使測試更加可靠：奇石樂助力韓國航空航天研發(fā)

韓國航空航天研究院（KARI）采用奇石樂測量技術(shù)，對衛(wèi)星進(jìn)行力限振動(dòng)試驗(yàn)（FLVT）。測試人員將24個(gè)力傳感器排布在環(huán)形結(jié)構(gòu)上，同時(shí)與LabAmp電荷放大器和數(shù)據(jù)采集單元相連接，為集成加速度控制提供基礎(chǔ)力控?cái)?shù)據(jù)，避免過試驗(yàn)對衛(wèi)星設(shè)備造成損傷。

與其他國家相比，韓國的航空航天探索歷史相對較短。1989年，韓國航空航天研究院（KARI）成立，韓國的太空探索活動(dòng)自此拉開帷幕。KARI位于韓國中心城市大田的大德科學(xué)城（Daedeok Innopolis），共有研究人員兩萬余名。20世紀(jì)90年代，KARI成功研發(fā)第一代航天運(yùn)載火箭；目前，KARI主要致力于智能無人機(jī)（UAV）和衛(wèi)星的研發(fā)工作，并與美國國家航空航天局（NASA）合作開展月球探索項(xiàng)目。

         KARI的工程師希望設(shè)計(jì)一套測量基礎(chǔ)設(shè)施，能夠?qū)Υ笮陀行лd荷進(jìn)行靈活的振動(dòng)測試，該項(xiàng)目自2018年6月起延續(xù)至今。力限振動(dòng)測試（FLVT）能夠有效模擬衛(wèi)星發(fā)射和飛行過程中的振動(dòng)造成的機(jī)械應(yīng)力。在力限振動(dòng)測試中，UUT（被測單元）被放置在一個(gè)可以觸發(fā)力限和受控的質(zhì)量激勵(lì)振動(dòng)臺(tái)上。過度測試可能嚴(yán)重?fù)p害、甚至毀壞被測單元，因此，通常需要安裝額外的力傳感器，用來進(jìn)行雙閉環(huán)控制?！笆聦?shí)證明，這種方法比單純監(jiān)控加速度更加靈敏、可靠和實(shí)用?！盞ARI空間環(huán)境測試部主管及首席研究員Sung-Hyun Woo表示?！拔覀兿ＭO(shè)計(jì)一套控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)力傳感器的反饋，自動(dòng)觸發(fā)窄帶寬的陷波激勵(lì)。”技術(shù)術(shù)語窄帶陷波（notching），系指在較窄的頻帶內(nèi)減小加速度輸入，通常應(yīng)用于能夠發(fā)生共振的被測物的頻帶附件。

由左至右：韓國航空航天研究院（KARI）研發(fā)工程師Sung-Hyun Woo博士、Jong-Min Im與奇石樂Seong-Oh Lee共同開發(fā)衛(wèi)星振動(dòng)測試測量鏈。

高度精準(zhǔn)的力和力矩測量

為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，KARI的工程師決定部署24個(gè)奇石樂三軸力傳感器（9377C）。該等傳感器為壓電式（PE）傳感元件，能夠精準(zhǔn)測量三個(gè)軸上（Fx、Fy和Fz）高達(dá)150kN的力分量。KARI首席研究員及項(xiàng)目領(lǐng)隊(duì)Jong-Min Im解釋道：“我們之所以選擇奇石樂預(yù)載型三軸力傳感器，是因?yàn)樗鼈儽阌诎惭b，且在安裝后無需校準(zhǔn)?！睘榱四軌蛟诨_(tái)上（3.25 x 3.25米）安裝，并確保測量的精準(zhǔn)度，工程師將24個(gè)載荷單元排布成環(huán)形，通過下方的大型圓盤連接至振動(dòng)臺(tái)，并通過上方的圓盤連接至受測單元。Im還表示：“我們來到瑞士后，奇石樂工程師向我們介紹了他們在類似項(xiàng)目中的經(jīng)驗(yàn)，展示了環(huán)形結(jié)構(gòu)體的最優(yōu)設(shè)計(jì)方法，令我們獲益匪淺。環(huán)形結(jié)構(gòu)體直徑為2.3米，由于24個(gè)力傳感器之間間隔較遠(yuǎn)，只有將上下圓環(huán)精準(zhǔn)對齊，才能實(shí)現(xiàn)最高的測量精確度。”

