CN105259373B

CN105259373B - 钢珠发射装置及包含该装置的加速度计动态特性校准系统

Info

Publication number: CN105259373B
Application number: CN201510691116.9A
Authority: CN
Inventors: 孙桥; 胡红波; 白银; 白杰
Original assignee: National Institute of Metrology
Current assignee: National Institute of Metrology
Priority date: 2015-10-22
Filing date: 2015-10-22
Publication date: 2019-01-01
Anticipated expiration: 2035-10-22
Also published as: CN105259373A

Abstract

本发明涉及钢珠发射装置及包含该装置的加速度计动态特性校准系统。钢珠发射装置包括：钢珠发射器，包括用于撞击钢珠的撞针；以及钢珠导向及复位器，包括外壳和设置于外壳中的导向管道；在初始状态下，钢珠设置于导向管道内的钢珠初始位置，在撞击状态下，撞针撞击钢珠，使得钢珠沿导向管道发射出钢珠导向及复位器。该加速度计动态特性校准系统利用受到电磁力撞击的钢珠撞击霍普金森杆的端面，能够产生窄脉冲的冲击加速度激励信号，激励信号的带宽远远大于现有装置。该加速度计动态特性校准系统通过一次校准即可获得表征加速度计动态特性的物理参数，最终获得加速度计的传递函数，从而在较大带宽范围内实现加速度计的动态特性校准。

Description

钢珠发射装置及包含该装置的加速度计动态特性校准系统

技术领域

本发明涉及一种钢珠发射装置，还涉及一种包含该钢珠发射装置的加速度计动态特性校准系统。

背景技术

目前按照GB20485/ISO16063系统标准规定，校准加速度计一般采用正弦振动激励法与冲击激励法。

1、正弦振动激励是利用连续的正弦运动的形式校准加速度计的方法。所使用的装置主要包括机械振动台，采用绝对法(激光干涉法)或者比较法(标准加速计)来对加速度计进行振动校准，校准所得到的结果是一些离散频率点的加速度计的响应。

目前各个国家最高的计量机构均按照ISO16063-11：1999及有关标准建立的振动标准装置来实现加速度计的振动激励校准。校准的频率范围为1Hz～10kHz，经过拓展可将频率范围延伸至0.01Hz～20kHz，且频率下限可以更低，比如德国联邦物理研究院(PTB)、中国计量科学研究院(NIM)建立的超低频振动标准装置可校准的频率范围低于0.01Hz。但一般来说校准频率的上限为20kHz，超过20kHz校准的结果测量不确定度较大，结果的重复性也变差，这与所使用振动台的高频机械特性以及高频位移较小等原因造成。

使用正弦振动激励法校准加速度计，得到的典型的结果如图1所示。其不足之处主要在于：

1)由于振动台机械结构限制，振动加速度峰值一般不会超过100m/s²。

2)由于振动台机械安装台面的特点，振动的工作频率一般不高于20kHz。

3)振动校准结果得到是一些离散频率点的复灵敏度值，不能用连续的频响曲线来描述被校加速度计的特性。

2、冲击激励法是利用瞬态的加速度波形对加速度计进行校准的方法。冲击激励法校准所使用的主要设备为各种不同的冲击激励台，采用绝对法(激光干涉测量法)或者比较法(标准加速度计)来对加速度计进行冲击校准，通过计算加速度计(包括配套放大器)输出电压的峰值与输入加速度信号的峰值之比来计算加速度计的冲击灵敏度。

目前各个国家最高的计量机构均按照ISO16063-13：2001及有关标准建立的冲击标准装置来实现加速度计的冲击激励校准。冲击激励台产生冲击激励波形主要采用基于刚体碰撞的方式和基于霍普金森杆应力波在固体中传递的方式来产生，前者主要用于产生低峰值宽脉冲冲击加速度激励信号，后者主要用来产生高峰值窄脉冲的冲击加速度激励信号。上述两种冲击加速度装置能够产生的冲击加速度峰值范围为(50～1.0×10⁵)m/s²，脉冲持续时间为(0.05～10)ms。经过改进，冲击加速度峰值范围上限可拓展至10⁶m/s²。目前，德国联邦物理研究院(PTB)与中国计量科学研究院(NIM)都建立了对应的冲击加速度标准装置，能够对加速度计进行冲击激励法校准。

