热模态试验系统高温振动校准测试装置设计

黄 成，郑 凯，倪 博，承 磊，沈惠峰

(1.中国航发上海商用航空发动机制造有限责任公司，上海 201306; 2.上海航天精密机械研究所，上海 201600;3.上海精密计量测试研究所，上海 201109)

0 引 言

研究气动热弹性问题的关键在于获取准确的热模态参数[1-6]，为能够更准确地获取飞行器在飞行过程中热环境条件下的模态参数，需要在地面建立热模态试验系统。热模态试验系统主要由加热系统、激振系统和激光测振系统组成，其中激光测振系统主要用于模态振动时加速度幅值的测量。

目前热模态试验系统中的激光测振系统校准一般是在实验室环境下进行的[7]，并且校准的环境条件为常温环境，从未在高温环境条件下进行过校准。而在高温环境下，随着温度不断升高，热模态试验中的金属会发射出可见光波段的辐射光谱，当这些光谱与激光光波长相近时会对激光测振系统产生干扰。一些试验结果表明，当激光测振系统在高温环境下使用时，会受到加热系统石英灯管产生的杂散光、热空气对流和温度等外部因素的影响，而使得激光测振仪的测量准确度下降[8]。国内外计量机构虽然采用激光测振系统开展传感器温度相应的绝对法校准，但使用的高低温室是稳定环境，不存在杂散光和空气对流等干扰源，目前对此类干扰的分析尚未查见。因此非常有必要在高温环境下，对热模态试验系统中的激光测振系统进行原位的量值溯源，确定其在不同温度下，加速度幅值测量误差是否能够满足试验要求。

本文提出了热模态试验系统高温振动原位校准测试的设计方案，采用基于振动标准装置和耐高温陶瓷传递杆的振动标准传递技术，组建了原位校准测试装置，通过分析和原位校准测试试验，可满足对试验系统高温环境下振动加速度幅值的有效量值溯源。

1 高温环境振动幅值原位校准测试研究

1.1 原位校准测试方法选择

平板式热模态试验系统采用非接触测量的激光测振系统进行振动信号的采集与分析[9-10]，当进行热模态试验时将激光测振系统的激光打到被测试件上，测量该点的加速度幅值。

试验系统的技术指标为：

20～400 ℃ 温度下：频率范围：10～700 Hz，加速度幅值：0.5～3g，幅值测量精度：±10%。

在高温环境下，对激光测振系统进行溯源时，可采用两种方法实现激光测振系统量值溯源。第一种方法为振动标准法，即通过有效的隔热措施，将振动标准装置（由正弦信号发生器、功率放大器、标准振动台、标准加速度计、电荷放大器、数字电压表组成）输出标准正弦振动信号传递至高温环境中，激光测振系统测量该标准正弦振动信号，将激光测振系统的测量值与振动标准装置的输出值进行比较，实现激光振动测量系统的量值溯源。第二种方法为比较法，采用的标准加速度传感器需在高温环境下有效溯源后，获得温度灵敏度曲线，将标准加速度传感器与激光测振系统同时测量同一正弦振动信号，对二者的测量结果进行比较，实现激光测振系统的高温环境溯源。

通过对以上两种方法进行比较，采用传感器比较法校准时，具有很大的不确定性和复杂性，而采用振动标准法只需通过有效的隔热措施和适当的温度补偿[11-12]措施即可实现高温环境下的校准测试，且更为可靠和准确，因此本文采用振动标准法实现高温环境下平板式热模态试验系统加速度幅值测量误差的原位校准。

1.2 原位校准测试方案

采用振动标准法进行高温振动原位校准时，如何将振动标准装置输出的加速度幅值准确传递到高温环境中，同时保证标准加速度计处于常温或可控状态是所要研究的关键技术难点。因此，本文采用以下三个措施：

第一个措施为在标准振动台上安装耐高温陶瓷传递杆，通过增加标准加速度计与石英灯阵之间的距离，降低热环境对标准加速度计的影响。陶瓷杆具有非常好的隔热特性，传输系数稳定，可以实现将标准加速度幅值由常温环境传递到高温环境，为平板式热模态试验系统的校准提供准确可靠的加速度幅值。

