CN101458263A - 高冲击加速度传感器动态特性的溯源校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的高冲击加速度传感器动态特性的溯源校准方法，属加速度传感器计量技术领域，该校准方法是：在对被校准的高冲击加速度传感器实现宽脉冲条件下的溯源校准基础上，再采用极窄脉冲激励该高冲击加速度传感器，通过测试或计量仪器，测得该高冲击加速度传感器的频率响应特性，实现其动态特性的溯源校准。本发明根据高冲击加速度传感器的不同固有频率，推导出溯源校准所需的校准宽脉冲最小宽度t₁的公式、所需的激励窄脉冲最大宽度t₂的公式，校准的固有频率高(50kHz以上)，加速度幅值大(可达2.0×10⁵g)，这些技术新突破对校准理论和实际应用都有意义与价值，本发明的高冲击加速度传感器动态特性的溯源校准方法值得采用和推广。

Description

高冲击加速度传感器动态特性的溯源校准方法

一.技术领域

本发明公开的高冲击加速度传感器动态特性的溯源校准方法属加速度传感器计量技术领域，具体涉及的是一种高冲击加速度传感器的动态特性的溯源校准方法。该方法能够校准高冲击加速度传感器在整个工作带宽范围内的动态特性，并实现溯源。

二.背景技术

高冲击加速度传感器被广泛应用于碰撞过程的加速度测量，尤其是用在弹体侵彻硬目标的过程中。一种新设计的高冲击加速度传感器在研制过程中需要对其动态特性进行研究，现有的高冲击加速度传感器在多次使用后也需要对其动态特性进行校准。另外在冲击加速度测试过程中，我们经常发现加速度测试曲线在峰值加速度后存在零点漂移、加速度曲线的积分与撞击前弹体的速度不一致、速度曲线的积分与弹体的位移不一致等现象。这说明在高g值脉冲的作用下，加速度传感器的动态特性发生了变化。要从根本上解决这个问题，必须对高冲击加速度传感器在高g值窄脉冲作用下的动态特性进行研究，即校准传感器在高冲击过程中的动态灵敏度及其频率响应。

高冲击加速度传感器的校准方法很多，但都只限于对幅值灵敏度的校准，而现有的频率响应校准装置和校准方法只能在低g值下进行。目前常用的校准高冲击加速度传感器灵敏度的方法有冲击力法、速度改变法和激光绝对法，且这三种方法先后成为国际标准ISO 5347/0(1987年)、ISO 16063-1(1998年)和ISO 16063-13(2001年)规定的校准方法。其中，激光干涉绝对法原理完善、结果可靠、精度最高，所复现的冲击加速度量值，直接溯源于激光波长和时间/频率量，并且便于复现。

目前常用的加速度传感器的频率响应校准方法有正弦振动比较法和冲击激励法。正弦振动比较法可获得传感器的完整频响曲线，且我国已先后建立了高频、中频、低频振动国家级基准装置，其最高频率可达100kHz，但这种校准方法只能在低g值下进行；而冲击激励法目前可实现的校准频率在50kHz以内，校准幅值在10⁴g以下，且多数用来校准传感器的谐振频率。本发明所提供的校准方法主要是针对谐振频率在50kHz以上，幅值在0.5×10⁵g以上的冲击加速度传感器的动态特性进行溯源校准的。

三.发明内容

本发明的目的是：向社会提供这种高冲击加速度传感器动态特性的溯源校准方法。本发明的高冲击加速度传感器动态特性的溯源校准方法，对于研究加速度传感器在整个工作带宽范围内的动态特性，提高高冲击条件下加速度测试的精度具有重要的理论意义和实际应用价值。

本发明的技术方案是这样的：这种高冲击加速度传感器动态特性的溯源校准方法，技术特点在于：在对被校准的高冲击加速度传感器实现宽脉冲条件下溯源校准基础上，再采用极窄脉冲激励该高冲击加速度传感器，通过测试或计量仪器，测得该高冲击加速度传感器的频率响应特性，实现其动态特性的溯源校准。所述的宽脉冲条件是脉宽大于50μs，所述的窄脉冲条件是脉宽小于10μs。

根据以上所述的高冲击加速度传感器动态特性的溯源校准方法，技术特点还有：所述的采用宽脉冲激励该高冲击加速度传感器的方法是：采用脉宽大于50μs的宽脉冲激励该高冲击加速度传感器，通过测试或计量仪器，得到该高冲击加速度传感器在准静态条件下的灵敏度，实现加速度量值的溯源校准。所述的溯源，即采用宽脉冲激励被校高冲击加速度传感器，由差动式激光多普勒测速仪测量该加速度传感器的速度，通过微分得到加速度信号。把加速度传感器的输出信号与激光多普勒测速仪测得的加速度信号比较，求得该加速度传感器在准静态条件下的灵敏度，加速度量值可直接溯源到计量学中的基本量(时间和长度)。

