CN108519220A - 一种天线肋高精度热稳定性测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天线肋高精度热稳定性测试装置，包括控制系统、温箱系统、采集系统三部分，本发明中温箱采用分体式结构，上半部为试件安装温箱，下半部为热空气混合箱，温箱形状根据被测试件的形状定制，可制成抛物线状结构，经加热炉加热的空气首先进入混合箱，经混合温度均匀后，在通过上部小孔进入温箱，从而保证了温箱温度的均匀，分体式温箱结构也便于试件的安装和传感器安装，既保证温箱温度的均匀性，又便于试件安装；该装置可以在+20℃～+60℃温度范围内使用，测试精度优于5um。

Description

一种天线肋高精度热稳定性测试装置

技术领域

本发明属于航天器机械测试领域，特别涉及一种天线肋高精度热稳定性测试装置。

背景技术

伞天线肋结构尺寸大(弦长约2.1米)，热变形指标高，要求热稳定测试装置在40℃温差(+20℃～+60℃)范围内测试精度为5um。

现有高精度变形测量最常用经纬仪和摄影测量系统，一般在10m范围内系统测量精度为0.02mm(20um)，但该系统目前无法在高温环境下进行测量。另外也有人采用“数字相关全场测量系统”进行测量，测量精度标称5um；该系统测量高温试件变形时，需要对试件用加热片进行加热，但离散布置的加热片难以对试件均匀加热。由于加热片导致试件温度不均匀产生的变形，通常大于或接近于试件本身的热变形，因此该系统难以保证5um的测试精度。另外粘贴加热片也可能对产品造成不可恢复的损伤，通常不宜在正式产品上应用。

发明内容

本发明解决的问题是：为克服现有测试技术的不足，本发明设计了一种大尺寸天线肋结构热变形测试装置，该装置可以在+20℃～+60℃温度范围内使用，测试精度优于5um。

本发明的技术解决方案：

一种天线肋高精度热稳定性测试装置，包括控制系统、温箱系统和采集系统，

控制系统包括控制单元、加热单元、变频单元和给风单元，

温箱系统包括温箱箱体、试件安装工装、位移传感器安装工装和刚性底板，

采集系统包括温度采集单元和位移采集单元，

天线肋置于温箱箱体中，与温箱箱体不接触，天线肋外表面贴有温度传感器，温度采集单元实时记录天线肋外表面的温度变化；

温箱箱体内部设置有温度控制传感器，温度控制传感器实时采集温度信息，并将采集的温度信息传递给控制单元，控制单元根据所获取的温度信息，给加热单元和变频单元提供控制信号，控制加热功率和风机转速频率，给风单元接收风机转速频率信号进而控制向温箱箱体中吹风的风量；

温箱箱体底部开有三个孔，位移传感器安装工装穿过两端的孔，通过位移传感器与天线肋接触；试件安装工装穿过中间的孔与天线肋固定连接，位移采集单元实时记录天线肋的位移变化。

温箱箱体包括上部的天线肋安装温箱及下部的热空气混合温箱，二者之间通过其上开有若干通气孔的隔板隔开。

控制系统通过管路将一定温度、一定风量的风吹入热空气混合温箱中，混合均匀的风通过通气孔进入天线肋安装温箱中。

热空气混合温箱外围包裹隔热棉，同时使三个孔的间隙控制在3-5mm，使试件安装工装、位移传感器安装工装均与温箱箱体不接触，确保温箱箱体内温度均匀。

试件安装工装、位移传感器安装工装均固定连接在刚性底板上，确保吹风不会造成试件安装工装、位移传感器安装工装发生晃动。

位移传感器安装工装包括第一调节支架、第一安装支架和第一转接配重块，位移传感器一端顶在天线肋上，另一端固定连接在第一调节支架一端上，第一调节支架另一端依次与第一安装支架、第一转接配重块和刚性底板固定连接，第一调节支架可调节位移传感器安装位置和角度。

试件安装工装包括第二调节支架、隔热垫、第二安装支架和第二转接配重块，第二调节支架一端与天线肋通过隔热垫固定连接，另一端通过隔热垫与第二安装支架固定连接，第二安装支架另一端依次与第二转接配重块及刚性底板固定连接。

