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(shù)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(dòng)態(tài)響應好、穩定性強等優(yōu)點(diǎn)，常被應用于航空航天領(lǐng)域，其測量原理是通過(guò)檢測液體中兩個(gè)電極間的電容值來(lái)獲取液位信息。

　　隨著(zhù)航天運載器推進(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)被各國廣泛使用。航天運載器升空過(guò)程中對低溫液體推進(jìn)劑的監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果的準確性，需定期對所使用的液位傳感器進(jìn)行校準。本文圍繞航天運載器低溫液位校準技術(shù)展開(kāi)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(shí)現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構

　　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(guò)程中液位的變化，根據相對運動(dòng)原理，保持液位不變，通過(guò)校準裝置帶動(dòng)電容式液位傳感器上下移動(dòng)，采用比較校準裝置的測量結果與被校電容式液位傳感器的測量結果的方式，來(lái)實(shí)現校準目的，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(jìn)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校準，從而可將電容式液位傳感器的測量結果溯源至中國長(cháng)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，以保證測量結果的準確可靠。

　　2 低溫液位校準裝置的誤差分析

　　為了實(shí)現電容式液位傳感器的校準，根據計量學(xué)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(guò)程中的誤差源進(jìn)行分析。在測量過(guò)程中，誤差源主要來(lái)自測量裝置誤差、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(guò)測量光柵、伺服電機、導軌和滾珠絲杠組成閉環(huán)控制系統，實(shí)現連接桿的精確定位，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(lái)源。

　　2.2 阿貝誤差

　　低溫液位校準裝置的升降機構通過(guò)連接桿同時(shí)帶動(dòng)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的立柱上，因此校準電容式液位傳感器時(shí)的測量中心線(xiàn)不與基準測量光柵的運動(dòng)軌跡共線(xiàn)，測量過(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 低溫液位校準裝置的精度設計

　　3.1 等作用原則的初步精度設計

　　根據上述對低溫液位校準裝置的誤差來(lái)源、機械結構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(jìn)行設計。

　　3.2 標準量誤差設計

　　標準量誤差來(lái)源主要是測量光柵的示值誤差和瞄準誤差。根據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(jìn)行校準。測量過(guò)程通過(guò)連接桿移動(dòng)實(shí)現，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通過(guò)連接桿同時(shí)帶動(dòng)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的立柱上，因此校準電容式液位傳感器時(shí)的測量中心線(xiàn)與基準測量光柵的運動(dòng)軌跡不共線(xiàn)，測量過(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 論

　　本文對應用于航天運載器的低溫液位校準裝置進(jìn)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(jìn)行校準;詳細分析了該校準裝置的主要誤差來(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)對校準裝置的主要誤差源進(jìn)行了誤差分配和精度設計。結合實(shí)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(mǎn)足提出的設計要求，為進(jìn)一步研究應用于航天運載器的低溫液位校準技術(shù)提供了依據。

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