CN102253244B - 高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置与方法属加速度传感器计量技术领域，其校准装置有：发射管、钛合金射弹、紫铜调整垫、Hopkinson杆、测试仪器等；其校准方法采用上述校准装置，通过操作其校准装置中高压气体加速的射弹撞击Hopkinson杆左端面的调整垫，在Hopkinson杆中产生一应力脉冲激励该高g值加速度计，通过测试仪器，测得该加速度计激励信号和响应信号，实现其冲击灵敏度的溯源性校准；本发明的校准装置优点有：通过钛合金射弹撞击紫铜调整垫，在Hopkinson杆中产生脉宽200～500μs、幅值5,000～20,000g的冲击脉冲，是校准技术领域新创新、新突破；本发明的校准方法导出了高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准所需的最小激励脉冲宽度公式，具有重大理论意义和重要的实际应用价值。

Description

高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置与方法

一.技术领域

本发明公开的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置与方法属加速度传感器计量技术领域，具体涉及的是一种高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置与校准方法。 

二.背景技术

深层侵彻武器的发展，迫切需要对导弹侵彻地下目标时的加速度进行测试，为引信的定深起爆提供依据。美国最新研制的精确制导炸弹已经实现了侵彻层数的实时判读和侵彻深度的实时解算，可以计算到16个空穴或硬层，计算总侵彻行程达到78m。在导弹侵彻地下目标的过程中，需要测试的侵彻加速度一般在50,000g以内，持续时间达几百毫秒，因此通常选用具有DC响应的MEMS高g加速度计为侵彻弹智能引信的实时侵彻深度计算提供信息。为了保证解算结果的准确度，在使用前需要对高g值加速度计进行溯源性校准。 

高g值加速度计的溯源性校准旨在解决加速度计冲击灵敏度的动态校准问题，提高高冲击条件下加速度的测试精度。溯源性校准是指将被校参数溯源到国际单位制中的基本量的校准过程，一般来讲，传感器的溯源性校准是在静态即0Hz条件下实现的。国际标准ISO 5347给出了加速度传感器静态校准的三种方法：地球引力校准、离心机法一次校准和双离心机法一次校准，但这些方法都是不可溯源的，且校准的幅值都很低，地球引力校准只有1g，离心力法校准最大可达500g，无法满足高g值加速度计校准的要求。ISO 16063-13虽然给出了振动和冲击加速度传感器的溯源校准方法，且规定了用激光干涉法冲击绝对校准加速度计时冲击脉冲的幅值和持续时间的参考范围，即幅值范围是10，20，50，100，200，500，1000，2000，5000，10,000g，脉冲持续时间范围是0.05，0.1，0.2，0.5，1，2，5，10ms，且加速度幅值越高，持续时间越小。在冲击脉冲幅值10,000～100,000g的范围内，美国ENDEVCO公司的2973型SMAC冲击校准系统，冲击脉冲持续时间25～225μs，校准不确定度为±6％；丹麦B&K公司的3629型冲击校准系统，最大冲击加速度也可以达到100,000g。国内，北京长城计量技术研究所的梁志国、西北工业大学的李玉龙等在高g值加速度的校准方 面都进行了大量的研究，并研制了相应的校准装置和计量仪器。 

综上所述，国内外在高g值加速度计的冲击校准方面进行了大量的研究。为了获得加速度计的冲击灵敏度，在保证不激起加速度计谐振频率的条件下，ISO 16063-13规定了冲击脉冲的持续时间，但并没有给出对于不同谐振频率的冲击加速度计校准所需的最小脉冲持续时间。 

本发明设计了一种高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置与方法，该方法给出了对于不同谐振频率的高g值加速度计校准所需的最小脉冲宽度，考虑了加速度计的阻尼系数对最小脉冲宽度的影响；该装置通过射弹撞击紫铜调整垫，在Hopkinson杆产生满足公式(1)要求的冲击脉冲激励高g值加速度计，由激光干涉仪来测量加速度计的输入信号，由电荷或电压放大器来测量加速度计的输出信号，通过对输入输出信号的比值运算求得高g值加速度计的冲击灵敏度。利用激光干涉仪将加速度量值溯源到国际基本量基准中的长度基准和时间基准，实现了冲击灵敏度的溯源性校准。 