第二个措施为在标准加速度计与石英灯阵之间采取隔热措施。当平板式热模态试验系统中石英灯阵进行加热时，因热量泄漏其周围的环境温度也会随之升高，会对标准加速度计灵敏度带来影响，本项目通过设计隔热装置，将振动标准装置与平板式热模态试验系统进行隔热，进一步降低环境温度对标准加速度计的影响。

第三个措施是对陶瓷传递杆传输系数进行标定，在实际校准时，根据其实际的频率点对标准加速度计的灵敏度进行修正，确保标准加速度计输出的加速度准确可靠。

通过以上三个措施，可以实现将振动标准装置传递到高温环境的加速度量值可控可靠，实现对平板式热模态试验系统振动测量的量值溯源。

加速度幅值测量误差振动标准法校准测试原理框图如图1所示。隔热装置将振动标准装置与平板式热模态试验系统进行隔热。通过陶瓷杆的传递将标准加速度幅值由常温环境传递到高温环境下的标准试件上。标准加速度幅值采用标准加速度计进行测量，通过电荷放大器和数字电压表组成的测量系统读取加速度幅值信号。高温环境的标准试件加速度幅值由平板式热模态试验系统中的激光测振系统进行测量。通过对两个环境下的加速度参数数据的比较，完成对平板式热模态试验系统加速度幅值测量误差的校准。

图1 高温环境下振动标准法校准测试原理框图

根据平板式热模态试验系统加速度幅值测量误差校准方法，可实现不同热流密度和温度下，平板式热模态试验系统加速度幅值测量误差的校准，获得加速度幅值测量误差随热流密度和温度变化的曲线。加速度幅值误差的计算为

式中：δ——平板式热模态试验系统加速度幅值测量误差，%；

a1——平板式热模态试验系统加速度幅值测量值，g；

a0——振动标准装置输出加速度幅值，g；

——振动标准装置输出加速度幅值修正量。

试验系统以及标准加速度计工作环境所在的温度场随石英灯阵所产生的热流密度场的变化而变化，但由于温度场的变化对激光测振系统测量数据会有影响，因此在加速度幅值测量误差校准时需要同时对控制温区的温度进行校准。另外标准加速度计工作环境的温度变化，对平板式热模态试验系统的加速度幅值校准影响较大，因此在加速度幅值测量误差校准时有必要对加速度计工作环境温度进行监测，为传感器灵敏度温度补偿提供依据。

1.3 陶瓷传递杆和隔热装置的组建与分析

标准振动台配合的专用陶瓷杆（图2），可以在-185～800 ℃的工作环境温度下实现加速度幅值的传递。陶瓷杆主体由6根耐高温陶瓷细杆圆周均布安装组成，前端受热部分包覆304不锈钢，底部与振动台动圈通过联结工装固定。在400 Hz以下，传输系数十分稳定，基本稳定在1%～2%，在400～700 Hz时传输系数会随着频率增加而增加。为了更准确地获得陶瓷传递杆顶部加速度幅值，需要对陶瓷杆传输系数进行线性修正，确保加速度幅值由陶瓷杆底端传递到顶端时，不造成加速度幅值的额外测量误差。

图2 标准振动台（含陶瓷传递杆）

因此采用2个标准加速度计、电荷放大器、标准信号源和动态信号采集系统，组建了如图3所示的陶瓷杆传递系数线性标定系统。

图3 陶瓷杆传输系数线性标定系统

将加速度计的灵敏度在电荷放大器及动态信号采集系统内进行设置，开启标准振动台，同时记录陶瓷传递杆两端的加速度计传递信号，测量频率范围为10～700 Hz，得到测量数据如表1所示。

表1 陶瓷杆传递系数

为了分析陶瓷传递杆在高温环境下热变形影响，采用仿真分析软件对陶瓷传递杆高温热变形进行仿真分析，陶瓷杆各材料特性如表2所示，边界条件为：陶瓷杆顶端固定温度加热，其余进行空气热交换。仿真分析数据如表3所示。

