冲击加速度的校准研究

冲击加速度的校准研究

唐嘉豪  李林  樊俊杰

广州计量检测技术研究院 510663

摘要：冲击加速度校准对激励信号频率与加速度计谐振频率提出特定要求，具体为激励信号频率要小于加速度计谐振频率。校准冲击加速度使用的装置包括机械碰撞装置、、霍普金斯棒装置。绝对法、比较法是冲击加速度校准的常用方法，比较法包括直接比较法、替代比较法。冲击加速度校准误差分析内容包括校准系统仪器误差、激励脉冲宽度误差，可结合实际情况对装置、方法进行选择。

关键词：冲击加速度；校准；碰撞

引言：冲击传感器的性能伴随相应技术的优化而得到提升，实际应用范围不断扩大。通过脉冲峰值、

宽度表示加速度脉冲，以此实现对加速度脉冲的量化分析，冲击脉冲将半正弦波作为标准运动表示形式。校准冲击加速度过程中，应结合实际情况选择合适的装置、方法，以此最大限度上提升冲击加速度校准效果。

1冲击加速度校准装置

1.1机械碰撞装置

现阶段冲击加速度校准实验中使用的机械碰撞装置以气体炮为主，发射管、高压气室、释放机构、靶室是气体炮的主要组成部分，碰撞试验、数据采集在靶室中完成，靶室支持多种形状的弹丸发射，使弹丸质量、材质、尺寸的适用范围由此扩大。根据实验要求不同，将气体炮划分为一级、二级，其中一级气体炮的动作方式为与发射管方向相同的弹丸加速设备，二级气体炮的组成部分包括压缩级、发射级，发射动力由压缩级火炮与气体炮共同组成[1]。图1所示为中北大学研制的100mm气体炮。

图1 中北大学研制的100mm气体炮

Fig.1100 mm gas gun

Fig. 2.  100-mm gas gun developed by the North University of China

1.2霍普金斯棒装置

霍普金斯棒装置长1.6m、直径16mm，冲击动力源为激励加速度脉冲发生器，激励加速度脉冲发生器发射弹丸，弹丸沿着霍普金斯棒方向被射出，直至与霍普金斯棒左端面相撞后停止运动，同时左端面出现对应的应力脉冲，这种脉冲继续沿着弹丸发射方向传递。加速度计被螺栓紧固在霍普金斯棒安装座。安装座右端面形成的拉伸应力以反射入射应力脉冲为基础。鉴于安装座与加速度计处于力平衡相对静止状态，当拆除安装座与加速度计，此时加速度计被视作处于加速运动状态，测量激光干涉仪相对安装座的加速度，这一加速度与激励加速度信号相同。

图2所示为霍普金斯棒冲击装置结构图。

图2 霍普金斯棒冲击装置结构图

Fig. 2 Structural diagram of the Hopkins rod impact device

2冲击加速度的校准方法

2.1绝对法

绝对发中使用的反射体是位于被测传感器表面的激光多普勒系统，系统频率在被测传感器表面被冲击影响下发生多普勒偏移，此时测量光频多普勒变化可获知撞击被测传感器表面物体的速度、时间并明确二者的关系，同时可获知对应的加速度。因为绝对法可直接计算获得加速度，所以运动量与被校传感器输出之间不存在关系，同时展现出更高的精度。图3所示为POP弹射加速度绝对法冲击校准[4]。

图3 POP弹射加速度绝对法冲击校准

Fig3. Absolute impact calibration of POP ejection acceleration

2.2比较法

比较法将传感器、标准传感器按照背靠背的方式安装，传感器表面受到撞击时，被校传感器将撞击速度、时间等参数输入，配合标准加速度计确定撞击运动形式，同时测量输出量。标准加速度计、被校加速度计之间表现为一种线性关系，通过（4）式表示被校加速度计灵敏度：

     (4)

式中：S－被校加速度计灵敏度；

U0-标准加速度计；

U被校加速度计；

     S0-标准加速度计幅值灵敏度。

直接比较法测量原理如图4所示。

图4直接比较法测量原理

Fig.4 Measurement principle of the direct comparison method

3冲击加速度校准误差分析

3.1校准系统仪器误差

被校加速度计谐振频率应大于冲击加速度校准激励信号频率，此时激励信号拥有足够的脉冲持续时间宽度，最大限度上降低加速度计发生高频响应发生。图5所示为加速度计绝对二阶模型，图中xg表示激励作用下底座在相对地面位移量，x表示质量块相对壳体产生的位移，z=xg+x可表示质量块与地面参考坐标间产生的位移，初始条件计算如（5）式所示。

     （5）

初始条件：

    （6）

图5 加速度计绝对二阶模型

Fig.5 Absolute second-order model of the accelerometer

加速度计输出信号与质量块相对位移x间存在正相关关系，（7）式所示为加速度计输出信号，与输入信号单位一致：

      （7）

以微分方程形式表示（5）式、（6）式：

    （8）

式中：；

；

初始条件：

      （9）

通过（8）式、（9）式获得，将其

进行对比，得到加速度计动态响应误差。

3.2激励脉冲宽度误差

校准误差直接受到激励加速度脉冲宽度的影响，分析激励加速度脉冲宽度主要影响因素对于冲击加速度校准分析具有重要意义[5]。图6所示为应力脉冲传播图示，设沿着霍普金森棒方向传递的应力脉冲与加速度计安装座接触面是计时起始时刻t=0。将沿着霍普金森棒方向传递至加速度计安装面记作加速度计是输出起始时刻，入射压应力与发射拉应力霍普金森棒与加速度计安装座接触面产生的和应力为0N，此时表示加速度达到终了时刻。

图6 应力脉冲传播图示

Fig .6 Diagram of stress pulse propagation

t0表示半正弦里脉冲脉宽、L表示传感器安装座长度、C表示应力波速度且满足，（10）式所示为霍普金斯棒入射压应力脉冲与安装座接触面的关系：

    （10）

激励加速度持续脉冲、半正弦应力脉冲前具有祥通道上升时间，且时间上升与安装座长度不存在关系，加速度计承受应力波上升、加速度波激励。丰富激励加速度脉宽途径控制校准误差、延长应力脉冲前沿时间。表1所示为激励加速度脉宽、应变片测应变脉宽及应变脉冲前沿升时的关系。

表1 激励加速度脉宽、应变片测应变脉宽及应变脉冲前沿升时的关系

Tab1 The relationship between excitation acceleration pulse width, strain pulse width and strain pulse front rise

参考文献：

[1]胡育齐,赵丽梅,曹振,等.落重冲击试验仪的结构设计及优化[J].现代制造工程,2023,(01):133-138+145.

[2]刘格格,吕东锴,刘科,等.基于激光多普勒原理的超高冲击加速度校准系统[J].计测技术,2022,42(06):83-88.

[3]周振杰,李绍辉,李妍.基于LabVIEW的冲击加速度传感器校准系统研究[J].自动化与仪表,2022,37(11):70-72+86.