三.发明内容

本发明的目的是：向社会提供一种高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置与方法，主要针对带机械滤波器的各类高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准，同时也可以适用于其它类型的高g值加速度计的冲击灵敏度的校准。 

本发明的技术方案包括这种高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置与校准方法。 

关于这种高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置的技术内容是这样的：这种高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置包括有：高压气体源发射管、射弹、调整垫、Hopkinson杆、激光干涉仪、放大器、瞬态波形记录仪及计算机等。所述的激光干涉仪是指加速度测量范围在5,000～100,000g内的差动式激光干涉仪，如LSV-G2501型差动式激光多普勒测速仪。所述的放大器是指具有低通滤波功能的电压或电荷放大器，如Endevco Model 136型电压放大器、Kistler Type 5011型电荷放大器、YE3820型多功能放大器。技术特点在于：该溯源性校准装置包括的射弹为圆柱面弧形锥头钛合金子弹，子弹头部设计为弧形锥头是由于该种结构的弹头在碰撞时所能产生的冲击脉冲的持续时间很宽，最大可到500μs。该溯源性校准装置包括的调整垫为紫铜垫，选择紫铜材料作调整垫是由于紫铜材料的屈服极限σ_s较低，有利于增加应力脉冲的上升时间，且紫铜垫的长度在5～15mm时应力脉冲的波形比较光滑，非常适合于冲击灵敏度的校准。通过圆柱面弧形锥头射弹撞击紫铜调整垫，可以在Hopkinson杆中产生脉宽200～500μs、幅值5,000～20,000g的冲击脉冲。 

根据以上所述的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置，技术特点还有：该溯源性校准装置通过调整垫厚度与射弹速度的不同组合可以产生脉宽200～500μs不同幅值激励高g值加速度计的冲击脉冲，如厚度5mm的调整垫与不同速度的射弹组合可以产生脉宽200～300μs、幅值15,000～20,000g的冲击脉冲，厚度10mm的调整垫与不同速度的射弹组合可以产生脉宽300～400μs、幅值10,000～15,000g的冲击脉冲，厚度15mm的调整垫与不同速度的射弹组合可以产生脉宽400～500μs、幅值5,000～10,000g的冲击脉冲等。随着调整垫厚度的增加，应力脉冲的前沿升时增加，幅值降低；随着射弹速度的增加，冲击脉冲的脉宽降低，幅值增加。 

关于这种高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准方法，其技术特点在于：所述的该校准方法是采用权利要求1所述的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置，通过操作该溯源性校准装置中高压气体加速的射弹撞击位于Hopkinson杆左端面的调整垫，在Hopkinson杆中产生一近似于升余弦的纵向、弹性应力脉冲激励被校准的高g值加速度计，通过测试或计量仪器，测得该加速度计的激励信号和响应信号，实现其冲击灵敏度的溯源性校准。即通过操作该溯源性校准装置中一系列不同的高压气体加速的射弹撞击不同的调整垫，在Hopkinson杆中对应产生一系列不同的前沿升时极宽的应力脉冲来激励该被校准的高g值加速度计，通过测试或计量仪器，测得该加速度计对应的一系列不同的输入和输出响应，通过比值运算求出该加速度计的冲击灵敏度，利用激光干涉仪将加速度量值溯源到国际基本量基准中的长度基准和时间基准，实现了冲击灵敏度的溯源性校准。 

根据以上所述的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准方法，技术特点还有：改变调整垫的厚度和射弹的速度可以调节冲击脉冲的持续时间和幅值，通过调整垫厚度与射弹速度的不同组合可以产生脉宽200～500μs不同幅值激励高g值加速度计的冲击脉冲。随着调整垫厚度的增加，应力脉冲的前沿升时增加，幅值降低；随着射弹速度的增加，冲击脉冲的脉宽降低，幅值增加。 