根据以上所述的高冲击加速度传感器动态特性的溯源校准方法，技术特点还有：所述的对被校准的高冲击加速度传感器实现宽脉冲溯源校准的方法是：对不同固有频率的被校高冲击加速度传感器溯源校准所需的激励宽脉冲的最小宽度t₁由公式(1)决定：

$t_1\≥\frac{1+\mathrm{\δ}}{2\mathrm{\δf}}---\left(1\right)$

式中，δ为校正误差，f为被校准的高冲击传感器固有频率。校准高冲击加速度传感器的激励脉冲宽度应满足公式(1)中t₁的条件。关于t₁、校正误差δ、传感器固有频率f的相关情况可见表1。

表1  不同的校正误差和不同的固有频率对应的最小脉冲宽度

根据公式(1)建立被校准的高冲击加速度传感器的宽脉冲溯源性校准系统或装置，该系统或装置由发射管、射弹、波形调整垫、Hopkinson粗杆、加速度计安装座与被溯源校准的高冲击加速度传感器、光栅、差动式激光多普勒测速仪、电荷或电压放大器、瞬态波形记录仪及计算机组成。例如采用直径为Ф16mm(或Ф25mm)、长度为1.6m的Hopkinson杆产生幅值为(0.5～1.0)×10⁵g，脉宽为50～250μs的激励脉冲给校准的高冲击加速度传感器，其激励脉冲信号由差动式激光多普勒测速仪测量，再通过微分得到加速度信号。加速度量值可直接溯源到计量学中的基本量(时间和长度)。该高冲击加速度传感器的输出经电荷或电压放大器放大后由瞬态波形记录仪记录，经计算机数据处理，实现被校准的高冲击加速度传感器在宽脉冲准静态条件下的溯源校准。

根据以上所述的高冲击加速度传感器动态特性的溯源校准方法，技术特点还有：所述的采用极窄脉冲激励该高冲击加速度传感器的方法是：采用脉宽小于10μs的窄脉冲激励该高冲击加速度传感器，通过测试或计量仪器，得到该被校准的高冲击加速度传感器的频率响应特性，实现其动态特性的溯源校准。

根据以上所述的高冲击加速度传感器动态特性的溯源校准方法，技术特点还有：所述的采用窄脉冲激励该高冲击加速度传感器实现其动态特性的溯源校准的方法是：对不同固有频率的被校高冲击加速度传感器动态校准所需的激励窄脉冲的最大宽度t₂由公式(2)决定：

$t_2\≤\frac{1.5}{\sqrt{2}f}=\frac{1.06}{f}---\left(2\right)$

式中，f为被校准的高冲击传感器固有频率。校准高冲击加速度传感器的激励脉冲宽度应满足根据公式(2)中t₂的条件。t₂和被校准的高冲击传感器固有频率f的关系可见表2。

表2  不同的传感器固有频率对应的最大脉冲宽度

 

f(kHz)	50	90	120	180	240
						t2(μs)	21.2	11.7	8.8	5.8	4.4

根据公式(2)建立被校准的高冲击加速度传感器的窄脉冲动态特性的溯源校准系统或装置，该系统或装置由电雷管、Hopkinson细杆、被校准的高冲击加速度传感器、反射镜、迈克尔逊激光干涉仪、电荷或电压放大器、瞬态波形记录仪及计算机组成。例如采用直径为Φ8mm、长度为0.3m的Hopkinson杆产生幅值为(1.0～2.0)×10⁵g，脉宽在10μs以下的激励加速度脉冲，激起该被校准的传感器的响应及自激振动。

根据以上所述的高冲击加速度传感器动态特性的溯源校准方法，技术特点还有：所述的采用窄脉冲激励该高冲击加速度传感器的方法是：通过电雷管产生的爆轰撞击Hopkinson杆，产生脉宽10μs以下的窄脉冲激励被校准的高冲击加速度传感器，该高冲击加速度传感器的运动由迈克尔逊激光干涉仪测量，该高冲击加速度传感器的输出经电荷或电压放大器放大，由瞬态波形记录仪同时记录迈克尔逊激光干涉仪和放大器的输出，再经计算机数据处理后，得到被校准高冲击加速度传感器的频率响应特性曲线，实现其动态特性的溯源校准。所述的计算机的数据处理方法是：设迈克尔逊激光干涉仪得到的窄脉冲激励信号为x(t)，其傅里叶变换为X(jω)；被校准高冲击加速度传感器的输出的信号为y(t)，其傅里叶变换为Y(jω)，H(jω)为被校准的高冲击加速度传感器的频率响应函数，K(ω)为其幅频特性，进行傅里叶变换，则有：

