CN108427015A - 一种冲击型加速度计热灵敏度漂移的测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冲击型加速度计灵敏度随温度变化的测试装置，包括温控箱、金属杆、气动系统、加速度计信号放大器、激光干涉测速装置、和用于数据采样及数据处理的计算机，金属杆由一支撑结构水平支撑并可轴向自由移动，其一端与气动系统相对中，另一端固定待测加速度计并置于温控箱内，所述加速度计的输出信号通过导线输入信号放大器；所述激光干涉测速装置发射激光到金属杆上并接受反射的激光，加速度计信号放大器和激光测速装置输出信号均通过数据导线分别与计算机相连接。通过绝对法得到待测加速度计灵敏度输出随温度的变化关系。本发明具有冲击加速度大、直接和较为准确的特点。

Description

一种冲击型加速度计热灵敏度漂移的测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及微传感器的力学测试分析技术领域，特别是涉及一种冲击型加速度计热灵敏度漂移的测试装置与方法。

背景技术

高量程加速度计，即能够耐受高冲击的加速度计(即冲击型加速度计)现在有着广泛的用途。加速度计的热灵敏度漂移是一个重要的参数需要测量表征。加速度计的灵敏度一般是随温度而发生变化的，用热灵敏度漂移来表示，即是指加速度计的灵敏度随温度的变化关系。

加速度计一般分为小量程和大量程之分，其测试方法也显著不同。一般来说，对于小量程的加速度计来说，可利用振动台来进行灵敏度的温度测试，它是将振动台的传递杆通过温控箱体的底端或者侧壁置于温控箱内。如国标5347-17：1993中即采用此法，并且是以一个参考传感器放置于温控箱之外进行比对。该法的优点是可以在多个频率处进行测试，缺点是激励的加速度载荷较小。因此，这种方法对高冲击加速度计来说并不合适，比如，量程在1万g(1g＝9.8m/s²)以上的加速度计。因为高冲击加速度计的灵敏度非常小，通常在微伏量级，难以在振动台上进行准确测量。目前资料中很少有涉及公开的高冲击加速度灵敏度随温度变化的测试方法。95年一篇文献报道了一种高冲击加速度计灵敏度随温度的测试方法(Fabrication and characterization of high g-force,siliconpiezoresistive acceleromeers,sensors and actuatorss,A 48(1995)55-61,YuebinNing,Yan Loke,Graham Mckinnon)。在该方法中，将参考加速度计和被测试加速度计以及安装固定夹具一同放置于温控箱内，当在给定温度下进行一段时间恒温后，立即将整个夹具取出安装到冲击设备上，在较短时间内完成测试。该方法认为，在较短时间内，包含有加速度计的装置温度变化很小，对器件影响不大。该方法在高温过程测试具有一定的危险性。利用激光干涉或者应变计的霍普金森高冲击测试方法中，一般可以达到万g甚至10万g以上的冲击加速度，用来测试材料的力学特性或高冲击类型的加速度计。但用于变温测试的研究绝大部分局限在材料特性研究中，且是利用分离压杆霍普金森测试方法，即将材料放置于两根同样金属杆之间来研究一定温度下材料的力学特性。如，2009年一篇报道是有关利用分离压缩金属杆测量材料的性质变化，其中是采用外加热方式和机器手移动样品安装的方式进行研究[L.Berkovic,R.Ryckaert,A.Chabotier,L.Gilson,F.Coghe and L.Rabet，Modelingofhigh temper onAA5083andTi6Al4V，DYMAT 2009(2009)1663–1668，DYMATInternational Conferences]；还有采用原位加热的方法进行研究[Tong Chen,etal.Dynamic constitutive relation of EMC over a broad range of temperaturesand strain rates,2009international conference on electronic packagingtechnology&high density packaging,IEEE 2009,pp733-736.]。但针对加速度计器件的测试研究，却采用不同的测试方法，一般是将加速度计放置在一个金属杆的尾端进行研究，与研究材料特性的方法有很大差别。材料测试是将被测试的块体材料放置于相同的两个金属杆之间的挤压进行，加速度计的测试是采用单独一根金属杆，将加速度计放置在金属杆的尾端，均为霍普金森法。对于加速度计的测试来说，激光聚焦和反射部位一般是在固定加速度计的位置处。由于加速度计固定在温控箱内，难以通过温控箱的观察玻璃窗口进行激光对准。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种冲击型加速度计热灵敏度漂移的测试装置与方法，具有冲击加速度大、直接、快速、安全可靠和较为准确的特点。

