五維力桿式壓電天平的研制.pdf

1、機(jī)動(dòng)性、可靠性和精確性是新一代帶動(dòng)力飛行武器（簡稱飛行器)的重要特征。飛行器在高速飛行時(shí)，受流場(chǎng)作用，其周圍非定常氣動(dòng)載荷的大小直接關(guān)系飛行器的可靠性和準(zhǔn)確性。需在實(shí)際應(yīng)用前對(duì)飛行器進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，但受試驗(yàn)條件的限制，目前主要是對(duì)一定縮尺比下的飛行器模型進(jìn)行風(fēng)洞測(cè)力試驗(yàn)，可供核心測(cè)量設(shè)備風(fēng)洞天平的設(shè)計(jì)空間非常有限，傳統(tǒng)的組合式壓電天平已無法滿足設(shè)計(jì)與測(cè)量需求。因此，通過開展桿式壓電天平高速流場(chǎng)中氣動(dòng)載荷的測(cè)量技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)特定空間內(nèi)桿式壓

2、電天平的合理設(shè)計(jì)與制作，對(duì)飛行器氣動(dòng)載荷的精確測(cè)量及飛行器實(shí)際應(yīng)用均有重要意義。
　　本文首先對(duì)飛行器模型的受力情況進(jìn)行了分析，進(jìn)而得到風(fēng)洞天平所受載荷情況。針對(duì)狹小空間內(nèi)五維力的測(cè)量需求，基于石英晶體的壓電效應(yīng)和各向異性彈性理論，得到多維力作用下晶片的非線性極化電場(chǎng)規(guī)律;并采用分區(qū)面域輸出電荷的方式，最終求得多維力與石英晶片耦合感生電荷之間的面域壓電方程。同時(shí)利用有限元軟件中壓電效應(yīng)模塊對(duì)壓電石英晶片進(jìn)行建模仿真，得到多維力作用

3、下晶片模型的電勢(shì)和電場(chǎng)分布，最終實(shí)現(xiàn)了以石英晶體為力電轉(zhuǎn)換元件的桿式壓電天平測(cè)量原理的推導(dǎo)。
　　為保證五維氣動(dòng)載荷的準(zhǔn)確測(cè)量，包括組合晶組（核心測(cè)量元件）在內(nèi)的壓電天平的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是十分重要的。該天平主要由組合晶組、預(yù)緊塊、隔熱板、晶組支撐臺(tái)和屏蔽罩等組成。其中，按天平規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)確定天平前后端錐度分別為1∶5和1∶10;為減少溫度對(duì)天平的影響，在晶組的兩側(cè)放置了隔熱板;晶組支撐臺(tái)的設(shè)計(jì)則是為了實(shí)現(xiàn)晶組位置的固定和信號(hào)引線的合理放

4、置;為減少電荷的漂移，在晶組外側(cè)設(shè)計(jì)了屏蔽罩等，以保證天平在高速流場(chǎng)中測(cè)量的準(zhǔn)確性。
　　桿式壓電天平設(shè)計(jì)完成后，壓電元件及其它零部件的精心組裝對(duì)減小天平各分量之間的干擾也是十分重要的。從石英單片到組合晶組的整個(gè)過程中，石英晶組的制作并不是簡單的晶片疊加，需對(duì)各晶片間的平行度進(jìn)行檢查和修正，確保靈敏度以及平行精度盡可能高。除此，還有著復(fù)雜的制作工藝，比如晶片的切割精度，電極片材料與形狀的選擇，晶片粘結(jié)劑的使用以及膠合工藝等，都影響

5、晶組乃至整個(gè)天平的測(cè)量精度。
　　針對(duì)五維力桿式壓電天平的靜動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究，首先采用逐級(jí)加載的方式，對(duì)天平施加靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)載荷，在不同的靜態(tài)力作用下天平呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，實(shí)現(xiàn)天平的靜態(tài)標(biāo)定，獲得相應(yīng)的重復(fù)性誤差、非線性誤差、準(zhǔn)度等靜態(tài)性能指標(biāo);其次，為獲得桿式天平輸出信號(hào)的跟隨性，設(shè)計(jì)并完成了改變振動(dòng)頻率的激振實(shí)驗(yàn)，通過加振裝置——激振器對(duì)桿式壓電天平施加不同頻率的激振力，求得輸出與輸入對(duì)應(yīng)關(guān)系;最后，為測(cè)試天平對(duì)溫度的敏感性，通過

6、溫漂實(shí)驗(yàn)，獲得天平各向力的零點(diǎn)漂移情況，即完成了整個(gè)天平的性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的測(cè)量方法及壓電天平整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可有效完成飛行器高速飛行時(shí)五維氣動(dòng)載荷的測(cè)量。所研制的桿式壓電天平各分量的最大非線性誤差和重復(fù)性誤差分別為:1.28％、1.53％，準(zhǔn)度在4.8％以內(nèi)，滿足了飛行器在高速流場(chǎng)中五維氣動(dòng)力測(cè)量的需求。因此，本論文開展的五維力桿式壓電天平的測(cè)量技術(shù)不僅為集切向力與扭矩測(cè)量子一體的晶組的設(shè)計(jì)和小尺寸多維力