X(jω)＝F[x(t)]

Y(jω)＝F[y(t)]

$H\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{Y\left(\mathrm{j\ω}\right)}{X\left(\mathrm{j\ω}\right)}$

$K\left(\mathrm{\ω}\right)=\left|H\left(\mathrm{j\ω}\right)\right|=\frac{\left|Y\left(\mathrm{j\ω}\right)\right|}{\left|X\left(\mathrm{j\ω}\right)\right|}$

在实际操作中，常采用0频的幅频谱的模去除幅频谱在各个频率的模，得到激励信号及被校准的高冲击加速度传感器的归一化的幅频谱，再由上式得到该高冲击加速度传感器的归一化的幅频特性，即其频率响应特性，实现被校准的高冲击传感器的高固有频率宽频域的动态特性的溯源校准。

本发明的高冲击加速度传感器动态特性的溯源校准方法优点有：1.本发明所提供的校准方法的主要特点在于：校准的谐振频率在50kHz以上、冲击加速度幅值可达2.0×10⁵g，这在高冲击加速度传感器的动态特性溯源性校准技术方面是新突破；2.本发明的校准方法再一个新突破是：根据每个被校准的高冲击加速度传感器都有自己不同的固有频率，推导出溯源校准所需的校准宽脉冲的最小宽度t₁的公式，这对校准理论和实际应用都有意义与价值；3.本发明的校准方法另一个新突破是：根据每个被校准的高冲击加速度传感器都有自己不同的固有频率，推导出溯源校准所需的激励窄脉冲的最大宽度t₂的公式，这对校准理论和实际应用都是重要贡献；4.本发明的高冲击加速度传感器动态特性的溯源校准方法，对于研究加速度传感器在整个工作带宽范围内的动态特性，提高高冲击条件下加速度测试的精度具有重要的理论意义和实际应用价值。这种高冲击加速度传感器动态特性的溯源校准方法值得采用和推广。

四.附图说明

本发明的说明书附图共有2幅：

图1高冲击加速度传感器的宽脉冲溯源校准装置；

图2高冲击加速度传感器的窄脉冲校准装置。

图中：1.发射管；2.射弹；3.波形调整垫；4.Hopkinson粗杆；5.加速度计安装座；6.光栅；7.高冲击加速度传感器；8.差动式激光多普勒测速仪；9.电荷或电压放大器；10.瞬态波形记录仪；11.计算机；12.电雷管；13.Hopkinson细杆；14.反射镜；15.迈克尔逊激光干涉仪。

五.具体实施方案

本发明高冲击加速度传感器动态特性的溯源校准方法的非限定实施例如下：

实施例一.高冲击加速度传感器动态特性的溯源校准方法

该例的高冲击加速度传感器动态特性的溯源校准方法，是在对被校准的高冲击加速度传感器实现宽脉冲条件下(宽脉冲条件是脉宽大于50μs)溯源校准的基础上，再采用窄脉冲(窄脉冲条件是脉宽小于10μs)激励该高冲击加速度传感器，通过测试或计量仪器，测得该高冲击加速度传感器的频率响应特性，实现其动态特性的溯源校准。所述的采用宽脉冲激励该高冲击加速度传感器的方法是：对不同固有频率的被校高冲击加速度传感器溯源校准所需的激励宽脉冲的最小宽度t₁由公式(1)决定：