本发明基于霍普金森方法的有关加速度计温度特性的研究，提出一种利用激光干涉法测试高冲击型加速度计灵敏度随温度变化的装置与方法，具有简单易行的特点。所述装置包括温控箱、金属杆、气动系统、加速度计信号放大器、激光干涉测速装置、和用于数据采样及数据处理的计算机，所述金属杆由一支撑结构水平支撑并可轴向自由移动，该金属杆一端为与气动系统相对中的冲击端，另一端固定待测加速度计并置于温控箱内，所述加速度计的输出信号通过导线输入信号放大器；所述激光干涉测速装置发射激光到金属杆上并接受反射的激光，加速度计信号放大器和激光测速装置输出信号均通过数据导线分别与计算机相连接。

优选地，所述金属杆的置于温控箱内的一端刻有凹口结构或装有夹具以固定待测试的加速度计。

优选地，所述金属杆伸入温控箱内的部分不超过其全长的五分之一。

优选地，所述的置于温控箱外的金属杆上粘贴有微球玻璃薄膜，以接收和反射来自所述激光干涉测速装置发射的激光。

优选地，所述激光干涉测速装置的激光束垂直照射于金属杆上粘贴的微球玻璃薄膜上。

优选地，所述微球玻璃薄膜粘贴于距离冲击端的金属杆全长的约三分之一至二分之一处。

优选地，所述的气动系统包括气动装置和由其推动的冲击锤。

优选地，所述温控箱内固定有金属杆受到冲击锤冲击时的过冲保护机构。

优选地，所述金属杆采用铝合金或钢材料制成，长度为1.5m‐2m，直径为16mm‐20mm。

本发明还提供一种冲击型加速度计热灵敏度漂移的测试方法，包括以下步骤：

S1、将一金属杆水平支撑并使其可轴向自由移动，其一端与一气动系统相对中，另一端固定一待测加速度计并置于一温控箱内；

S2、将加速度计通过一导线与温控箱外的信号放大器相连接，信号放大器通过导线与一计算机相连接；

S3、将一微球玻璃薄膜粘贴固定于温控箱外金属杆上，使一激光干涉测速装置发射的激光对准照射到薄膜上，并将该激光干涉测速装置连接到用于进行数据分析处理的计算机；

S4、开启计算机相应的数据采集系统和显示软件，同时设置好触发电平；

S5、开启温控箱，保持温控箱温度稳定在某一温度处；

S6、接着启动气动系统，使其气动冲击锤冲击置于温控箱外的金属杆的一端，计算机同时记录采集来自激光检测到的加速度和待测加速度计输出的波形信号，分别读取所施加的加速度信号和加速度计输出的电压峰值，通过公式S(T)＝U(T)/a计算得到待测加速度计在该温度下的灵敏度，其中，S(T)是加速度计在某一温度下的灵敏度，V/g，g＝9.8m/s²；U(T)是加速度计在该温度下一次冲击过程中输出主波形的峰值电压，V；a是由激光测速装置检测到的同一次加速度；

S7、改变温控箱温度，重复上述测试步骤，得到不同温度下待测加速度计的灵敏度，即获得了待测加速度计灵敏度与温度的定量关系，通过曲线拟合，得到待测加速度计的热灵敏度漂移随温度的变化关系。

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

本发明被测试的加速度计始终放置于温控箱之内，而加速度的测试是通过激光干涉在温控箱外利用绝对法测试得到，十分容易获得被测试加速度计的输出电压幅值与输入的加速度关系，通过加速度计输出电压与所输入的加速度即可以确定某一温度下加速度计的灵敏度，该方法具有冲击加速度大、直接、安全可靠和较为准确的特点。

