航天運(yùn)載器貯箱低溫液位校準(zhǔn)裝置的誤差分析與精度設(shè)計(jì)論文
引 言
液位測(cè)量技術(shù)應(yīng)用廣泛，常用的測(cè)量方法有浮子法、電容法、超聲波法等。其中，電容式液位傳感器由于其動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，常被應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，其測(cè)量原理是通過(guò)檢測(cè)液體中兩個(gè)電極間的電容值來(lái)獲取液位信息。
隨著航天運(yùn)載器推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，低溫液體推進(jìn)劑由于其無(wú)毒、無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)被各國(guó)廣泛使用。航天運(yùn)載器升空過(guò)程中對(duì)低溫液體推進(jìn)劑的監(jiān)測(cè)和測(cè)量的手段很多，電容式液位測(cè)量法是最常用的方法之一。為了保證液位測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，需定期對(duì)所使用的液位傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。本文圍繞航天運(yùn)載器低溫液位校準(zhǔn)技術(shù)展開(kāi)研究，針對(duì)電容式液位傳感器設(shè)計(jì)了一種測(cè)量范圍為 0～2 m 的液位校準(zhǔn)裝置，該裝置能模擬低溫工作環(huán)境，其基本原理是采用比較法實(shí)現(xiàn)對(duì)電容式液位傳感器的校準(zhǔn)。
1 低溫液位校準(zhǔn)裝置工作原理與結(jié)構(gòu)
本文設(shè)計(jì)的應(yīng)用于電容式低溫液位傳感器的校準(zhǔn)裝置的工作原理是：在地面模擬航天運(yùn)載器升空過(guò)程中液位的變化，根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理，保持液位不變，通過(guò)校準(zhǔn)裝置帶動(dòng)電容式液位傳感器上下移動(dòng)，采用比較校準(zhǔn)裝置的測(cè)量結(jié)果與被校電容式液位傳感器的測(cè)量結(jié)果的方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)目的，并且可采用更高精度的雙頻激光干涉儀對(duì)所設(shè)計(jì)的校準(zhǔn)裝置進(jìn)行校準(zhǔn)，而雙頻激光干涉儀可送至國(guó)防科技工業(yè)一級(jí)計(jì)量站或省級(jí)計(jì)量測(cè)試機(jī)構(gòu)校準(zhǔn)，從而可將電容式液位傳感器的測(cè)量結(jié)果溯源至中國(guó)長(zhǎng)度計(jì)量基準(zhǔn)，建立航天運(yùn)載器所使用的電容式液位傳感器的完整溯源鏈，以保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。
2 低溫液位校準(zhǔn)裝置的誤差分析
為了實(shí)現(xiàn)電容式液位傳感器的校準(zhǔn)，根據(jù)計(jì)量學(xué)理論，將低溫液位校準(zhǔn)裝置的測(cè)量精度設(shè)計(jì)為被校電容式液位傳感器測(cè)量精度的' 1/3～1/10，故所設(shè)計(jì)的低溫液位校準(zhǔn)裝置的最大允許誤差設(shè)計(jì)為 0.6 mm。為此必須對(duì)該校準(zhǔn)裝置測(cè)量過(guò)程中的誤差源進(jìn)行分析。在測(cè)量過(guò)程中，誤差源主要來(lái)自測(cè)量裝置誤差、環(huán)境誤差、方法誤差和人員誤差 4 個(gè)方面，具體表現(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)量誤差、阿貝誤差、熱變形誤差等。
2.1 標(biāo)準(zhǔn)量誤差
低溫液位校準(zhǔn)裝置通過(guò)測(cè)量光柵、伺服電機(jī)、導(dǎo)軌和滾珠絲杠組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)連接桿的精確定位，所得測(cè)量信號(hào)被測(cè)量光柵讀取，因此標(biāo)準(zhǔn)量測(cè)量光柵的示值誤差11? ( x)及連接桿定位誤差12? ( x)成為該校準(zhǔn)裝置的標(biāo)準(zhǔn)量誤差的主要來(lái)源。
2.2 阿貝誤差
低溫液位校準(zhǔn)裝置的升降機(jī)構(gòu)通過(guò)連接桿同時(shí)帶動(dòng)測(cè)量光柵的指示光柵和電容式液位傳感器，測(cè)量光柵的標(biāo)尺光柵粘貼在升降機(jī)構(gòu)的立柱上，因此校準(zhǔn)電容式液位傳感器時(shí)的測(cè)量中心線不與基準(zhǔn)測(cè)量光柵的運(yùn)動(dòng)軌跡共線，測(cè)量過(guò)程中由于連接桿上下移動(dòng)，從而使連接桿擺動(dòng)而產(chǎn)生阿貝誤差。
3 低溫液位校準(zhǔn)裝置的精度設(shè)計(jì)
3.1 等作用原則的初步精度設(shè)計(jì)
根據(jù)上述對(duì)低溫液位校準(zhǔn)裝置的誤差來(lái)源、機(jī)械結(jié)構(gòu)及所設(shè)計(jì)的具體精度要求的分析，對(duì)低溫液位校準(zhǔn)裝置的精度進(jìn)行設(shè)計(jì)。
3.2 標(biāo)準(zhǔn)量誤差設(shè)計(jì)
標(biāo)準(zhǔn)量誤差來(lái)源主要是測(cè)量光柵的示值誤差和瞄準(zhǔn)誤差。根據(jù)選用的測(cè)量光柵的測(cè)量精度，取測(cè)量光柵的示值誤差11? ( x)?31.5 10 mm?? ，且可應(yīng)用高精度的雙頻激光干涉儀對(duì)測(cè)量光柵進(jìn)行校準(zhǔn)。測(cè)量過(guò)程通過(guò)連接桿移動(dòng)實(shí)現(xiàn)，則連接桿定位誤差12? ( x)可控制在21.0 10 mm?? 。因此，標(biāo)準(zhǔn)量的誤差較小，可以將其精度要求適量提高。
3.3 阿貝誤差設(shè)計(jì)
低溫液位校準(zhǔn)裝置的升降機(jī)構(gòu)通過(guò)連接桿同時(shí)帶動(dòng)測(cè)量光柵的指示光柵和電容式液位傳感器，測(cè)量光柵的標(biāo)尺光柵安裝在升降機(jī)構(gòu)的立柱上，因此校準(zhǔn)電容式液位傳感器時(shí)的測(cè)量中心線與基準(zhǔn)測(cè)量光柵的運(yùn)動(dòng)軌跡不共線，測(cè)量過(guò)程中由于連接桿上下移動(dòng)時(shí)發(fā)生擺動(dòng)而產(chǎn)生阿貝誤差。
4 結(jié) 論
本文對(duì)應(yīng)用于航天運(yùn)載器的低溫液位校準(zhǔn)裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)，在低溫環(huán)境下對(duì)所常用的電容式液位傳感器進(jìn)行校準(zhǔn);詳細(xì)分析了該校準(zhǔn)裝置的主要誤差來(lái)源，重點(diǎn)考慮了阿貝誤差、環(huán)境溫度誤差的影響，同時(shí)對(duì)校準(zhǔn)裝置的主要誤差源進(jìn)行了誤差分配和精度設(shè)計(jì)。結(jié)合實(shí)際測(cè)量條件，經(jīng)計(jì)算可得出該低溫液位校準(zhǔn)裝置的精度能達(dá)到 0.3‰，滿足提出的設(shè)計(jì)要求，為進(jìn)一步研究應(yīng)用于航天運(yùn)載器的低溫液位校準(zhǔn)技術(shù)提供了依據(jù)。
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