五維力桿式壓電天平的研制.pdf

1、機動性、可靠性和精確性是新一代帶動力飛行武器（簡稱飛行器)的重要特征。飛行器在高速飛行時，受流場作用，其周圍非定常氣動載荷的大小直接關系飛行器的可靠性和準確性。需在實際應用前對飛行器進行風洞試驗，但受試驗條件的限制，目前主要是對一定縮尺比下的飛行器模型進行風洞測力試驗，可供核心測量設備風洞天平的設計空間非常有限，傳統(tǒng)的組合式壓電天平已無法滿足設計與測量需求。因此，通過開展桿式壓電天平高速流場中氣動載荷的測量技術研究，實現(xiàn)特定空間內(nèi)桿式壓

2、電天平的合理設計與制作，對飛行器氣動載荷的精確測量及飛行器實際應用均有重要意義。
　　本文首先對飛行器模型的受力情況進行了分析，進而得到風洞天平所受載荷情況。針對狹小空間內(nèi)五維力的測量需求，基于石英晶體的壓電效應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。同時利用有限元軟件中壓電效應模塊對壓電石英晶片進行建模仿真，得到多維力作用

3、下晶片模型的電勢和電場分布，最終實現(xiàn)了以石英晶體為力電轉換元件的桿式壓電天平測量原理的推導。
　　為保證五維氣動載荷的準確測量，包括組合晶組（核心測量元件）在內(nèi)的壓電天平的整體結構設計是十分重要的。該天平主要由組合晶組、預緊塊、隔熱板、晶組支撐臺和屏蔽罩等組成。其中，按天平規(guī)范標準確定天平前后端錐度分別為1∶5和1∶10;為減少溫度對天平的影響，在晶組的兩側放置了隔熱板;晶組支撐臺的設計則是為了實現(xiàn)晶組位置的固定和信號引線的合理放

4、置;為減少電荷的漂移，在晶組外側設計了屏蔽罩等，以保證天平在高速流場中測量的準確性。
　　桿式壓電天平設計完成后，壓電元件及其它零部件的精心組裝對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過程中，石英晶組的制作并不是簡單的晶片疊加，需對各晶片間的平行度進行檢查和修正，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，晶片粘結劑的使用以及膠合工藝等，都影響

5、晶組乃至整個天平的測量精度。
　　針對五維力桿式壓電天平的靜動態(tài)特性進行研究，首先采用逐級加載的方式，對天平施加靜態(tài)標準載荷，在不同的靜態(tài)力作用下天平呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，實現(xiàn)天平的靜態(tài)標定，獲得相應的重復性誤差、非線性誤差、準度等靜態(tài)性能指標;其次，為獲得桿式天平輸出信號的跟隨性，設計并完成了改變振動頻率的激振實驗，通過加振裝置——激振器對桿式壓電天平施加不同頻率的激振力，求得輸出與輸入對應關系;最后，為測試天平對溫度的敏感性，通過

6、溫漂實驗，獲得天平各向力的零點漂移情況，即完成了整個天平的性能測試實驗。
　　實驗結果表明，本文提出的測量方法及壓電天平整體結構設計，可有效完成飛行器高速飛行時五維氣動載荷的測量。所研制的桿式壓電天平各分量的最大非線性誤差和重復性誤差分別為:1.28％、1.53％，準度在4.8％以內(nèi)，滿足了飛行器在高速流場中五維氣動力測量的需求。因此，本論文開展的五維力桿式壓電天平的測量技術不僅為集切向力與扭矩測量子一體的晶組的設計和小尺寸多維力