為確保數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)母咝裕琄ARI工程師還部署了20個(gè)奇石樂的LabAmp電荷放大器（5165A）。其中，18個(gè)4通道電荷放大器用于處理載荷單元的傳感器信號(hào)；另外兩個(gè)用于必要情況下的加速度測量。“使用這些高端、低噪音實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)采集解決方案，我們能夠輕松獲取傳感器中的數(shù)據(jù)?！盜m回憶道，“雖然這部分測量鏈很快就能完成，但真正的挑戰(zhàn)才剛剛開始。想要同時(shí)處理72個(gè)通道，就必須密切關(guān)注力矩的計(jì)算時(shí)間。但是，配置一套能將信號(hào)延遲降至最低的軟硬件組合十分困難。信號(hào)延遲越久，就越有可能導(dǎo)致陷波激勵(lì)的觸發(fā)時(shí)間太遲?！?/span>

環(huán)形結(jié)構(gòu)配備24個(gè)奇石樂的三軸力傳感器，連接LabAmp 5165A電荷放大器（組），可自動(dòng)控制衛(wèi)星振動(dòng)測試振動(dòng)臺(tái)。

可靠的測量數(shù)據(jù)和快速處理能力，助力自動(dòng)化控制系統(tǒng)研發(fā)

KARI工程師們付出的巨大努力最終獲得了回報(bào)。他們采用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FPGA），不論正在進(jìn)行的操作有多少，都能同時(shí)處理多個(gè)計(jì)算。Im評論說：“現(xiàn)在，完整的力-力矩閉環(huán)計(jì)算一次只需0.04毫秒，三次循環(huán)計(jì)算一共僅需0.12毫秒。想要構(gòu)建力測量和加速度控制接口，就必須考慮大量的參數(shù)和變量。雖然經(jīng)歷了重重險(xiǎn)阻，但我們最終獲得了成功！”

接下來，需要對新的控制系統(tǒng)進(jìn)行對比測試。Im解釋道：“我們希望驗(yàn)證新系統(tǒng)是否優(yōu)于手動(dòng)程序，因此，我們使用安裝好的結(jié)構(gòu)進(jìn)行橫向振動(dòng)測試，將巨大的力矩作用于衛(wèi)星模型基座上?！睖y試結(jié)果清楚地證明，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行良好。自動(dòng)陷波將共振振幅中的加速度輸入從0.15g減至0.03g，整個(gè)系統(tǒng)的最高力矩未超過60kN.m；而手動(dòng)控制系統(tǒng)中，最高力矩達(dá)71kN.m，即表示已出現(xiàn)嚴(yán)重的過試驗(yàn)。KARI的工程師繼續(xù)使用集成式自動(dòng)陷波系統(tǒng)進(jìn)行力限振動(dòng)測試，限值為300kNm。該測試仍然獲得了令人滿意的結(jié)果，于是，他們決定將新系統(tǒng)正式投入實(shí)體衛(wèi)星的測試應(yīng)用。

Sung-Hyun Woo總結(jié)道：“在整個(gè)項(xiàng)目過程中，無論是產(chǎn)品質(zhì)量、數(shù)據(jù)可靠性還是信息咨詢，奇石樂都提供了出色的支持。奇石樂與我們分享了大量的壓電測量鏈知識(shí)，協(xié)助我們穩(wěn)步推進(jìn)項(xiàng)目。我們相信，在未來的項(xiàng)目中，奇石樂仍將是我們的重要伙伴。除力傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)外，我們還將在未來項(xiàng)目中部署奇石樂的加速度計(jì)。不僅如此，我們還能隨時(shí)從奇石樂的韓國分部獲得本地技術(shù)支持?！?/span>

奇石樂9377C力傳感器是壓電式預(yù)校準(zhǔn)型三向傳感器，測力范圍高達(dá)150kN。