根据以上所述的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准方法，技术特点还有：所述的激励该宽高g值加速度计的冲击脉冲的最小脉冲宽度t由公式(1)确定： 

$t=\frac{\mathrm{\τ}}{2}---\left(1\right),$

式中τ应按下式来计算： 

$\mathrm{\τ}=\frac{\sqrt{1-2{\mathrm{\ζ}}^2}}{2\mathrm{\δ}{f}_x\sqrt{1-{\mathrm{\ζ}}^2}}(1-\frac{\mathrm{\ζ\π}}{2\sqrt{1-{\mathrm{\ζ}}^2}})---\left(2\right),$

式中：δ为可允许的校准误差，f_x为高g值加速度计的一阶谐振频率，ζ为高g值加速度计的阻尼比。相对于目前在高g值加速度计冲击校准领域已有的对校准脉冲宽度的研究成果，本校准方法导出了由幅值最大值的误差所确定的最小激励脉冲宽度t是由幅值误差的最大值所确定的最小激励脉冲宽度τ的1/2，即公式(1)，且该最小脉冲宽度公式中包含了加速度计的阻尼比对冲击脉冲宽度的影响。具体描述为： 

若加速度计的激励信号为： 

α＝sin(πθ) 0≤θ≤1            (3)， 

则加速度计的响应信号为： 

$\mathrm{\φ}=e^{-\mathrm{\ζ}{\mathrm{\ω}}_n^{\′}\mathrm{\θ}}\{c_1\cos \left({\mathrm{\ω}}_n^{\′}\sqrt{1-{\mathrm{\ζ}}^2}\mathrm{\θ}\right)+c_2\sin \left({\mathrm{\ω}}_n^{\′}\sqrt{1-{\mathrm{\ζ}}^2}\mathrm{\θ}\right)\}+\{a_1\cos \left(\mathrm{\π\θ}\right)+b_1\sin \left(\mathrm{\π\θ}\right)\},0\≤\mathrm{\θ}\≤1---\left(4\right),$

那么加速度计响应信号和激励信号的最大误差可表示为： 

Δφ1_max＝max(|φ-α|)                (5)， 

或 

Δφ2_max＝max(φ)-max(α)            (6)， 

公式(5)中Δφ1_max表示的是幅值误差的最大值，由加速度计响应信号φ和激励信号α的幅值差绝对值之最大值表示。公式(6)中Δφ2_max表示的是幅值最大值的误差，即峰值误差，由加速度计响应信号φ最大值和激励信号α最大值之差表示。这两个误差在说明书附图3中表示的更为直观。 

由于本发明主要针对的是MEMS高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准，而MEMS高g值加速度计一般是芯片级的加速度传感器，在实际使用时通常要封装在传感器壳体内部，考虑到MEMS器件在应力波的作用下容易损坏，所以在封装时都加入了机械滤波器。MEMS传感器芯片的谐振频率通常在200kHz以上，工作频带优于50kHz，而封装后其谐振频率和工作频带都显著降低，如Endevco model 7270A-60k压阻加速度计谐振频率典型值为700kHz，最小值为400kHz，频率响应为100kHz，加机械滤波器后谐振频率约50kHz，频率响应为10kHz，其型号改为model 7270A-60kM6。表1给出了在给定校准 误差条件下典型高g值加速度计的谐振频率f_x和最小激励脉冲宽度t的关系： 