本发明对高冲击加速计灵敏度温度特性的测试，可以在1万g到5万g之间，甚至更高量程下均可实施。通过改变冲击压力，就可以获得更大的加速度。

附图说明

图1是本发明加速度计热灵敏度漂移的测试装置结构示意图。

图2是本发明的测试装置中带有凹口的金属杆结构

图3是本发明金属杆尾端的凹口结构放大图。

图中：

1，气动控制及冲击锤

2，金属杆

3，支撑结构

4，微球玻璃薄膜

5，金属杆的凹口

6，加速度计

7，过冲保护机构

8，温控箱

9，信号放大器

10，入射和反射的激光

11，激光干涉测速仪及数字采样示波器

12，导线

13，导数

14，导线

15，计算机

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1所示，本发明的一种高冲击加速度计热灵敏度漂移的测试装置，包括气动控制及冲击锤1、金属杆2、支撑结构3、微球玻璃薄膜4、金属杆上的凹口5，固定的待测试的加速度计6、金属杆过冲保护机构7、可程序控制的温控箱8、从加速度计连接出来的信号放大器9、入射和反射的激光10、激光干涉测速仪及数字采样示波器11、从加速度计连接到信号放大器的数据导线12、从信号放大器连接到计算机的数据导线13、从激光干涉仪连接到计算机的数据导线14、处理数据和显示用的计算机15，所述被检测加速度计6敏感方向为顺着金属杆2的长度轴向方向。

如图2所示，用于冲击和装载加速度计的金属杆2为圆柱形金属杆，长度为1.5m‐2.0m，直径为16mm‐20mm，其尾端部加工有浅的平面凹口，即平行于金属杆轴向加工成的平面，如图3所示，可通过夹具用以安装被测试的加速度计6，该端放置于温控箱8内，置于温控箱中的长度约为杆长的五分之一，此处，温控箱足够大，金属杆伸进箱内约1/3宽度处即可；微球玻璃薄膜4粘贴置于温控箱外金属杆上且距离冲击端端面大约杆长的三分之一处，约50cm，用于激光反射检测对金属杆进行测速。

金属杆的安放：将金属杆2开有凹口的一端置入温控箱8内，另一端留于外部。为了保证金属杆2的水平，在温控箱8外放置两个支撑平衡体3以保持金属杆2水平固定的同时保证金属杆受到冲击时自由移动。为保证金属杆2在受到冲击过程中在温控箱内不产生较大位移防止金属杆2与温控箱8另一侧壁碰撞，在温控箱8内安装由于金属杆受到冲击对温控箱器壁的过冲保护机构7。

加速度计的安装：将被测试的加速度计6敏感方向安装固定在端部开有凹口的金属杆2上，并置于温控箱8内，将导线12连接出来至加速度计信号放大器9，放大器的信号经导线13输出给计算机15。

激光测速装置的准备：将激光干涉测速仪及数字采样示波器11的激光照射对准调试到粘贴于金属杆2上的玻璃薄膜4上，并衍射光给激光电探测器和数字采样示波器11，调整入射光和反射光10的角度至接收光显示为设定强度，同时设置好信号的触发电平，同样将其数据导线14连接到计算机15上。

设备开启准备：将温控箱8加电，设置好温控程序至一定温度稳定。开启计算机15，由计算机软件设置激光取样阈值电压，取样长度，显示测量范围等。同时将放大器9加电，并给加速度计6上电工作，计算机15进行数据采集。