冲击激励法校准加速度计，典型的结果如图2所示。其不足之处主要在于：

1)冲击灵敏度是一个时域的指标，并且与校准所使用的冲击加速度波形有关，不同的冲击加速度激励波形有不同的冲击灵敏度，故冲击灵敏度难以完整的描述加速度计的特性。

2)通过傅里叶变换的运算，采用冲击校准可以得到一定频段内加速度的离散频率点响应数据，但与振动校准一样，不能用连续的频响曲线来描述被校加速度计的特性。

上述两种校准方法校准的结果都不能用来预测对于任意一个瞬态输入加速度信号的输出，同时也不能对加速度计动态特性进行修正。

发明内容

本公开的目的是解决现有方法不能准确校准加速度计的动态特性的问题。

本公开采用以下技术方案：

本公开的一方面提供一种钢珠发射装置，包括：

钢珠发射器，包括用于撞击钢珠的撞针；以及

钢珠导向及复位器，包括外壳和设置于所述外壳中的导向管道；

在初始状态下，所述钢珠设置于所述导向管道内的钢珠初始位置，在撞击状态下，所述撞针撞击所述钢珠，使得所述钢珠沿所述导向管道发射出所述钢珠导向及复位器；

所述钢珠导向及复位器还包括设置于所述外壳中的回流管道、复位管道、第一复位弹簧和进气孔；其中，所述导向管道、所述回流管道和所述复位管道彼此两两连通；所述第一复位弹簧设置在所述复位管道内，用于将从所述回流管道流入的钢珠经由所述复位管道推送到所述导向管道内的所述钢珠初始位置；所述进气孔设置在所述复位管道上、所述第一复位弹簧的下方。

优选地，所述钢珠发射器还包括：磁体；线圈，与所述磁体电磁耦合；以及第二复位弹簧，围绕所述撞针设置；其中，所述撞针与所述线圈联动，在通电状态下，所述线圈带动所述撞针从第一初始位置运动到第一撞击位置并压缩所述第二复位弹簧，在断电状态下，所述第二复位弹簧恢复自由状态，使得所述撞针从所述第一撞击位置回到所述第一初始位置。

优选地，所述钢珠发射装置还包括连接至所述进气孔的送气装置。

本公开的另一方面提供一种加速度计动态特性校准系统，包括：

所述的钢珠发射装置；

霍普金森杆，所述霍普金森杆的后端面设置被校加速度计，所述钢珠发射装置发射的钢珠撞击所述霍普金森杆的前端面，从而导致所述被校加速度计的位移；

激光干涉仪，用于检测所述位移并输出相应的干涉信号；以及

处理装置，用于接收所述干涉信号，并计算冲击加速度激励信号。

优选地，所述激光干涉仪是外差式激光干涉仪。

优选地，所述处理装置还接收所述被校加速度计输出的电压信号，并基于所述冲击加速度激励信号和所述电压信号，计算所述被校加速度计的传递函数

本公开的优点是利用受到电磁力撞击的钢珠撞击霍普金森杆的端面，能够产生窄脉冲的冲击加速度激励信号，激励信号的带宽远远大于现有装置，最高可超过100kHz。该加速度计动态特性校准系统通过一次校准即可获得表征加速度计动态特性的物理参数，最终获得加速度计的传递函数，从而在较大带宽范围内实现加速度计的动态特性校准。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1显示加速度计振动校准的典型结果；