表1不同谐振频率的加速度计所对应的最小激励脉冲宽度 

表中，f_x是根据目前国内外典型的低谐振频率的高g值加速度计选定的，具体如下：20kHz是上海微系统与信息技术研究所的SIMIT-AYZ-3-60k型压阻加速度计芯片经环氧灌封后实测得到的一阶谐振频率，50kHz美国ENDEVCO公司的Model 7270A-60kM6型压阻加速度计的谐振频率，15kHz美国ENDEVCO公司的Model7255A-01型压电加速度计的谐振频率，23kHz美国PCB公司的350C02型压电加速度计的谐振频率，40kHz是中国兵器工业第204研究的988型压电加速度计的一阶谐振频率，其中前四种是带机械滤波器的高g值加速度计，第五种是典型的其它类型高g值加速度计。 

本发明的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置与方法的优点有：1.这种高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置，通过圆柱面弧形锥头射弹撞击紫铜调整垫，可以在Hopkinson杆中产生脉宽200～500μs、幅值5,000～20,000g的冲击脉冲，为高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准提供激励信号，这在低谐振频率的高g值加速度计冲击灵敏度的校准技术领域是新创新、新突破；2.本发明所提供的冲击灵敏度的校准方法的理论突破是：给出了高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准准则，即根据每个被校准的高g值加速度计的谐振频率，导出了冲击灵敏度的溯源性校准所需的最小激励脉冲宽度公式(1)，这对于研究高g值加速度计的溯源性动态校准具有重大的理论意义，对于提高高g值条件下的加速度测量精度具有重要的实际应用价值。这种高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置与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3幅： 

图1高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置结构示意图； 

图2圆柱面弧形锥头射弹结构示意图； 

图3高g值加速度计响应信号和激励信号的最大误差的不同表示图。 

三图中：1.发射管；2.射弹；3.调整垫；4.Hopkinson杆；5.加速度计安装座；6.光栅；7.高g值加速度计；8.激光干涉仪；9.放大器；10.瞬态波形记录仪；11.计算机；12.高g值加速度计激励信号α；13.高g值加速度计响应信号φ；14.高g值加速度计的误差曲线；15.幅值误差的最大值Δφ1_max；16.幅值最大值的误差即峰值误差Δφ2_max。 

五.具体实施方式

本发明高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置与方法的非限定实施例如下： 

实施例一.高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置与方法 

该实施例的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置与方法分为两部分，其一是高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置；其二是高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准方法。 

1.高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置 

该例的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置的具体结构如图1、图2所示。如图1所示该例的校准装置包括有：高压气体源、发射管1、射弹2、调整垫3、Hopkinson杆4、加速度计安装座5、光栅6、激光干涉仪8、放大器9、瞬态波形记录仪10及计算机11等。该例的高压气体源是可充气的气罐。该例的射弹2如图2所示，尺寸选择为直径Ф30mm、长度40mm的圆柱面弧形锥头钛合金子弹。该例的Hopkinson杆4尺寸选择为直径Ф25mm、长度1600mm钛金属杆。所述的调整垫3为直径Ф25mm、厚度(长度)5～15mm的紫铜垫。该例的紫铜调整垫3尺寸选择为直径Ф25mm、厚度(长度)15mm。该例的光栅6是150线/毫米的衍射光栅。该例的激光干涉仪8选择加速度测量范围在5,000～100,000g内的差动式激光干涉仪，如LSV-G2501型差动式激光多普勒测速仪。该例的放大器9选择具有低通滤波功能的电压放大器，如YE3820型多功能放大器。该例的瞬态波形记录仪11是分辨率为14～16bit的通用数据采集系统。该例的计算机12是便携式计算机。该例被校准的高g值加速度计7选择一种带机械滤波器的高g值加速度计，采用的是上海微系统与信息技术研究所的SIMIT-AYZ-3-60k型压阻加速度计，该压阻加速度计芯片经环氧灌封后实测得到的一阶谐振频率20kHz，该压阻加速度计的各参数请见本说明书中表1的第一列。改变紫铜材料调整垫3的厚度和钛合金射弹2的速度可 以调节冲击脉冲的持续时间和幅值，通过紫铜材料调整垫3厚度与钛合金射弹2速度的不同组合可以产生脉宽200～500μs不同幅值激励高g值加速度计的冲击脉冲。随着调整垫3厚度的增加，应力脉冲的前沿升时增加，幅值降低；随着射弹2速度的增加，冲击脉冲的脉宽降低，幅值增加。该例选择厚度(长度)15mm的调整垫与不同速度的射弹组合可以产生脉宽400～500μs、幅值5,000～10,000g的冲击脉冲，如可以产生脉宽分别为400μs、450μs、500μs，其幅值分别为10,000g、7,500g、5,000g的冲击脉冲。 

