微量摩阻天平旋转加载校准装置研制

0 引 言

表面摩擦阻力（简称“摩阻”）是空气动力学中一个重要的物理量。在实际的工程设计中，摩阻是高超声速飞行器飞行过程中气动力的重要组成部分，特别是湍流边界层会导致摩阻大幅度增加，直接影响飞行器的有效航程，严重制约飞行器的性能[1- 2]。在飞行器设计时必须精确测量飞行器表面摩阻的分布和大小情况，以达到优化设计、提高飞行器性能的目的。因此，需要发展能够精准测量飞行器表面摩阻的微量摩阻天平[3-6]/MEMS摩阻传感器[7-8]及其校准研究能力，为发展高超声速表面摩阻测量试验技术提供基础研究条件。

为了对微量摩阻天平/MEMS摩阻传感器进行校准试验，需要研制专门的校准装置。由于微量摩阻天平和MEMS摩阻传感器的量程和体积都非常小，无法采用常规天平的传统挂砝码校准方式[5, 8]，并且其校准需要能够模拟不同的风洞试验环境压力。

本文提出基于离心力等效原理和单轴旋转加载方法的微量摩阻天平旋转加载校准装置研制方案，并且采用真空箱体模拟不同的风洞试验环境压力，用于微量摩阻天平/MEMS摩阻传感器静态校准。

1 微量摩阻天平旋转加载校准原理与总体方案设计

1.1 微量摩阻天平旋转加载校准原理

体积和量程都很小的微量摩阻天平/MEMS摩阻传感器静态校准将采用基于离心力等效原理的旋转加载方法，旋转加载校准的工作原理是[9]：单轴旋转加载平台产生一定的离心力，作用在微量摩阻天平测量元件表面几何中心所在的垂直轴线上，形成与摩阻力矩方向一致的离心力矩，离心力矩作用使测量元件产生微小的位移/变形，进而使与测量元件集成的应变片等电学元件产生一定的电信号输出，如图1所示。根据离心力公式F=mω2r，改变转台的转速 ω，便改变了加载力F的大小，即可建立电信号输出-离心力矩的传递函数。在此基础上，建立离心力矩与等效摩阻的对应关系，即可实现微量摩阻天平静态校准。

图1 旋转加载校准的离心力等效原理

1.2 旋转加载校准装置总体方案设计

校准装置需要模拟高超声速风洞摩阻测量的环境压力，转台工作台面置于真空箱体内，真空箱体的压力可以通过真空泵实现真空度的精密测量与控制，从而模拟摩阻测量试验需要的不同环境压力。因此，微量摩阻天平校准装置主要包括旋转加载台体系统、真空系统和测控系统等，如图2所示。

图2 微量摩阻天平校准装置总体方案

自主研制MEMS摩阻传感器样机，摩阻测量范围为 0～100 Pa，分辨率为 0.1 Pa。其中，MEMS 摩阻传感器测量头直径为 Φ5 mm，摩阻天平测量头直径为 Φ 20 mm，相应的待测摩阻力分别为1.96 mN和31.42 mN，测量分辨率分别为0.002 mN和0.03 mN。根据表面摩阻测量器件静态校准需求，校准装置的关键技术指标设计为：工作台面直径为 Φ 600 mm，允许载荷为2×4 kg（均布），试品允许最大高度为200 mm；转角范围连续无限，速率范围为0.01～3 600 °/s，速率精度为 5×10-3（10°平均）；真空箱内部≥ Φ 700 mm×500 mm，极限真空度优于50 Pa，压升率（漏气率）≤0.3 Pa/h；配置专用的测量控制系统和控制软件，实现旋转加载平台运动和真空度的精准控制。

2 旋转加载校准装置方案设计

2.1 旋转加载台体系统方案设计

旋转加载台体系统是保证校准装置主要技术指标的核心部件，主要包括旋转主轴、工作台面、驱动电机、精密轴承组件、导电滑环和安装底座等，台体系统的结构如图3所示。

图3 旋转加载台体系统方案设计

旋转主轴是旋转加载台体系统的关键运动部件，采用德国FAG公司精密级角接触球轴承7024ET/P4S双联支承，驱动电机采用美国Parker公司生产的190STK2M系列无刷力矩电机，用来驱动转台轴旋转，满足速率及位置的要求。

工作台面采用不锈钢材料，直径为 Φ 600 mm，固定在转台主轴上端，用于安装微量摩阻天平/MEMS摩阻传感器。工作台面上有M8安装螺孔呈45°辐射分布，并对称设计两个插座用于传输试验对象信号;台面侧面设计有1°间隔的分布刻线。安装底座下部设计了均布的可调支脚，用来调整工作台面的水平。

主轴运动控制的角位置反馈元件采用英国雷尼绍公司生产的RESA229光电绝对式轴角编码器，安装在工作台面与双联精密轴承之间的旋转主轴。导电滑环组件安置在转台轴轴系的下端，用于传输被测产品信号，需要同时具备较高的导电性能和耐磨特性，选用中航工业精密所生产的DHH40导电滑环，主要技术指标为：接触电阻≤50 mΩ、接触电阻变化量≤10 mΩ、绝缘电阻≥100 MΩ、环数规格≥40、使用寿命≥107转。

2.2 真空系统方案设计

真空系统用于模拟摩阻测量器件工作的高超声速风洞环境压力，主要包括真空获得系统、真空箱体、真空测量仪器、压力控制阀、磁流体动态密封装置和真空控制监测装置等，如图4所示。

