航天運載器貯箱低溫液位校準裝置的誤差分析與精度設計論文
引 言
液位測量技術應用廣泛，常用的測量方法有浮子法、電容法、超聲波法等。其中，電容式液位傳感器由于其動態(tài)響應好、穩(wěn)定性強等優(yōu)點，常被應用于航空航天領域，其測量原理是通過檢測液體中兩個電極間的電容值來獲取液位信息。
隨著航天運載器推進技術的發(fā)展，低溫液體推進劑由于其無毒、無污染的優(yōu)點被各國廣泛使用。航天運載器升空過程中對低溫液體推進劑的監(jiān)測和測量的手段很多，電容式液位測量法是最常用的方法之一。為了保證液位測量結(jié)果的準確性，需定期對所使用的液位傳感器進行校準。本文圍繞航天運載器低溫液位校準技術展開研究，針對電容式液位傳感器設計了一種測量范圍為 0～2 m 的液位校準裝置，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現(xiàn)對電容式液位傳感器的校準。
1 低溫液位校準裝置工作原理與結(jié)構(gòu)
本文設計的應用于電容式低溫液位傳感器的校準裝置的工作原理是：在地面模擬航天運載器升空過程中液位的變化，根據(jù)相對運動原理，保持液位不變，通過校準裝置帶動電容式液位傳感器上下移動，采用比較校準裝置的測量結(jié)果與被校電容式液位傳感器的測量結(jié)果的方式，來實現(xiàn)校準目的，并且可采用更高精度的雙頻激光干涉儀對所設計的校準裝置進行校準，而雙頻激光干涉儀可送至國防科技工業(yè)一級計量站或省級計量測試機構(gòu)校準，從而可將電容式液位傳感器的測量結(jié)果溯源至中國長度計量基準，建立航天運載器所使用的電容式液位傳感器的完整溯源鏈，以保證測量結(jié)果的準確可靠。
2 低溫液位校準裝置的誤差分析
為了實現(xiàn)電容式液位傳感器的校準，根據(jù)計量學理論，將低溫液位校準裝置的測量精度設計為被校電容式液位傳感器測量精度的' 1/3～1/10，故所設計的低溫液位校準裝置的最大允許誤差設計為 0.6 mm。為此必須對該校準裝置測量過程中的誤差源進行分析。在測量過程中，誤差源主要來自測量裝置誤差、環(huán)境誤差、方法誤差和人員誤差 4 個方面，具體表現(xiàn)為標準量誤差、阿貝誤差、熱變形誤差等。
2.1 標準量誤差
低溫液位校準裝置通過測量光柵、伺服電機、導軌和滾珠絲杠組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)連接桿的精確定位，所得測量信號被測量光柵讀取，因此標準量測量光柵的示值誤差11? ( x)及連接桿定位誤差12? ( x)成為該校準裝置的標準量誤差的主要來源。
2.2 阿貝誤差
低溫液位校準裝置的升降機構(gòu)通過連接桿同時帶動測量光柵的指示光柵和電容式液位傳感器，測量光柵的標尺光柵粘貼在升降機構(gòu)的立柱上，因此校準電容式液位傳感器時的測量中心線不與基準測量光柵的運動軌跡共線，測量過程中由于連接桿上下移動，從而使連接桿擺動而產(chǎn)生阿貝誤差。
3 低溫液位校準裝置的精度設計
3.1 等作用原則的初步精度設計
根據(jù)上述對低溫液位校準裝置的誤差來源、機械結(jié)構(gòu)及所設計的具體精度要求的分析，對低溫液位校準裝置的精度進行設計。
3.2 標準量誤差設計
標準量誤差來源主要是測量光柵的示值誤差和瞄準誤差。根據(jù)選用的測量光柵的測量精度，取測量光柵的示值誤差11? ( x)?31.5 10 mm?? ，且可應用高精度的雙頻激光干涉儀對測量光柵進行校準。測量過程通過連接桿移動實現(xiàn)，則連接桿定位誤差12? ( x)可控制在21.0 10 mm?? 。因此，標準量的誤差較小，可以將其精度要求適量提高。
3.3 阿貝誤差設計
低溫液位校準裝置的升降機構(gòu)通過連接桿同時帶動測量光柵的指示光柵和電容式液位傳感器，測量光柵的標尺光柵安裝在升降機構(gòu)的立柱上，因此校準電容式液位傳感器時的測量中心線與基準測量光柵的運動軌跡不共線，測量過程中由于連接桿上下移動時發(fā)生擺動而產(chǎn)生阿貝誤差。
4 結(jié) 論
本文對應用于航天運載器的低溫液位校準裝置進行了設計，在低溫環(huán)境下對所常用的電容式液位傳感器進行校準;詳細分析了該校準裝置的主要誤差來源，重點考慮了阿貝誤差、環(huán)境溫度誤差的影響，同時對校準裝置的主要誤差源進行了誤差分配和精度設計。結(jié)合實際測量條件，經(jīng)計算可得出該低溫液位校準裝置的精度能達到 0.3‰，滿足提出的設計要求，為進一步研究應用于航天運載器的低溫液位校準技術提供了依據(jù)。
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