2.高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准方法 

该例的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准方法的具体技术方案由图1～图3联合示出。该校准方法采用高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置实现，该溯源性校准装置如图1所示，通过操作该溯源性校准装置中高压气体加速的射弹2撞击位于Hopkinson杆4左端面的调整垫3，在Hopkinson杆4中产生一近似于升余弦的纵向、弹性应力脉冲来激励该高g值加速度计7。该例的激励该高g值加速度计7的冲击脉冲的最小脉冲宽度t由公式(1)确定： 

$t=\frac{\mathrm{\τ}}{2}---\left(1\right),$

式中τ应按下式来计算： 

$\mathrm{\τ}=\frac{\sqrt{1-2{\mathrm{\ζ}}^2}}{2\mathrm{\δ}{f}_x\sqrt{1-{\mathrm{\ζ}}^2}}(1-\frac{\mathrm{\ζ\π}}{2\sqrt{1-{\mathrm{\ζ}}^2}})---\left(2\right),$

式中：δ为可允许的校准误差，f_x为高g值加速度计的一阶谐振频率，ζ为高g值加速度计的阻尼比。本实施例给出的被校准的高g值加速度计7是MEMS压阻加速度计，如中科院上海微系统与信息技术研究所的SIMIT-AYZ-3-60k型压阻加速度计，其封装后的谐振频率f_x为20kHz，该压阻加速度计的各参数请见本说明书中表1的第一列。根据公式(1)建立被校准的高g值加速度计7的冲击灵敏度溯源性校准装置，该装置如图1所示，由高压气体源、发射管1、射弹2、调整垫3、Hopkinson杆4、加速度计安装座5、光栅6、激光干涉仪8、放大器9、瞬态波形记录仪10及计算机11等组成。该例的高压气体源是可充气的气罐。该例的射弹2如图2所示，尺寸选择为直径Ф30mm、长度40mm的圆柱面弧形锥头钛合金子弹。该例的Hopkinson杆4尺寸选择为直径Ф25mm、长度1600mm钛金属杆。所述的调整垫3为直径Ф25mm、厚度(长度)5～15mm的紫铜垫。该例的紫铜调整垫3尺寸选择为直径Ф25mm、厚度(长度)15mm。该例的光栅6是指150线/毫米的衍射光栅。该例的激光干涉 仪8选择加速度测量范围在5,000～100,000g内的差动式激光干涉仪，如LSV-G2501型差动式激光多普勒测速仪。该例的放大器9选择具有低通滤波功能的电压放大器，如YE3820型多功能放大器。该例的瞬态波形记录仪11是分辨率为14～16bit的通用数据采集系统。该例的计算机12是便携式计算机。采用直径Ф30mm、长度40mm的圆柱面弧锥形头射弹2撞击直径Ф25mm、长度5～15mm的紫铜垫，在Hopkinson杆4产生脉宽200～500μs、幅值5,000～50,000g的冲击脉冲激励该高g值加速度计7。其冲击脉冲由激光干涉仪8测量，该高g值加速度计7的输出经电压放大器9放大，由瞬态波形记录仪10同时记录电压放大器9和激光干涉仪8的输出，通过比值运算求出该加速度计7的冲击灵敏度。通过操作如图1中的一系列不同的高压气体加速的射弹2撞击调整垫3，在Hopkinson杆4中对应产生一系列不同的前沿升时极宽的应力脉冲来激励高g值加速度计7，通过测试或计量仪器8-10，测得该加速度计7对应的一系列不同的输入和输出响应，利用计算机11求出该加速度计7的冲击灵敏度及其动态不确定度，利用激光干涉仪8将加速度量值溯源到国际基本量基准中的长度基准和时间基准，实现了冲击灵敏度的溯源性校准。改变紫铜材料调整垫3的厚度和钛合金射弹2的速度可以调节冲击脉冲的持续时间和幅值，通过紫铜材料调整垫3的厚度与钛合金射弹2的速度的不同组合可以产生脉宽200～500μs的不同幅值激励高g值加速度计的冲击脉冲。随着调整垫3厚度的增加，应力脉冲的前沿升时增加，幅值降低；随着射弹2速度的增加，冲击脉冲的脉宽降低，幅值增加。该例选择厚度(长度)15mm的调整垫与不同速度的射弹组合可以产生脉宽400～500μs、幅值5,000～10,000g的冲击脉冲，如可以产生脉宽分别为400μs、450μs、500μs，其幅值分别为10,000g、7,500g、5,000g的冲击脉冲。相对于目前在高g值加速度计冲击校准领域已有的对校准脉冲宽度的研究成果，本校准方法导出了由幅值最大值的误差所确定的最小激励脉冲宽度t是由幅值误差的最大值所确定的最小激励脉冲宽度τ的1/2，即公式(1)，且该最小脉冲宽度公式中包含了加速度计的阻尼比对冲击脉冲宽度的影响。具体描述为： 