冲击测试：当温控箱8降温(或升温)至一定温度，并保温恒定一定时间后，开启气动装置，调整压缩空气气压，压缩空气冲击金属锤1击打置于温控箱外的金属杆2一端，计算机15同时记录采集到来自激光和加速度计的时域波形信号，激光反射信号将首先接收到冲击信号，随后被测试加速度计6接收到冲击信号，所形成的应力波在金属杆中传播，在截面为圆形的金属杆中应力波固有的传播速度约为5000m/s。此外，加速度计在温控箱内达到温度平衡的时间也很短，将金属杆2,伸入到温控箱8内的部分约占五分之一，尽量减少整个金属杆对热的吸收和影响。实际上，在实验的温度范围内，比如-40度到100度之间，金属杆的温度变化对金属特性影响很小，对应变波传递速度改变很小，如钢的熔点一般在1500度，不影响测试结果；另外，加速度计6的体积很小，对热的响应也很迅速，即加速度计器件在较短的时间内即可以达到热平衡用于测试。由于反射光的薄膜4和加速度计6的安装位置不在同一位置处，加速度计6在时间的响应上要稍微比激光反射所接收到的信号延迟一些，延迟的时间由应力波在两点之间的距离与应变波速度之比决定。由于应力波的波长脉冲时间很短，金属杆的长度远大于应力波的脉冲时间，应力波在金属杆中一般没有色散，从而延迟的信号在输出电压幅值上并不受到影响。

数据读取与计算：金属杆2受到冲击一般产生为半正弦的应力波，分别读取激光和加速度计输出的第一个波形中波峰的电压值。为了得到被测试加速度计的灵敏度，按照下述公式进行计算，所述高冲击加速度计6的灵敏度，计算机通过S(T)＝U(T)/a进行计算，其中，S(T)是加速度计6在某一温度下的灵敏度，V/g，g＝9.8m/s²；U(T)是加速度计6在该温度下一次冲击过程中输出第一主波形的峰值电压，V；a是由激光测速装置11检测到的同一次冲击过程的加速度。

所述冲击金属杆获得的加速度可以通过金属杆的速度υ与激光衍射光多普勒频移Δf关系确定。金属杆受到瞬时冲击过程，其速度从0变化到最大，又从最大变化到0，衍射光产生的频移Δf(Hz)与金属杆速度υ(m/s)的关系为：θ为激光入射角，λ为激光波长(nm)。即速度由于所测试的速度(加速度)为金属杆的中部，由固体中波的传递特性知，在金属杆末端安装加速度计位置处的速度为2υ，加速度也为2倍关系(H.考尔斯基，《固体中的应力波》，科学出版社，1958年。)金属杆末端中波传递的速度与应变的关系为：υ＝2cε(m/s)，其中c为应力波传递速度(m/s)，ε为相应位置处的应变；而加速度则为由此，温控箱内金属杆尾段安装加速度传感器处的加速度a(m/s²)为：(梁志国，李新良，孙璟宇，连大鸿，《激光干涉法一次冲击加速度计动态特性校准》，《测试技术学报》，2004年V18,N2,pp133-138。)

改变温度的冲击测试：完成一个温度的测试后，按照上述过程将温控箱8设置到另一个温度，按上述步骤依次进行测试，得到另一个温度下加速度计的电压输出，再按照上述公式进行计算。依此类推，即得到不同温度下加速度计的灵敏度数值，即获得了加速度计灵敏度与温度的定量关系。

实验中发现，当温控箱温度升到85度并恒温30分钟后，温控箱外金属杆比如距离加速度计70cm(设总长1.5m)处，其温度升高不到1度。实际上，一旦温度恒定，测试过程在数秒之内即可完成。故而，金属杆上温度变化对加速度计的参数测试没有影响。

在一具体实例中，激光信号触发电平为0.2V，设置采样频率为50MHz，满量程输出电压为10V，并设置一定的采样点数。所述被检测加速度计6所使用放大器9的放大倍数为20倍，‐3dB截止频率大于260kHz。信号放大器9的输出端与所述计算机15的输入端相连接，放大的信号由多通道电压波采集卡获取，最终显示在计算机屏幕上。本实施例中金属杆为铝合金圆杆，长度为1.5m，直径为16mm。在其它实施例中，金属杆还可采用长度为2.0m，直径为20mm或其他规格的钢材料制成。

