，其标称灵敏度为0.524 mV/g，频率范围0.4 Hz～10 kHz，谐振频率大于100 kHz，加速度测量范围±10 000g。

2.1 传感器不带安装底座检定试验

对冲击传感器不带安装底座进行检定试验。被检传感器直接通过螺钉与参考传感器背靠背刚性连接（见图4）。

图4 被检传感器与参考传感器螺接Fig.4 The sensor screwed with the reference sensor

冲击传感器不带安装底座的检定试验结果如表1 所示，将被检传感器在各加速度下的灵敏度与同型号冲击传感器的标称灵敏度0.524 mV/g 进行比较，经计算，传感器不带安装底座的灵敏度幅值最大误差为0.57%。

表1 冲击传感器（不带安装底座）检定试验结果Table 1 The sensitive calibration test results of the impact sensor (without mounting base)

2.2 传感器带聚酰亚胺安装底座检定试验

对冲击传感器带聚酰亚胺绝缘安装底座（见图5）进行检定试验。

图5 三轴冲击传感器（安装底座材料为聚酰亚胺）Fig.5 Three-axisimpact sensor with polyimide mounting base

冲击传感器带聚酰亚胺绝缘安装底座的检定试验结果如表2所示，传感器灵敏度在部分频点出现超差，其中在加速度10 000g，脉冲宽度0.12 ms时，灵敏度误差最大，达到83.6%，大大超出传感器测量误差不大于10%的要求。

表2 冲击传感器（带聚酰亚胺绝缘安装底座）检定试验结果Table 2 The sensitive calibration test results of the of the impact sensor (polyimide insulating base)

经分析，由于聚酰亚胺材料的固有特性，聚酰亚胺安装底座谐振频率较低，在冲击标定的部分频段可能会影响传感器的传递特性，造成传感器频率响应及灵敏度在部分频点出现放大。

2.3 传感器带铝合金安装底座检定试验

将传感器安装底座材料更换为铝合金（2A12-H112）进行检定试验。铝合金安装底座本体尺寸为20 mm×20 mm×20 mm，重约50 g。被检传感器先通过螺接固定在安装底座上再与参考传感器通过螺钉刚性连接，如图6所示。安装底座与参考传感器之间的连接采用1/4-28的英制螺纹，外径约为6.35 mm。

图6 传感器带铝合金安装底座与参考传感器螺接Fig.6 Sensor with mounting base screwed with the reference sensor to form a rigid connection

冲击传感器带铝合金安装底座的检定试验结果如表3所示，经计算，传感器带铝合金安装底座的灵敏度最大误差为4.96%，满足传感器测量误差不大于10%的要求。

表3 冲击传感器（带铝合金安装底座）检定试验结果Table 3 The sensitive calibration test results of the impact sensor (with mounting base made of aluminum alloy)

2.4 分析与小结

在固定安装孔之后，对聚酰亚胺安装底座与铝合金安装底座分别进行有限元模型的前6阶模态频率及模态振型分析，结果见图7～图12。

图7 两种材料安装底座的一阶振型Fig.7 Thefirst modal shapesof the two installation bases

图8 两种材料安装底座的二阶振型Fig.8 The second modal shapes of the two installation bases

图9 两种材料安装底座的三阶振型Fig.9 The third modal shapes of the two installation bases

对比冲击传感器不带安装底座、带聚酰亚胺安装底座和带铝合金安装底座的检定试验结果（表1～表3）可知，增加安装底座会加大传感器的灵敏度误差。而传感器的安装谐振频率与传感器的安装刚度有关：一般来说安装刚度越高，安装谐振频率越高。由图7～图12可知，将安装底座材料由聚酰亚胺非金属材料改为铝合金后，前6阶模态频率均明显提高。这是由于安装底座可以看成是一个二阶系统，二阶系统固有频率与阻尼比成反比，而聚酰亚胺的阻尼系数远大于铝合金的，所以当安装底座材料由聚酰亚胺改为铝合金时，安装底座的刚度增大，从而提高了传感器的安装谐振频率，相应减小了传感器灵敏度的误差，能够满足实际测量对误差限的要求。