若加速度计的激励信号为： 

α＝sin(πθ)0≤θ≤1                (3)， 

则加速度计的响应信号为： 

$\mathrm{\φ}=e^{-\mathrm{\ζ}{\mathrm{\ω}}_n^{\′}\mathrm{\θ}}\{c_1\cos \left({\mathrm{\ω}}_n^{\′}\sqrt{1-{\mathrm{\ζ}}^2}\mathrm{\θ}\right)+c_2\sin \left({\mathrm{\ω}}_n^{\′}\sqrt{1-{\mathrm{\ζ}}^2}\mathrm{\θ}\right)\}+\{a_1\cos \left(\mathrm{\π\θ}\right)+b_1\sin \left(\mathrm{\π\θ}\right)\},0\≤\mathrm{\θ}\≤1---\left(4\right),$

那么加速度计响应信号和激励信号的最大误差可表示为： 

Δφ1_max＝max(|φ-α|)            (5)， 

或 

Δφ2_max＝max(φ)-max(α)         (6)， 

这两个误差在说明书附图3中表示的更为直观。公式(5)中Δφ1_max(图3之15)表示的是幅值误差的最大值，由加速度计响应信号φ(图3之13)和激励信号α(图3之12)的幅值差绝对值之最大值表示；公式(6)中Δφ2_max(图3之16)表示的是幅值最大值的误差，即峰值误差，由加速度计响应信号φ(图3之13)最大值和激励信号α(图3之12)最大值之差表示。 

实施例二.高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置与方法 

该实施例具体分为两部分： 

1.高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置 

该例的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置的具体结构如图1、图2所示。该例的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置与实施例一.1.高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置的不同点有：1.该例的放大器9是指具有低通滤波功能的电压放大器，如Endevco Model 136型电压放大器。 

2.本实施例给出的被校准的高g值加速度计7是带有机械滤波器的压电加速度计，如美国ENDEVCO公司的Model 7270A-60kM6型压阻加速度计，其谐振频率f_x为50kHz，该压阻加速度计的各参数请见本说明书中表1的第二列。3.该例选择厚度(长度)5mm的调整垫与不同速度的射弹组合可以产生脉宽200～300μs、幅值15,000～20,000g的冲击脉冲，如可以产生脉宽分别为200μs、250μs、300μs，其幅值分别为20,000g、17,500g、15,000g的冲击脉冲。该例的宽频带高量程加速度计频率响应特性的校准装置其余未述的，全同于实施例一.1.中所述的，不再重述。 