表2 陶瓷杆各材料特性

测量数据和仿真结果表明，陶瓷传递杆能够起到很好的传递作用，修正系数都在1.02以下，安装了陶瓷传递杆的标准振动台的失真度也基本小于2%，高温热变形对试验影响很小，最大形变量小于1 mm，因此能够开展对振动加速度幅值测量误差的原位校准。

如图4所示，隔热装置为由高硅氧玻璃钢的隔热材料外协加工而成，由一块前部防热板、两块侧向防热板和一块上部防热板构成，并通过不锈钢角连接和螺钉进行组装。前部防热板中间开一个直径60 mm的圆孔，能够让振动台的陶瓷传递杆顺利通过，同时保证振动台的主体部分完全覆盖在隔热装置内，实现对振动台及标准加速度计的隔热效果。

图4 隔热装置安装示意图

2 原位校准测试装置

本文研建的校准测试装置总体如图5所示。装置由振动标准装置、隔热装置以及温度监测单元组成。振动标准装置用于提供标准加速度幅值，主要包括正弦信号发生器、功率放大器、标准振动台、陶瓷杆、标准加速度计、电荷放大器、动态信号分析仪。温度监测单元主要用于监测振动校准时的温度值，由热电偶传感器和数据采集器组成。

图5 校准测试装置总体示意图

其中主要测量设备的技术指标如表4所示。

表4 主要测量设备技术指标

研建的校准测试装置技术指标如下：

1）频率测量范围为 10～1000 Hz；

2）加速度测量范围为 0.1 ～8g；

3）加速度幅值最大允许误差：±2%。

3 校准装置测量不确定度评定

加速度幅值测量的数学模型为：

式中：a——校准装置测量的加速度幅值，g；

a′——校准装置测 量的加速度幅值标准值，g；

V——标准加速度计的输出值，mV；

D——电荷放大器设定的归一化档读数，10-12C/Unit；

G——电荷放大器设定的增益档读数，mV/Unit；

S——标准加速度计的灵敏度，10-12C/g。

按照不确定度传递率[13]，a的相对合成不确定度公式为：

校准装置加速度幅值测量误差的测量不确定度来源以及汇总数据如表5所示。

表5 测量不确定度一览表

4 验证测试试验

利用校准测试装置对平板式热模态试验系统的高温环境下振动加速度幅值测量误差进行验证试验。图6为现场测试图，试验结果如图7和图8所示。

图6 高温环境下振动幅值测量误差验证测试试验

图7 高温环境下振动幅值的频率特性数据

图8 高温环境下振动幅值的幅值特性数据

表6是各频率点的最大误差值，表7是相同温度下各频率对160 Hz频率点的幅值偏差，表8是160 Hz频率下各幅值点的最大误差值。

表6 各频率下最大误差值

表7 相同温度下各频率对160 Hz频率点的幅值偏差

表8 160 Hz频率条件各幅值下最大误差值

测试结果显示：

1）热模态试验系统中测量的振动加速度幅值随着试验温度的升高，总体呈下降趋势；

2）高温环境下，各频率点的测量误差最大可达-8.57%（400 ℃ 时）；

3）在相同温度下，各个频率点的加速度幅值与160 Hz参考频率点加速度幅值偏差均小于5%；

4）在160 Hz频率条件下，各幅值的最大测量误差最大可达-7.78%（2g时）；各个温度条件下各幅值的测量值与常温下的幅值测量值的偏差（幅值线性度）均小于3%。

由此可见，在进行热模态试验中，针对激光测振仪进行温度修正是十分有必要的。在试验准确度要求不高的情况下，可以只对激光测振仪各个温度点进行160 Hz频率点的修正，即可在兼顾试验效率的前提下，实现对高温环境下激光测振仪的原位校准。

5 结束语

本文主要研究了平板式热模态试验系统高温环境振动加速度幅值原位校准测试方法，提出了振动标准法进行高温环境下校准测试的解决方案，设计研制了基于标准振动台、陶瓷传递杆以及隔热装置等组建的原位校准测试装置。通过验证试验表明，该装置简便可行准确度高，满足平板式热模态试验系统高温环境振动加速度幅值原位校准测试需求，可以开展原位校准测试工作。