航天运载器贮箱低温液位校准装置的误差分析与精度设计

0 引 言

液位测量技术应用广泛，常用的测量方法有浮子法、电容法、超声波法等。其中，电容式液位传感器由于其动态响应好、稳定性强等优点，常被应用于航空航天领域，其测量原理是通过检测液体中两个电极间的电容值来获取液位信息。

随着航天运载器推进技术的发展，低▼温液体推进剂由于其无毒、无污染的优点被各国广泛使用。航天运载器升空过程中对低温液体推进剂的监测和测量的手段很多，电容式液位测量法是最常用的方法之一。为了保证液位测量结果的准确性，需定期对所使用的液位传感器进行校准。本文围绕航天运载器低温液位校准技术展开研究，针对电容式液位传感器设计了一种测量范围为 0～2 m 的液位校准装置，该装置能模拟低温工作环境，其基本原理是采用比较法实现对电容式液位传感器的校准。

1 低温液位校准装置工作原理与结构

本文设计的应用于电容式低温液位传感器的校准装置的工作原理是：在地面模拟航天运载器升空过程中液位的变化，根据相对运动原理，保持液位不变，通过校准装置带动电容式液位传感器上下移动，采用比较校准装置的测量结果与被校电容式液位传感器的测量结果的方式，来实现校准目的，并且可采用更高精度的双频激光干涉仪对所设计的校准装置进行校准，而双频激光干涉仪可送至国防科技工业一级计量站或省级计量测试机构校准，从而可将电容式液位传感器的测量结果溯源至中国长度计量基准，建立航天运载器所使用的电容式液位传感器的完整溯源链，以保证测量结果的准确可靠。

2 低温液位校准装置的误差分析

为了实现电容式液位传感器的校准，根据计量学理论，将低温液位校准装置的测量精度设计为被校电容式液位传感器ฉ测量精度的 1/3～1/10，故所设计的低温液位校准装置的最大允许误差设计为 0.6 mm。为此必须对该校准装置测量过程中的误差源进行分析。在测量过程中，误差源主要来自测量装置误差、环境误差、方法误差和人员误差 4 个方面，具体表现为标准量误差、阿贝误差、热变形误差等。

2.1 标准量误差

低温液位校准装置通过测量光栅、伺服电机、导轨和滚珠丝杠组成闭环控制系统，实现连接杆的精确定位，所得测量信号被测量光栅读取，因此标准量测量光栅的示值误差11 及连接杆定位误差12 成为该校准装置的标准量误差的主要来源。

2.2 阿贝误差

低温液位校准装置的升降机构通过连接杆同时带动测量光栅的指示光栅和电容式液位ซ传感器，测量光栅的标尺光栅粘贴在升降机构的立柱上，因此校准电容式液位传感器时的测量中心线不与基准测量光栅的运动轨迹共线，测量过程中由于连接杆上下移动，从而使连接杆摆动而产生阿贝误差。

3 低温液位校准装置的精度设计

3.1 等作用原则的初步精度设计

根据上述对低温液位校准装置的误差来源、机械结构及所设计的具体精度要求的分析，对低温液位校准装置的精度进行设计。

3.2 标准量误差设计

标准量误差来源主要是测量光栅的示值误差☂和瞄准误差。根据选用的测量光栅的测量精度，取测量光栅的示值误差11 31.5 10 mm ，且可应用高精度的双频激光干涉仪对测量光栅进行校准。测量过程通过连接杆移动实现，则连接杆定位误差12 可控制在21.0 10 mm 。因此，标准量的误差较小，可以将其精度要求适量提高。

3.3 阿贝误差设计

低温液位校准装置的升降机构通过连接杆同时带动测量光栅的指示光栅和电容式液位传感器，测量光栅的标尺光栅安装在升降机构的立柱上，因此校准电容式液位传感器时的测量유中心线与基准测量光栅的运动轨迹不共线，测量过程中由于连接杆上下移动时发生摆动而产生阿贝误差。

4 结 论

本文对应用于航天运载器的低温液位校准装置进行了设计，在低温环境下对所常用的电容式液位传感器进行校准;详细分析了该校准装置的主要误差来源，重点考虑了阿贝误差、环境温度误差的影响，同时对校准装置的主要误差源进行了误差分配和精度设计。结合实际测量条件，经计算可得出该低温液位校准装置的精度能达到 0.3，满足提出的设计要求，为进一步研究应用于航天运载器的低温液位校准技术提供了依据。