2.高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准方法 

该例的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准方法的具体技术方案由图1～图3联合示出。该例的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准方法与实施例一.2.的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准方法不同点有：1.该例的放大器9是指具有低通滤波功能的电压放大器，如Endevco Model 136型电压放大器。2.本实施例给出的被校准的高g值加速度计7是带有机械滤波器的压电加速度计，如美国ENDEVCO公司的Model 7270A-60kM6型压阻加速度计， 其谐振频率f_x为50kHz，该压阻加速度计的各参数请见本说明书中表1的第二列。3.该例选择厚度(长度)5mm的调整垫与不同速度的射弹组合可以产生脉宽200～300μs、幅值15,000～20,000g的冲击脉冲，如可以产生脉宽分别为200μs、250μs、300μs，其幅值分别为20,000g、17500g、15,000g的冲击脉冲。该例的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准其余未述的，全同于实施例一.2.中所述的，不再重述。 

实施例三.高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置与方法 

该实施例具体分为两部分： 

1.高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置 

该例的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置的具体结构如图1、图2所示。该例的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置与实施例一.1.、实施例二.1.的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置的不同点有：1.该例的放大器9是指具有低通滤波功能的IEPE放大器，如YE3820型多功能放大器。2.该例选择被校准的高g值加速度计7是带有机械滤波器的压电加速度计，如美国ENDEVCO公司的Model 7255A-01型压电加速度计，其谐振频率f_x为15kHz，该压阻加速度计的各参数请见本说明书中表1的第三列。3.该例选择厚度(长度)10mm的调整垫与不同速度的射弹组合可以产生脉宽300～400μs、幅值10,000～15,000g的冲击脉冲，分别为300μs、350μs、400μs其幅值分别为15,000g、12,500g、10,000g的冲击脉冲。该例的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置其余未述的，全同于实施例一.1.、实施例二.1.中所述的，不再重述。 

2.高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准方法 

该例的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准方法的具体技术方案由图1～图3联合示出。该例的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准方法与实施例一.2.、实施例二.2.的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准方法不同点有：1.该例的放大器9是指具有低通滤波功能的IEPE放大器，如YE3820型多功能放大器。2.该例选择被校准的高g值加速度计7是带有机械滤波器的压电加速度计，如美国ENDEVCO公司的Model7255A-01型压电加速度计，其谐振频率f_x为15kHz，该压阻加速度计的各参数请见本说明书中表1的第三列。3.该例选择厚度(长度)10mm的调整垫与不同速度的射弹组合可以产生脉宽300～400μs、幅值10,000～15,000g的冲击脉冲，分别为300μs、350μs、400μs 其幅值分别为15,000g、12,500g、10,000g的冲击脉冲。该例的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准方法其余未述的，全同于实施例一.2.、实施例二.2.中所述的，不再重述。 

实施例四.高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置与方法 

该实施例具体分为两部分： 

1.高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置 

该例的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置的具体结构如图1、图2所示。该例的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置与实施例一.1.～实施例三.1.的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置的不同点有：1.该例选择被校准的高g值加速度计7是带有机械滤波器的压电加速度计，如美国PCB公司的350C02型压电加速度计，其谐振频率f_x为23kHz，该压阻加速度计的各参数请见本说明书中表1的第四列。该例的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置其余未述的，全同于实施例一.1.～实施例三.1.中所述的，不再重述。 

2.高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准方法 

该例的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准方法的具体结构如图1～图3联合所示。该例的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置与实施例一.2.～实施例三.2.的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置的不同点有：1.该例选择被校准的高g值加速度计7是带有机械滤波器的压电加速度计，如美国PCB公司的350C02型压电加速度计，其谐振频率f_x为23kHz，该压阻加速度计的各参数请见本说明书中表1的第四列。该例的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准方法其余未述的，全同于实施例一.2.～实施例三.2.中所述的，不再重述。 