第二调节支架位于温箱箱体内部，第二调节支架外表面粘贴加热片，使第二调节支架始终处于高温恒定状态。

本发明的有益效果：

(1)本发明设计了一种大尺寸天线肋结构热变形测试装置，该装置可以在+20℃～+60℃温度范围内使用，测试精度优于5um；

(2)本发明中温箱采用分体式结构，上半部为试件安装温箱，下半部为热空气混合箱，温箱形状根据被测试件的形状定制，可制成抛物线状结构，经加热炉加热的空气首先进入混合箱，经混合温度均匀后，在通过上部小孔进入温箱，从而保证了温箱温度的均匀，分体式温箱结构也便于试件的安装和传感器安装，既保证温箱温度的均匀性，又便于试件安装；

(3)本发明中的工装结构采用低变形工装，设计中将热变形和基础的变形控制到微米级别。工装分为试件安装工装和传感器安装工装两部分，材质选用殷钢材料4J36，热胀系数优于1.5e-06，约为铝合金的十五分之一，试件安装工装和传感器安装工装均固定在同一个大质量刚性安装底板上，安装底板具有足够的厚度、重量和刚度，并始终处于常温状态，保证试件基础和传感器基础处于恒定状态，降低测试基础引起的误差；

(4)本发明的热稳定性测试装置已用在的某卫星高精度伞状天线的热稳定测试中得到应用，完成了100根伞天线肋结构的热稳定性测试及筛选。

附图说明

图1为本发明结构系统示意图；

图2为本发明温箱及工装示意图；

图3为本发明在高低温下的测试误差曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

在高温环境下进行高精度变形测量，需要考虑以下几点：

首先，必须选择合适的高精度位移传感器，其次，必须设计合适的低热变形的工装。本测试装置设计的总体思路是：将试件放置在温箱内，随温箱在+20℃～+60℃范围内变化；试件和传感器工装始终处于相对恒定的温度。

本测试装置位移测量选用一种笔状接触式高精度位移传感器，在0-60℃范围分辨率达到0.1um，精度优于1um，厂家出具了证明材料。

工装设计是本测试系统难点。由于试件和位移传感器均安装在工装上，在传感器精度得到保证后，则必须将工装的变形降到微米级别，否则工装变形将远远高于5um，使得测试数据无效。本测试装置试件和传感器工装采用低膨胀金属材料(殷钢4J36)，并且通过一定热控措施，使工装始终处于相对恒定的温度，温度变化小于±2℃，从而实现了整个测试装置在40℃温差范围内精度达到5um。

具体方案如下：

一种天线肋高精度热稳定性测试装置，如图1所示，包括控制系统1、温箱系统2和采集系统3，

控制系统1包括控制单元、加热单元、变频单元和给风单元，

温箱系统2包括温箱箱体4、试件安装工装5、位移传感器安装工装6和刚性底板7，

采集系统3包括温度采集单元和位移采集单元，

天线肋8置于温箱箱体4中，与温箱箱体4不接触，天线肋外表面贴有温度传感器，温度采集单元实时记录天线肋外表面的温度变化；

温箱箱体4内部设置有温度控制传感器，温度控制传感器实时采集温度信息，并将采集的温度信息传递给控制单元，控制单元根据所获取的温度信息，给加热单元和变频单元提供控制信号，控制加热功率和风机转速频率，给风单元接收风机转速频率信号进而控制向温箱箱体4中吹风的风量；

试件安装工装5、位移传感器安装工装6均固定连接在刚性底板7上，确保吹风不会造成试件安装工装5、位移传感器安装工装6发生晃动。

温箱箱体4底部开有三个孔，位移传感器安装工装6穿过两端的孔，通过位移传感器与天线肋接触；热空气混合温箱外围包裹隔热棉，同时使三个孔的间隙控制在3-5mm，使试件安装工装5、位移传感器安装工装6均与温箱箱体4不接触，确保温箱箱体4内温度均匀。

试件安装工装5穿过中间的孔与天线肋固定连接，位移采集单元实时记录天线肋的位移变化。

温箱箱体4包括上部的天线肋安装温箱及下部的热空气混合温箱，二者之间通过其上开有若干通气孔的隔板隔开。既保证温箱温度的均匀性，又降低了风速对试件的影响，同时也便于试件安装。

控制系统1通过管路将一定温度、一定风量的风吹入热空气混合温箱中，混合均匀的风通过通气孔进入天线肋安装温箱中。

位移传感器安装工装6包括第一调节支架、第一安装支架和第一转接配重块，位移传感器一端顶在天线肋上，另一端固定连接在第一调节支架一端上，第一调节支架另一端依次与第一安装支架、第一转接配重块和刚性底板7固定连接，第一调节支架可调节位移传感器安装位置和角度。