$t_1\≥\frac{1+\mathrm{\δ}}{2\mathrm{\δf}}---\left(1\right)$

式中，δ为校正误差，f为被校准的高冲击传感器固有频率。本实施例给出被校准的高冲击传感器固有频率f为240kHz，如ENDEVC07270-60k型传感器，校准高冲击加速度传感器所需的激励脉冲宽度应满足公式(1)中t₁的条件。根据公式(1)建立被校准的高冲击加速度传感器宽脉冲溯源校准系统或装置，该系统或装置如图1所示，该系统或装置由发射管1、射弹2、波形调整垫3、Hopkinson粗杆4、加速度计安装座5与被溯源校准的高冲击加速度传感器7、光栅6、差动式激光多普勒测速仪8、电荷或电压放大器9、瞬态波形记录仪10及计算机11等组成。例如采用直径为Φ16mm、长度为1.6m的Hopkinson杆4产生幅值为(0.5～1.0)×10⁵g，脉宽为50～150μs的激励脉冲给校准的高冲击加速度传感器7，其激励脉冲信号由差动式激光多普勒测速仪8测量，再通过微分得到加速度信号。加速度量值可直接溯源到计量学中的基本量(时间和长度)。该高冲击加速度传感器7的输出经电荷或电压放大器9放大后由瞬态波形记录仪10记录，经计算机11数据处理后，把加速度传感器7的输出信号与激光多普勒测速仪8测得的加速度信号比较，求得该加速度传感器7在准静态条件下的灵敏度，加速度量值可直接溯源到计量学中的基本量(时间和长度)，实现被校准的高冲击加速度传感器7在宽脉冲准静态条件下的溯源校准。所述的采用窄脉冲激励该高冲击加速度传感器的方法是：采用脉宽小于10μs的窄脉冲激励该高冲击加速度传感器，通过测试或计量仪器，得到该被校准的高冲击加速度传感器的频率响应特性，实现其动态特性的溯源校准。采用窄脉冲激励该高冲击加速度传感器实现其动态特性的溯源校准的方法还有：对不同固有频率的被高冲击加速度传感器动态校准所需的激励窄脉冲的最大宽度t₂由公式(2)决定：

$t_2\≤\frac{1.5}{\sqrt{2}f}=\frac{1.06}{f}---\left(2\right)$

式中，f为被校准的高冲击传感器固有频率。本实施例给出被校准的高冲击传感器固有频率f为240kHz，如ENDEVC07270-60k型传感器，根据公式(2)建立被校准的高冲击加速度传感器的窄脉冲动态特性的溯源校准系统或装置，该系统或装置如图2所示，该系统或装置由电雷管12、Hopkinson细杆13、被校准的高冲击加速度传感器7、反射镜14、迈克尔逊激光干涉仪15、电荷或电压放大器9、瞬态波形记录仪10及计算机11等组成。该实施例采用直径为Φ8mm、长度为0.3m的Hopkinson杆13，通过电雷管12产生的爆轰撞击Hopkinson杆13，产生幅值为(1.0～2.0)×10⁵g、脉宽在10μs以下的激励加速度脉冲，激起该传感器7的响应及自激振动。该高冲击加速度传感器7的运动由迈克尔逊激光干涉仪15测量，该高冲击加速度传感器7的输出经电荷或电压放大器9放大，由瞬态波形记录仪10同时记录迈克尔逊激光干涉仪15和电荷或电压放大器9的输出，再经计算机11数据处理后，得到被校准高冲击加速度传感器7的频率响应特性曲线，实现其动态特性的溯源校准。所述的计算机的数据处理方法是：设迈克尔逊激光干涉仪15得到的窄脉冲激励信号为x(t)，其傅里叶变换为X(jω)；被校准高冲击加速度传感器7的输出的信号为y(t)，其傅里叶变换为Y(jω)，H(jω)为被校准的高冲击加速度传感器7的频率响应函数，K(ω)为其幅频特性。进行傅里叶变换，则有：

X(jω)＝F[x(t)]

Y(jω)＝F[y(t)]

$H\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{Y\left(\mathrm{j\ω}\right)}{X\left(\mathrm{j\ω}\right)}$

$K\left(\mathrm{\ω}\right)=\left|H\left(\mathrm{j\ω}\right)\right|=\frac{\left|Y\left(\mathrm{j\ω}\right)\right|}{\left|X\left(\mathrm{j\ω}\right)\right|}$

在实际操作中，常采用0频的幅频谱的模去除幅频谱在各个频率的模，得到激励信号及被校准的高冲击加速度传感器7的归一化的幅频谱，再由上式得到该高冲击加速度传感器7的归一化的幅频特性，即其频率响应特性，实现该校准的高冲击传感器7的高固有频率宽频域的动态特性的溯源校准。

实施例二.高冲击加速度传感器动态特性的溯源校准方法

该例的高冲击加速度传感器动态特性的溯源校准方法，与实施例一的高冲击加速度传感器动态特性的溯源校准方法不同点有：本实施例给出被校准的高冲击传感器固有频率f为180kHz，如丹麦B&K公司的8309型传感器，校准方法和过程同于实施例一中所述的。该例的高冲击加速度传感器动态特性的溯源校准方法其余未述的，全同于实施例一中所述的，不再重述。

