高精度质心测量方法研究

　　0　引言

　　飞行物体的质心位置影响自身飞行轨迹,质心的精确测量在飞行器研究领域有着重要的意义。文献[1]给出了不平衡力矩与多支点称量两种有效的测质心方法,对精度要求不高的质心测量简单适用,是国内外质心测量领域比较常用的方法。不平衡力矩法采用天平原理即刀口结构称量并计算质心偏离刀口的距离,由于受到偏心力矩测量传感器测量精度与定位精度的影响,测量精度受到一定的限制,不能满足高精度需要。多质点称量法采用3个传感器(或多个传感器)直接称量,由于每个传感器要承载约1/3的重量,需量程较大传感器,大传感器最小分度值数据相应较大,质心测量精度达到一定值后难以继续提高。同时,该方法测量基准是通过多个传感器承力顶尖的几何形心的重力轴,这样对机构加工提出了高精度要求。由于无法对相关尺寸进行精确测量,也导致没有稳定的测量基准而使测量精度无法提高。而且传统的质心测量均以重力轴为基准,使得质心坐标位置的基准是一个理论概念,难以实际测量。

　　文献[2]提出了固结于旋转轴的3个传感器支撑的测量结构,能够参照轴系进行重力轴与3点支撑平面的几何关系进行调整,以提高实际基准与理论基准的重合度。

　　本文在不平衡力矩法的天平刀口结构的高灵敏度基础上,分别采用十字分布传感器等效刀口结构和刚性刀口直接支撑结构,汲取了上述两种方法的优点,形成新型测量机构与方法,可以明显提高质心测量精度,并在工程实践中得到了应用。

　　十字分布传感器等效刀口结构采用两个大量程传感器同轴线布置,作为刀口承载了被测物体的主要重量,与其垂直布置的小量程传感器测量质心引起的偏量。其优点是采用传感器支撑,可以实现质量质心同步测量。缺点是大量程传感器作为等效刀口,其刚性仍然低于真实刀口,测量灵敏度稍低。而刚性刀口结构则进一步提高了测量灵敏度。本文主要针对刚性刀口直接支撑结构进行分析研究,等效刀口结构另文介绍。

　　1　刀口支撑质心测量机构

　　提高质心测量精度的关键是尽可能提高测量设备中机构与传感器的灵敏度,通过新结构、高灵敏度的传感器的联合应用,可以使灵敏度得以明显提高。提高质心测量可靠性的关键是测量基准的建立,即质心测量坐标系的建立。传统方法是以重力轴系为基准建立的,包括通过按照一定几何关系分布的测量传感器几何中心重力轴系、通过刀口尖点的重力轴系。这些轴系虽然理论上客观存在,却难以实际测量。这就导致了质心测量结果的不确定性,对于测量数据的影响可能会远大于测量本身产生的误差。