第一调节支架上安装有温度传感器，实时监测位移传感器安装工装6的温度变化，采用低膨胀的殷钢材料4J36制作。由于第一调节支架距离温箱测试开口较近，会有热风吹出导致变形，因此，测试过程中用风扇向其吹常温空气，保证试验全过程第一调节支架温度变化小于±2℃，尽量保持温度恒定。

第一安装支架采用不锈钢材料，用于连接第一调节支架。第一转接配重块用于连接第一安装支架和刚性底板7，质量较重，具有稳定安装工装的功能。第一安装支架、第一转接配重块、刚性底板7三部分距离温箱测试开口较远，始终处于恒温试验室内。本测试装置使用时，传感器安装工装还是那个布置了温度传感器实时进行温度测试。实测显示，试验过程中工装的温度变化小于±2℃。

试件安装工装5包括第二调节支架、隔热垫、第二安装支架和第二转接配重块，第二调节支架一端与天线肋通过隔热垫固定连接，另一端通过隔热垫与第二安装支架固定连接，第二安装支架另一端依次与第二转接配重块及刚性底板(7)固定连接。

第二调节支架用于安装天线肋，采用殷钢材料制作。由于第二调节支架随天线肋处于温箱内，温度变化较大(+20℃～+60℃)，其温度变形远大于天线肋变形，因此必须对其温度进行控制。控制采用高温恒温控制，在其表面粘贴加热片，采用PID闭环控制，使其试验全过程中温度始终保持在55℃±2℃左右的恒温状态。第二试件调节支架之间与第二安装支架之间装有隔热垫(殷钢材料、内径5.5mm，外径10mm，厚6mm)，温箱的混合箱外围包隔热棉，使温箱温度的均匀性。第二试件安装支架和第二转接配重块的功能与位移传感器安装工装相同，均始终处于恒温试验室内。试验过程中温度变化小于±2℃。

第二调节支架位于温箱箱体(4)内部，第二调节支架外表面粘贴加热片，使第二调节支架始终处于高温(55-60℃)恒定状态。

本发明试件安装工装5采用分区域恒温控制的方式，工装在温箱箱体4部分始终处于高温恒温状态(+55℃±2℃)，温箱箱体外部分始终处于常温恒温状态(+20℃±2℃)，大幅降低了工装因温度变形引起的测试误差。

本发明试件安装工装5和传感器安装工装6共同安装在一个刚性底板7上，降低了基础变形引起的测试误差。

本发明经过系统集成，系统测试精度优于5um，满足测试要求。测试结果即为试件实际变形结果，无需修正补偿。

如图2所示，本发明中的温箱分为两部分，上半部为试件安装温箱，下半部为热空气混合箱。试验前将上下两部分分离。首先将试件通过安装工装放置在温箱下半部上面，然后再扣上温箱上半部分。调节试件安装工装，使试件与温箱保持合适的距离，不能与温箱接触。

如图3所示，经过试验验证，在温箱温度变化40℃时，位移测试装置的测试精度约为2um，满足优于5um的精度指标要求。

本发明中的工装结构采用低变形工装，设计中将热变形和基础的变形控制到微米级别。工装分为试件安装工装和传感器安装工装两部分，材质选用殷钢材料4J36，热胀系数优于1.5e-06，约为铝合金的十五分之一。试件安装工装和传感器安装工装均固定在同一个大质量刚性安装底板上。安装底板具有足够的厚度、重量和刚度，并始终处于常温状态，保证试件基础和传感器基础处于恒定状态，降低测试基础引起的误差。

采集系统中位移传感器选用了一种笔状接触式高精度位移传感器，温度采集传感器为铂电阻。在温箱内布置温度传感器，温度控制器根据温箱内的温度数据，给加热器提供加热功率信号、给变频器提供频率控制信号，变频器控制循环风机的转速。通过系统集成优化，保证控制系统为温箱提供温度、风速合适的持续稳定的热空气，用于均匀加热被测试件。同时位移传感器、温度传感器实时采集记录试件的温度和变形数据。

本发明中的温箱，采用低成本的透明亚克力材料，具有重量轻，便于观察，可快速定制等特点。由于本测试装置中，温箱与试件不接触，因此温箱的变形对测试没有影响。温箱尺寸和形状可根据被测试件的尺寸和数量快速设计、制造、组装，适合于大尺寸抛物线状肋等异形结构。