图2显示加速度计冲击校准的典型结果；

图3显示根据示例性实施例的钢珠发射装置示意图；

图4显示根据示例性实施例的钢珠发射装置的钢珠发射器示意图；

图5显示根据示例性实施例的钢珠发射装置的撞针示意图；

图6显示根据示例性实施例的钢珠导向及复位器示意图；

图7显示根据示例性实施例的加速度计动态特性校准系统的示意图；

图8显示根据示例性实施例的加速度计动态特性校准系统中钢珠发射装置与霍普金森杆的安装示意图；

图9显示根据示例性实施例的外差式激光干涉信号的处理过程；

图10显示根据示例性实施例的加速度计结构模型；

图11显示根据示例性实施例的加速度计动态特性校准系统所产生的冲击激励波形；

图12显示根据示例性实施例的加速度计动态特性校准系统所产生的冲击激励信号的幅度谱；

图13显示根据示例性实施例的被校加速度计在冲击激励下输出的电压波形；

图14显示根据示例性实施例的被校加速度计在冲击激励下输出的电压波形的幅度谱；

图15显示根据示例性实施例的被校加速度计的动态特性曲线；

图16显示根据示例性实施例的被校加速度计的动态特性曲线。

主要附图标记如下：

1-钢珠发射装置，2-钢珠发射器，3-钢珠导向及复位器，4-磁体，5-线圈，6-撞针，7-复位弹簧，8-通电端子，9-钢珠，10-导向管道，11-回流管道，12-复位管道，13-复位弹簧，14-进气孔，15-霍普金森杆，16-外差式激光干涉仪，17-处理装置，18-被校加速度计。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

钢珠发射装置

图3显示根据示例性实施例的钢珠发射装置示意图。钢珠发射装置1包括钢珠发射器2和钢珠导向及复位器3。

图4显示根据示例性实施例的钢珠发射器示意图。钢珠发射器2包括磁体4、与磁体4电磁耦合的线圈5、与线圈联动的撞针6、以及围绕撞针6设置的第一复位弹簧7。

磁体4形成一个恒定的磁场，线圈5置于该磁场中，可与磁体4电磁耦合。当线圈5中没有电流时，复位弹簧7处于自由状态，未被压缩。当通过通电端子8为线圈5通电时，通电线圈5在磁体4的磁场中受到电磁力即洛伦兹力的作用向前运动，从而带动撞针6向前运动，从初始位置运动到撞击位置，最终撞击钢珠9，并压缩复位弹簧7。当线圈5断电时，由于电流消失，线圈5不再受电磁力作用，因此向后运动，被压缩的复位弹簧7恢复自由状态，压缩线圈5回复原位，从而使得撞针6从撞击位置回到初始位置，完成一次撞击过程。通过改变输入电流的大小，可以改变撞针6撞击钢珠9的撞击力度，从而得到具有不同持续时间与峰值的冲击激励。

如图5所示，撞针6可包括具有不同直径的前段和后段。撞针6前段的直径可为3mm，后段的直径可为1.8mm，后段为撞击钢珠的撞击端面。撞针由直径不同的两段构成，前段用于固定撞针6，因此该段直径较大；后段用于撞击直径较小的钢珠，因此该段直径也较小。

图6显示根据示例性实施例的钢珠导向及复位器。钢珠导向及复位器3包括外壳和设置于外壳中的导向管道10、回流管道11、复位管道12、复位弹簧13和进气孔14。导向管道10、回流管道11和复位管道12彼此两两连通，复位弹簧13设置在复位管道12内，用于将从回流管道流入的钢珠经由复位管道12推送到导向管道10内的初始位置。进气孔14设置在复位管道12上、复位弹簧13的下方。

钢珠导向及复位器3的工作过程如下。位于导向管道10内的初始位置的钢珠9受到撞针6的撞击后，沿着导向管道10向前运动，并撞击霍普金森杆15的一个端面，从而产生一个冲击激励。撞击完成后，钢珠9被端面反弹回来，并在重力作用下流入回流管道11，然后顺着回流管道11进入复位管道12，停止在复位弹簧13的上端。然后通过连接至进气孔14的送气装置经由送气孔14输入一定压力的压缩气体，推动复位弹簧13整体向上运动，从而将钢珠9推送到导向管道10内的初始位置，准备接受下一次撞击。最后通过阀门关闭进气孔14，复位弹簧13恢复至自由状态，完成一次钢珠9的复位过程。