图4 真空系统方案设计

真空获得系统是真空系统的核心组件，主要包括真空泵、真空阀门、真空连接管路等。为了保证真空箱体内无油的工作环境，真空泵必须为无油涡旋干泵，选用英国爱德华的nXDS10i涡旋干泵，抽速为3.1 L/s。真空阀门主要包含安装在真空箱体上的抽真空阀和放气阀，抽真空阀与干泵通过KF25不锈钢波纹管连接；放气阀用于试验完成后真空腔体充气开门拿取工件，进气口安装空气过滤器；真空阀门选用川北真空的抽真空阀GDC-J25和放气阀GDC-J16。

真空箱体采用立式单室前开门结构，包括腔室、操作门、铰链及锁紧装置等，箱体顶部设置照明灯，箱体正面设计直径为 Φ400 mm的K9光学玻璃观察窗。真空箱体外部设置加强筋，以防止变形，并用不锈钢薄板包裹，使设备外形美观；真空箱体设置抽真空接口、充放气阀接口以及转台密封接口，所有接口均使用标准法兰；操作门通过铰链与腔室连接，并可通过铰链轴手动打开，操作灵活方便；真空箱体与操作门之间采用真空氟橡胶密封。

转台延伸轴与旋转主轴通过磁流体密封技术进行连接[10]，磁流体密封装置采用中空式双法兰结构形式，中空部分预留 Φ 50 mm孔径用于预埋导电滑环线缆，磁流体外壳与真空箱体对接，以此实现单轴真空转台的旋转动态密封。

真空测量系统使用电阻真空计，安装在真空箱体上，测试真空室内抽气时的真空度。真空度在50～5 000 Pa范围内可稳压控制，控制精度为±1%，必须通过薄膜规和调节阀来实现压力控制。选用美国ASCO调节阀，可根据控制压力设定调节进气流量实现对所充气体的流量调节，达到精确控制压力，阀门型号为G202A，进气流量在0～1.5 L/s范围内调节;同时，选用型号为SS-4BK的手动截止阀作为调节阀G202截止功能的备用阀。选用美国MKS薄膜规，型号为722B，规格为10 Torr（1 Torr≈133.322 Pa）和100 Torr各1个，控制精度可达到±0.5%。选用磁流体密封装置实现低阻尼条件下把旋转主轴运动传递到真空箱体内的工作台面。真空控制监测装置有专门的控制面板，集成了操作按钮、PLC控制器、通信模块、真空计、薄膜规控制仪、触摸屏等显示设备，实现对真空系统的实时监测和操作。

2.3 测控系统方案设计

测控系统用于对校准装置的台体系统和真空系统进行实时测量和控制。测控系统主要包括测控主机、DSP轴运动控制器、角位移/角速度测量系统、真空测控系统、面板显示与键盘、通信接口和软件系统等，如图5所示。

测控系统的核心为转台控制计算机及DSP轴运动控制器。电控系统采用主流工控PC计算机与专用DSP多轴运动轴控系统相结合的二级位置闭环数字复合控制结构，图形化人机界面提供灵活的转台操作和显示；无刷力矩电机及相应的PWM型电流反馈伺服驱动放大器直接驱动；具有位置编码基准信号的光电绝对式轴角编码器作为转台轴运动测量反馈元件；DSP轴运动控制器和控制计算机配置模拟、高速串行口与上位计算机通信实现转台的远程控制。

图5 测控系统方案设计

软件系统为专用的测控软件，主要包括旋转加载台体系统测控软件和真空系统测控软件，实现对校准系统的各种运动控制管理、用户各种输入/输出的界面管理、各种保护控制管理、多种接口的运动/伺服跟踪实时数据通信。计算机软件基于Windows操作系统，采用C语言模块化设计，具有功能扩展能力。

3 旋转加载校准装置研制与应用

在上述校准装置总体方案、旋转加载台体系统、真空系统和测控系统等系统方案设计的基础上，完成了微量摩阻天平旋转加载校准装置加工、安装调试和现场技术指标检测，校准装置如图6所示。现场检测的关键技术指标为：负载4×2 kg（均布），转台直径为600 mm（可固定安装测量半径大于 250 mm），最大安装高度200 mm，真空度20～5 000 Pa 精密可测可控，速率范围 0.01～3 600 °/s连续可调，速率精度优于0.01 °/s，具备了摩阻测量器件静态校准的能力。

图6 研制的微量摩阻天平旋转加载校准装置

研制的微量摩阻天平旋转加载校准装置被用于静态校准自主研制的MEMS摩阻传感器样机，MEMS摩阻传感器样机及其在校准装置工作台面安装如图7所示，校准曲线如图8所示。

图7 自主研制的MEMS摩阻传感器样机及其静态校准

图8 MEMS摩阻传感器样机校准曲线

校准结果表明，研制的微量摩阻天平旋转加载校准装置运行稳定性好，速率精度高，满足微量摩阻天平/MEMS摩阻传感器静态校准需求；静校的MEMS摩阻传感器样机输出稳定、回零好，测量范围均为0～100 Pa，分辨率为0.1 Pa，重复性精度和线性度均优于1%。此外，校准过程中，真空箱体内的真空度可以在30 min内达到20 Pa，并且具有很好的真空度保持能力。

4 结束语

本文提出了基于离心力等效原理和真空箱体内单轴旋转加载的校准装置研制方案，开展了旋转加载校准原理和校准装置总体方案研究；并分别对单轴旋转加载台体系统、模拟不同风洞试验环境压力的真空系统、旋转加载台体和真空箱体的磁流体动态密封以及专用的测控系统等方案进行了详细设计；最后，完成了校准装置研制和技术指标检测，并对研制的MEMS摩阻传感器样机开展了校准试验应用，结果表明本校准装置满足微量摩阻天平/MEMS摩阻传感器静态校准研究的要求。并且，这种真空度精密可测可控的单轴旋转加载装置研制在国内尚属首次，对其他带真空转台研制具有参考意义。