本发明中的温箱，采用分体式结构，上半部为试件安装温箱，下半部为热空气混合箱，温箱形状根据被测试件的形状定制，可制成抛物线状结构。经加热炉加热的空气首先进入混合箱，经混合温度均匀后，在通过上部小孔进入温箱，从而保证了温箱温度的均匀。分体式温箱结构也便于试件的安装和传感器安装。既保证温箱温度的均匀性，又便于试件安装。

本发明中的工装结构采用低变形工装，设计中将热变形和基础的变形控制到微米级别。工装分为试件安装工装和传感器安装工装两部分，材质选用殷钢材料4J36，热胀系数优于1.5e-06，约为铝合金的十五分之一。试件安装工装和传感器安装工装均固定在同一个大质量刚性安装底板上。安装底板具有足够的厚度、重量和刚度，并始终处于常温状态，保证试件基础和传感器基础处于恒定状态，降低测试基础引起的误差。

本发明的热稳定性测试装置已用在的某卫星高精度伞状天线的热稳定测试中得到应用，完成了100根伞天线肋结构的热稳定性测试及筛选。

当然，对本发明的各组成部件、位置关系及连接方式在不改变其功能的情况下，进行的等效变换或替代，也落入本发明的保护范围。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (8)

1.一种天线肋高精度热稳定性测试装置，其特征在于：包括控制系统(1)、温箱系统(2)和采集系统(3)，

控制系统(1)包括控制单元、加热单元、变频单元和给风单元，

温箱系统(2)包括温箱箱体(4)、试件安装工装(5)、位移传感器安装工装(6)和刚性底板(7)，

采集系统(3)包括温度采集单元和位移采集单元，

天线肋(8)置于温箱箱体(4)中，与温箱箱体(4)不接触，天线肋外表面贴有温度传感器，温度采集单元实时记录天线肋外表面的温度变化；

温箱箱体(4)内部设置有温度控制传感器，温度控制传感器实时采集温度信息，并将采集的温度信息传递给控制单元，控制单元根据所获取的温度信息，给加热单元和变频单元提供控制信号，控制加热功率和风机转速频率，给风单元接收风机转速频率信号进而控制向温箱箱体(4)中吹风的风量；

温箱箱体(4)底部开有三个孔，位移传感器安装工装(6)穿过两端的孔，通过位移传感器与天线肋接触；试件安装工装(5)穿过中间的孔与天线肋固定连接，位移采集单元实时记录天线肋的位移变化。

2.如权利要求1所述的一种天线肋高精度热稳定性测试装置，其特征在于：温箱箱体(4)包括上部的天线肋安装温箱及下部的热空气混合温箱，二者之间通过其上开有若干通气孔的隔板隔开。

3.如权利要求2所述的一种天线肋高精度热稳定性测试装置，其特征在于：控制系统(1)通过管路将一定温度、一定风量的风吹入热空气混合温箱中，混合均匀的风通过通气孔进入天线肋安装温箱中。

4.如权利要求1所述的一种天线肋高精度热稳定性测试装置，其特征在于：热空气混合温箱外围包裹隔热棉，同时使三个孔的间隙控制在3-5mm，使试件安装工装(5)、位移传感器安装工装(6)均与温箱箱体(4)不接触，确保温箱箱体(4)内温度均匀。

5.如权利要求1所述的一种天线肋高精度热稳定性测试装置，其特征在于：试件安装工装(5)、位移传感器安装工装(6)均固定连接在刚性底板(7)上，确保吹风不会造成试件安装工装(5)、位移传感器安装工装(6)发生晃动。

6.如权利要求1所述的一种天线肋高精度热稳定性测试装置，其特征在于：位移传感器安装工装(6)包括第一调节支架、第一安装支架和第一转接配重块，位移传感器一端顶在天线肋上，另一端固定连接在第一调节支架一端上，第一调节支架另一端依次与第一安装支架、第一转接配重块和刚性底板(7)固定连接，第一调节支架可调节位移传感器安装位置和角度。

7.如权利要求1所述的一种天线肋高精度热稳定性测试装置，其特征在于：试件安装工装(5)包括第二调节支架、隔热垫、第二安装支架和第二转接配重块，第二调节支架一端与天线肋通过隔热垫固定连接，另一端通过隔热垫与第二安装支架固定连接，第二安装支架另一端依次与第二转接配重块及刚性底板(7)固定连接。

8.如权利要求7所述的一种天线肋高精度热稳定性测试装置，其特征在于：第二调节支架位于温箱箱体(4)内部，第二调节支架外表面粘贴加热片，使第二调节支架始终处于高温恒定状态。