五维力杆式压电天平的研制

发布时间：2018-04-30 08:06

本文选题：分区面域 + 组合石英晶组　；参考：《大连理工大学》2015年硕士论文

【摘要】：机动性、可靠性和精确性是新一代带动力飞行武器(简称飞行器)的重要特征。飞行器在高速飞行时,受流场作用,其周围非定常气动载荷的大小直接关系飞行器的可靠性和准确性。需在实际应用前对飞行器进行风洞试验,但受试验条件的限制,目前主要是对一定缩尺比下的飞行器模型进行风洞测力试验,可供核心测量设备风洞天平的设计空间非常有限,传统的组合式压电天平已无法满足设计与测量需求。因此,通过开展杆式压电天平高速流场中气动载荷的测量技术研究,实现特定空间内杆式压电天平的合理设计与制作,对飞行器气动载荷的精确测量及飞行器实际应用均有重要意义。本文首先对飞行器模型的受力情况进行了分析,进而得到风洞天平所受载荷情况。针对狭小空间内五维力的测量需求,基于石英晶体的压电效应和各向异性弹性理论,得到多维力作用下晶片的非线性极化电场规律；并采用分区面域输出电荷的方式,最终求得多维力与石英晶片耦合感生电荷之间的面域压电方程。同时利用有限元软件中压电效应模块对压电石英晶片进行建模仿真,得到多维力作用下晶片模型的电势和电场分布,最终实现了以石英晶体为力电转换元件的杆式压电天平测量原理的推导。为保证五维气动载荷的准确测量,包括组合晶组(核心测量元件)在内的压电天平的整体结构设计是十分重要的。该天平主要由组合晶组、预紧块、隔热板、晶组支撑台和屏蔽罩等组成。其中,按天平规范标准确定天平前后端锥度分别为1：5和1：10；为减少温度对天平的影响,在晶组的两侧放置了隔热板；晶组支撑台的设计则是为了实现晶组位置的固定和信号引线的合理放置；为减少电荷的漂移,在晶组外侧设计了屏蔽罩等,以保证天平在高速流场中测量的准确性。杆式压电天平设计完成后,压电元件及其它零部件的精心组装对减小天平各分量之间的干扰也是十分重要的。从石英单片到组合晶组的整个过程中,石英晶组的制作并不是简单的晶片叠加,需对各晶片间的平行度进行检查和修正,确保灵敏度以及平行精度尽可能高。除此,还有着复杂的制作工艺,比如晶片的切割精度,电极片材料与形状的选择,晶片粘结剂的使用以及胶合工艺等,都影响晶组乃至整个天平的测量精度。针对五维力杆式压电天平的静动态特性进行研究,首先采用逐级加载的方式,对天平施加静态标准载荷,在不同的静态力作用下天平呈现出一定的规律,实现天平的静态标定,获得相应的重复性误差、非线性误差、准度等静态性能指标；其次,为获得杆式天平输出信号的跟随性,设计并完成了改变振动频率的激振实验,通过加振装置——激振器对杆式压电天平施加不同频率的激振力,求得输出与输入对应关系；最后,为测试天平对温度的敏感性,通过温漂实验,获得天平各向力的零点漂移情况,即完成了整个天平的性能测试实验。实验结果表明,本文提出的测量方法及压电天平整体结构设计,可有效完成飞行器高速飞行时五维气动载荷的测量。所研制的杆式压电天平各分量的最大非线性误差和重复性误差分别为：1.28%、1.53%,准度在4.8%以内,满足了飞行器在高速流场中五维气动力测量的需求。因此,本论文开展的五维力杆式压电天平的测量技术不仅为集切向力与扭矩测量于一体的晶组的设计和小尺寸多维力压电式测量系统的制作提供了理论依据,而且对新一代飞行器结构设计优化和性能提高等方面具有重要的研究意义。
[Abstract]:The dynamic , reliability and accuracy are the important features of the new generation of dynamic flying weapons , which are directly related to the reliability and accuracy of the aircraft during high - speed flight .
In order to ensure the accurate measurement of the five - dimensional pneumatic load , the structure design of the piezoelectric balance including the combined crystal group ( core measuring element ) is very important .
in order to reduce the influence of temperature on the balance , a heat shield is placed on both sides of the crystal group ;
the design of the crystal group support table is to realize the fixing of the position of the crystal group and the reasonable placement of the signal leads ;
In order to reduce the drift of the electric charge , a shielding cover and the like are designed on the outer side of the crystal group so as to ensure the accuracy of the balance in the high - speed flow field .
Secondly , in order to obtain the following characteristics of the output signal of the bar - type balance , the excitation experiment of changing the vibration frequency is designed and completed , and the excitation force of different frequencies is applied to the rod - type piezoelectric balance through the vibration excitation device _ vibration exciter , so as to obtain the corresponding relation between the output and the input ;
In the end , to test the sensitivity of the balance to the temperature , the zero drift condition of each directional force of the balance is obtained through the temperature drift experiment . The experimental results show that the measuring technique of the five - dimension force rod type piezoelectric balance can effectively accomplish the measurement of the five - dimensional aerodynamic load in the high - speed flow field of the aircraft .

【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V211.752

【参考文献】