实施例三.高冲击加速度传感器动态特性的溯源校准方法

该例的高冲击加速度传感器动态特性的溯源校准方法，与实施例一、实施例二的高冲击加速度传感器动态特性的溯源校准方法不同点有：1.根据公式(1)建立被校准的高冲击加速度传感器的宽脉冲溯源性校准系统或装置，该采用直径Φ25mm、长度为1.6m的Hopkinson杆4产生幅值为(0.5～1.0)×10⁵g，脉宽为100～250μs的激励脉冲。2.本实施例给出被校准的高冲击传感器固有频率f为120kHz，如美国PCB公司的350A96型传感器，该例的高冲击加速度传感器动态特性的溯源校准方法其余未述的，全同于实施例一、实施例二中所述的，不再重述。

实施例四.高冲击加速度传感器动态特性的溯源校准方法

该例的高冲击加速度传感器动态特性的溯源校准方法，与实施例一～实施例三的高冲击加速度传感器动态特性的溯源校准方法不同点有：本实施例给出被校准的高冲击传感器固有频率f为90kHz，如瑞士KISTLER公司的8044型压电传感器，或上海微系统与信息技术研究所的SIMIT-AYZ-60k型压阻传感器。该例的高冲击加速度传感器动态特性的溯源校准方法其余未述的，全同于实施例一～实施例三中所述的，不再重述。

实施例五.高冲击加速度传感器动态特性的溯源校准方法

该例的高冲击加速度传感器动态特性的溯源校准方法，与实施例一～实施例四的高冲击加速度传感器动态特性的溯源校准方法不同点有：本实施例给出被校准的高冲击传感器固有频率f为50kHz，如兵器工业第204研究所的988型传感器。该例的高冲击加速度传感器动态特性的溯源校准方法其余未述的，全同于实施例一～实施例四中所述的，不再重述。

Claims (6)

1.一种高冲击加速度传感器动态特性的溯源校准方法，特征在于：在对被校准的高冲击加速度传感器实现宽脉冲条件下溯源校准的基础上，再采用窄脉冲激励该高冲击加速度传感器，通过测试或计量仪器，测得该高冲击加速度传感器的频率响应特性，实现其动态特性的溯源校准。

2.根据权利要求1所述的高冲击加速度传感器动态特性的溯源校准方法，特征在于：所述的采用宽脉冲激励该高冲击加速度传感器的方法是：采用脉宽大于50μs的宽脉冲激励该高冲击加速度传感器，通过测试或计量仪器，得到该高冲击加速度传感器在准静态条件下的灵敏度，实现加速度量值的溯源校准。

3.根据权利要求2所述的高冲击加速度传感器动态特性的溯源校准方法，特征在于：所述的对被校准的高冲击加速度传感器实现宽脉冲溯源校准的方法是：对不同固有频率的被校高冲击加速度传感器溯源校准所需的激励宽脉冲的最小宽度t₁由公式(1)决定：

$t_1\≥\frac{1+\mathrm{\δ}}{2\mathrm{\δf}}---\left(1\right)$

式中，δ为校正误差，f为被校准的高冲击传感器固有频率，校准高冲击加速度传感器所需的激励脉冲宽度应满足公式(1)中t₁的条件。

4.根据权利要求1所述的高冲击加速度传感器动态特性的溯源校准方法，特征在于：所述的采用极窄脉冲激励该高冲击加速度传感器的方法是：采用脉宽小于10μs的窄脉冲激励该高冲击加速度传感器，通过测试或计量仪器，得到该被校准的高冲击加速度传感器的频率响应特性，实现其动态特性的溯源校准。

5.根据权利要求4所述的高冲击加速度传感器动态特性的溯源校准方法，特征在于：所述的采用窄脉冲激励该高冲击加速度传感器实现其动态特性的溯源校准的方法是：对不同固有频率的被校高冲击加速度传感器动态校准所需的激励窄脉冲的最大宽度t₂由公式(2)决定：

$t_2\≤\frac{1.5}{\sqrt{2}f}=\frac{1.06}{f}---\left(2\right)$

式中，f为被校准的高冲击传感器固有频率，校准高冲击加速度传感器所需的激励脉冲宽度应满足根据公式(2)中t₂的条件。

6.根据权利要求4所述的高冲击加速度传感器动态特性的溯源校准方法，特征在于：所述的采用窄脉冲激励该高冲击加速度传感器的方法是：通过电雷管产生的爆轰撞击Hopkinson杆，产生脉宽10μs以下的窄脉冲激励被校准的高冲击加速度传感器，该高冲击加速度传感器的运动由迈克尔逊激光干涉仪测量，该高冲击加速度传感器的输出经电荷或电压放大器放大，由瞬态波形记录仪同时记录迈克尔逊激光干涉仪和放大器的输出，再经计算机数据处理后，得到被校准高冲击加速度传感器的频率响应特性曲线，实现其动态特性的溯源校准。

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