实施例五.高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置与方法 

该实施例具体分为两部分： 

1.高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置 

该例的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置的具体结构如图1图2所示。该例的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置与实施例一.1.～实施例四.1.的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置的不同点有：1.该例的放大器9是指具有低通滤波功能的电荷放大器，如Kistler Type 5011型电荷放大器。2.该例选择被校准的高g值加速度计7是典型的其它类型高g值 加速度计，如中国兵器工业第204研究的988型压电加速度计，其谐振频率f_x为40kHz，该加速度计的各参数请见本说明书中表1的第五列。该例的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置其余未述的，全同于实施例一.1.～实施例四.1.中所述的，不再重述。 

2.高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准方法 

该例的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准方法的具体结构如图1～图3联合所示。该例的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准方法与实施例一.2.～实施例四.2.的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准方法的不同点有：1.该例的放大器9是指具有低通滤波功能的电荷放大器，如Kistler Type5011型电荷放大器。2.该例选择被校准的高g值加速度计7是典型的其它类型高g值加速度计，如中国兵器工业第204研究的988型压电加速度计，其谐振频率f_x为40kHz，该加速度计的各参数请见本说明书中表1的第五列。该例的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准方法其余未述的，全同于实施例一.2.～实施例四.2.中所述的，不再重述。 

Claims (5)

1.一种高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置，包括有：发射管、射弹、调整垫、Hopkinson杆、放大器、激光干涉仪、瞬态波形记录仪及计算机，特征在于：该溯源性校准装置包括的射弹为圆柱面弧形锥头钛合金子弹，该射弹尺寸选择为直径Φ30mm、长度40mm圆柱面弧形锥头，弧形锥头半径R＝18mm；包括的调整垫为紫铜垫，该调整垫为直径Φ25mm、厚度(长度)5～15mm；通过圆柱面弧形锥头射弹撞击紫铜调整垫，可以在Hopkinson杆中产生脉宽200～500μs、幅值5,000～20,000g的冲击脉冲。

2.根据权利要求1所述的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置，特征在于：该溯源性校准装置通过调整垫厚度与射弹速度的不同组合可以产生脉宽200～500μs的不同幅值的冲击脉冲，随着调整垫厚度的增加，应力脉冲的前沿升时增加，幅值降低；随着射弹速度的增加，冲击脉冲的脉宽降低，幅值增加。

3.一种高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准方法，特征在于：所述的该校准方法是：采用根据权利要求1所述的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准装置，通过操作该装置中高压气体加速的射弹撞击位于Hopkinson杆左端面的调整垫，在Hopkinson杆中产生一近似于升余弦的纵向、弹性应力脉冲激励高g值加速度计，通过测试或计量仪器，测得该加速度计的激励信号和响应信号，实现其冲击灵敏度的溯源性校准。

4.根据权利要求3所述的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准方法，特征在于：改变调整垫的厚度和射弹的速度可以调节冲击脉冲的持续时间和幅值，通过调整垫厚度与射弹速度的不同组合可以产生不同脉宽200～500μs的不同幅值的冲击脉冲。

5.根据权利要求3所述的高g值加速度计冲击灵敏度的溯源性校准方法，特征在于：所述的激励该高g值加速度计的冲击脉冲的最小脉冲宽度t由公式(1)确定：

$t=\frac{\mathrm{\τ}}{2}---\left(1\right),$

式中τ按下式来计算：

$\mathrm{\τ}=\frac{\sqrt{1-{2\mathrm{\ζ}}^2}}{2\mathrm{\δ}{f}_x\sqrt{1-{\mathrm{\ζ}}^2}}(1-\frac{\mathrm{\ζ\π}}{2\sqrt{1-{\mathrm{\ζ}}^2}})---\left(2\right),$

式中，δ为可允许的校准误差，f_x为高g值加速度计的一阶谐振频率，ζ为高g值加速度计的阻尼比。

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