韓國航空航天研究院（KARI）采用奇石樂測量技術，對衛(wèi)星進行力限振動試驗（FLVT）。測試人員將24個力傳感器排布在環(huán)形結構上，同時與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力控數(shù)據(jù)，避免過試驗對衛(wèi)星設備造成損傷。

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自此拉開帷幕。KARI位于韓國中心城市大田的大德科學城（Daedeok Innopolis），共有研究人員兩萬余名。20世紀90年代，KARI成功研發(fā)第一代航天運載火箭；目前，KARI主要致力于智能無人機（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目。

KARI的工程師希望設計一套測量基礎設施，能夠對大型有效載荷進行靈活的振動測試，該項目自2018年6月起延續(xù)至今。力限振動測試（FLVT）能夠有效模擬衛(wèi)星發(fā)射和飛行過程中的振動造成的機械應力。在力限振動測試中，UUT（被測單元）被放置在一個可以觸發(fā)力限和受控的質量激勵振動臺上。過度測試可能嚴重損害、甚至毀壞被測單元，因此，通常需要安裝額外的力傳感器，用來進行雙閉環(huán)控制?！笆聦嵶C明，這種方法比單純監(jiān)控加速度更加靈敏、可靠和實用?！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計一套控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)力傳感器的反饋，自動觸發(fā)窄帶寬的陷波激勵?！奔夹g術語窄帶陷波（notching），系指在較窄的頻帶內減小加速度輸入，通常應用于能夠發(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)星振動測試測量鏈。

高度精準的力和力矩測量

為實現(xiàn)這一目標，KARI的工程師決定部署24個奇石樂三軸力傳感器（9377C）。該等傳感器為壓電式（PE）傳感元件，能夠精準測量三個軸上（Fx、Fy和Fz）高達150kN的力分量。KARI首席研究員及項目領隊Jong-Min Im解釋道：“我們之所以選擇奇石樂預載型三軸力傳感器，是因為它們便于安裝，且在安裝后無需校準?！睘榱四軌蛟诨_上（3.25 x 3.25米）安裝，并確保測量的精準度，工程師將24個載荷單元排布成環(huán)形，通過下方的大型圓盤連接至振動臺，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目中的經驗，展示了環(huán)形結構體的最優(yōu)設計方法，令我們獲益匪淺。環(huán)形結構體直徑為2.3米，由于24個力傳感器之間間隔較遠，只有將上下圓環(huán)精準對齊，才能實現(xiàn)最高的測量精確度?！?/p>

為確保數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)母咝?，KARI工程師還部署了20個奇石樂的LabAmp電荷放大器（5165A）。其中，18個4通道電荷放大器用于處理載荷單元的傳感器信號；另外兩個用于必要情況下的加速度測量。“使用這些高端、低噪音實驗室數(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。想要同時處理72個通道，就必須密切關注力矩的計算時間。但是，配置一套能將信號延遲降至最低的軟硬件組合十分困難。信號延遲越久，就越有可能導致陷波激勵的觸發(fā)時間太遲?！?/p>

環(huán)形結構配備24個奇石樂的三軸力傳感器，連接LabAmp 5165A電荷放大器（組），可自動控制衛(wèi)星振動測試振動臺。

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

KARI工程師們付出的巨大努力最終獲得了回報。他們采用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FPGA），不論正在進行的操作有多少，都能同時處理多個計算。Im評論說：“現(xiàn)在，完整的力-力矩閉環(huán)計算一次只需0.04毫秒，三次循環(huán)計算一共僅需0.12毫秒。想要構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。雖然經歷了重重險阻，但我們最終獲得了成功！”

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

Sung-Hyun Woo總結道：“在整個項目過程中，無論是產品質量、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，協(xié)助我們穩(wěn)步推進項目。我們相信，在未來的項目中，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，我們還將在未來項目中部署奇石樂的加速度計。不僅如此，我們還能隨時從奇石樂的韓國分部獲得本地技術支持?！?/p>

奇石樂9377C力傳感器是壓電式預校準型三向傳感器，測力范圍高達150kN。