加速度计动态特性校准系统

图7显示根据示例性实施例的加速度计动态特性校准系统的示意图，图8显示根据示例性实施例的加速度计动态特性校准系统中钢珠发射装置与霍普金森杆的安装示意图。

如图7和8所示，加速度计动态特性校准系统包括霍普金森杆15、上述钢珠发射装置1、外差式激光干涉仪16和处理装置17。在示例性实施例中采用了外差式激光干涉仪，但是也可以采用其他类型的激光干涉仪，只要其能够测量快速变化的微小位移即可。

在示例性实施例中，霍普金森杆15采用钛合金制作，两根杆的直径分别为16mm与20mm，可以选择其中任意一根杆，在其后端面上安装被校加速度计，使钢珠9撞击前端面。可以根据实际需要，例如参考被校角速度计的尺寸选择霍普金森杆15的材料、杆数及每根杆的直径。

被校加速度计18安装在霍普金森杆15的后端面上。钢珠发射装置1发射一个钢珠9，钢珠9撞击霍普金森杆15的前端面，产生的应力波传递至霍普金森杆15的后端面，从而给被校加速度计18一个脉冲很窄的冲击激励。钢柱9撞击霍普金森杆15的端面近似于点与点的接触碰撞，因此可以产生脉冲很窄的冲击激励。

钢珠9撞击霍普金森杆15产生的窄脉冲冲击激励导致霍普金森杆15的后端面发生微小位移，该微小位移即是固定于后端面的被校加速度计18的位移。通过外差式激光干涉仪16感测该位移，输出干涉信号u_m(t)。处理装置16通过高速采集卡采集外差式激光干涉仪16输出的干涉信号u_m(t)，并按图9所示的过程计算冲击加速度激励信号a(t)。根据干涉信号u_m(t)，可按照ISO16063-13中推荐的算法计算撞击过程中的冲击加速度激励信号a(t)。当然，也可以采用其他适当的算法计算加速度信号a(t)。

加速度计动态特性校准方法

(1)加速度计的数学模型

加速度计利用惯性力来测量物体运动加速度。通常认为加速度计是一个线性的动态系统，在其线性动态范围内将其等效为一个单自由度的弹簧质量系统，如图10所示。质量块m被弹簧与阻尼器支撑，设基座位移为s(t)，质量块m的位移为x(t)，则该系统的运动方程如下式(1)所示：

由于压电晶体的电荷输出与质量块相对于基座的位移，即x(t)-s(t)成正比，将式(1)稍作变换，可以得到下面的方程：

在上式中用y替换x-s，并且为外界的输入加速度，于是可以得到：

上式中，为系统谐振频率，为系统阻尼比，ρ为压电晶体转换常数。对式(3)进行Laplace变换，即得传递函数为如下所示：

设采样率足够高，即对式(3)离散化，可得到对应加速度计的离散传递函数为：

由式(5)得到对应加速度计对应的差分方程为：

y(k)+c₁y(k-1)+c₂y(k-2)＝b[a(k-1)+a(k-2)] (6)

通过上述离散化的过程，可以得到差分方程(6)与微分方程(3)之间的系数对应关系如下：

式中T_s为采样时间间隔。

(2)模型参数的确定

根据外差式激光干涉仪16输出的干涉信号u_m(t)，计算得到被校加速度计18的输入信号即冲击加速度激励信号a(k)，结合被校加速度计18输出的电压信号y(k)，利用最小二乘算法，结合式(6)所示的差分方程，计算得到方程的参数c₁,c₂,b，最后按照式(7)所示的转换，计算式(4)所示的被校加速度计18的传递函数，从而最终实现加速度计的动态校准。详细的计算过程如下。

将式(6)所示的差分方程写成如下的形式：

y(k)＝h^T(k)θ+n(k) (8)

上式中：h(k)＝[-y(k-1)-y(k-2)a(k-1)a(k-2)]^T,

θ＝[c₁,c₂,b,b]^T,n(k)为噪声。

设采样的点数为L，于是可得：

Y_L＝H_Lθ+n_L (9)

式中：Y_L＝[y(1)y(2)……y(L)]^T,n_L＝[n(1)n(2)……n(L)]^T,

按下式(11)计算参数的估计值。

得到参数的估计值后，最终即可得到描述被校加速度计的动态特性的式(4)的传递函数，从而实现加速度计动态特性的校准，即得到加速度计的幅频响应与相频响应。

发明效果

利用上述加速度计动态特性校准系统，对选定的压电加速度计进行了动态特性校准试验，得到的冲击激励的试验波形如图11所示。被校加速度计的输入信号，即冲击加速度激励信号a(k)的幅度谱如图12所示。从该幅度谱图形可以看出，信号包含的带宽大于100kHz，大于一般加速度计的安装谐振频率，故能够充分激励被测加速度计的动态特性。被校加速度计在上述冲击激励下输出的电压信号y(k)的波形如图13所示，电压信号y(k)的幅度谱如图14所示。按照上述方法，计算得到被校加速度计的动态特性曲线如图15和16所示，此时对应的公式(4)的传递函数为：

从上述结果可以看出，利用本发明的加速度计动态特性校准系统，可以准确的校准加速度计的动态特性。

以上已经描述了本公开的实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各施例。在不偏离所说明的实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释实施例的原理和实际应用，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的实施例。

Claims

1.一种钢珠发射装置，包括：

钢珠发射器(2)，包括用于撞击钢珠(9)的撞针(6)；以及

钢珠导向及复位器(3)，包括外壳和设置于所述外壳中的导向管道(10)；

在初始状态下，所述钢珠(9)设置于所述导向管道(10)内的钢珠初始位置，在撞击状态下，所述撞针(6)撞击所述钢珠(9)，使得所述钢珠(9)沿所述导向管道(10)发射出所述钢珠导向及复位器(3)；

所述钢珠导向及复位器(3)还包括设置于所述外壳中的回流管道(11)、复位管道(12)、第一复位弹簧和进气孔(14)；

其中，所述导向管道(10)、所述回流管道(11)和所述复位管道(12)彼此两两连通；所述第一复位弹簧设置在所述复位管道(12)内，用于将从所述回流管道(11)流入的钢珠经由所述复位管道(12)推送到所述导向管道(10)内的所述钢珠初始位置；所述进气孔(14)设置在所述复位管道(12)上、所述第一复位弹簧的下方。

2.如权利要求1所述的钢珠发射装置，其中，所述钢珠发射器(2)还包括：

磁体(4)；

线圈(5)，与所述磁体(4)电磁耦合；以及

第二复位弹簧，围绕所述撞针(6)设置；

其中，所述撞针(6)与所述线圈(5)联动，在通电状态下，所述线圈(5)带动所述撞针(6)从第一初始位置运动到第一撞击位置并压缩所述第二复位弹簧，在断电状态下，所述第二复位弹簧恢复自由状态，使得所述撞针(6)从所述第一撞击位置回到所述第一初始位置。

3.如权利要求1所述的钢珠发射装置，还包括连接至所述进气孔(14)的送气装置。

4.一种加速度计动态特性校准系统，包括：

如权利要求1-3之一所述的钢珠发射装置；

霍普金森杆(15)，所述霍普金森杆(15)的后端面设置被校加速度计(18)，所述钢珠发射装置发射的钢珠(9)撞击所述霍普金森杆(15)的前端面，从而导致所述被校加速度计(18)的位移；

5.如权利要求4所述的加速度计动态特性校准系统，其中所述激光干涉仪是外差式激光干涉仪。

6.如权利要求4所述的加速度计动态特性校准系统，其中所述处理装置还接收所述被校加速度计(18)输出的电压信号，并基于所述冲击加速度激励信号和所述电压信号，计算所述被校加速度计(18)的传递函数。