测试时，所述气动冲击锤1击打水平放置金属杆2的一端产生弹性碰撞产生加速度，在金属杆2碰撞端端面形成压应力波，向所述金属杆2的另一端位于温控箱8端固定加速度计处传播，经过t＝L/3C(微秒)的时间到达微球玻璃薄膜，并由激光干涉仪11记录冲击信号，经过软件计算得到输入的加速度为a(t)。所形成的压应力波再经过约t＝2L/3C的时间到达被测试加速度计响应(L是金属杆的长度，C是金属杆中的应力波的波速)。应变波无损地传递到被检测加速度计5端，由于是金属杆2的自由端，压应力波在此处反射为张应力波叠加成为2倍的a(t)，则被检测加速度计6第一个峰值近似为半正弦电压信号为U(t)，则加速度计的灵敏度为：S＝U(t)/2a(t)。冲击速度由气动装置控制气体压强得到，冲击脉冲波形可由金属杆前端粘贴的整形材料得到。当考虑变温情况下，则对应在每一个温度下T的灵敏度，即S(t)。依次选取不同温度点，即可以得到在不同温度下，加速度计的灵敏度，测量不同温度点，便得到所设定温区内灵敏度随温度的变化关系，即加速度计的热灵敏度漂移。

不难发现，本发明所测试的加速度计始终放置于温控箱之内，而输入的加速度则通过置于温控箱之外的激光干涉装置测试得到，十分容易获得被测试加速度计在一次冲击过程中的输出电压幅值和输入加速度，进而可得到不同温度下被测试加速度计的灵敏度，通过绝对法得到待测加速度计6的灵敏度输出随温度的变化关系。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种冲击型加速度计热灵敏度漂移的测试装置，其特征在于，包括温控箱、金属杆、气动系统、加速度计信号放大器、激光干涉测速装置、和用于数据采样及数据处理的计算机，所述金属杆由一支撑结构水平支撑并可轴向自由移动，该金属杆一端为与气动系统相对中的冲击端，另一端固定待测加速度计并置于温控箱内，所述加速度计的输出信号通过导线输入信号放大器；所述激光干涉测速装置发射激光到金属杆上并接受反射的激光，加速度计信号放大器和激光测速装置输出信号均通过数据导线分别与计算机相连接。

2.根据权利要求1所述的一种冲击型加速度计热灵敏度漂移的测试装置，其特征在于，所述金属杆的置于温控箱内的一端刻有凹口结构或装有夹具以固定待测试的加速度计。

3.根据权利要求2所述的一种冲击型加速度计热灵敏度漂移的测试装置，其特征在于，所述金属杆伸入温控箱内的部分不超过其全长的五分之一。

4.根据权利要求3所述的一种冲击型加速度计热灵敏度漂移的测试装置，其特征在于，所述的置于温控箱外的金属杆上粘贴有微球玻璃薄膜，以接收和反射来自所述激光干涉测速装置发射的激光。

5.根据权利要求4所述的一种冲击型加速度计热灵敏度漂移的测试装置，其特征在于，所述激光干涉测速装置的激光束垂直照射于金属杆上粘贴的微球玻璃薄膜上。

6.根据权利要求5所述的测试装置，其特征在于，所述微球玻璃薄膜粘贴于距离冲击端的金属杆全长的约三分之一至二分之一处。

7.根据权利要求1或6所述的一种冲击型加速度计热灵敏度漂移的测试装置，其特征在于，所述的气动系统包括气动装置和由其推动的冲击锤。

8.根据权利要求7所述的一种冲击型加速度计热灵敏度漂移的测试装置，其特征在于，所述温控箱内固定有金属杆受到冲击锤冲击时的过冲保护机构。

9.根据权利要求8所述的一种冲击型加速度计热灵敏度漂移的测试装置，其特征在于，所述金属杆采用铝合金或钢材料制成，长度为1.5m‐2.0m，直径为16mm‐20mm。

10.一种冲击型加速度计热灵敏度漂移的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将一金属杆水平支撑并使其可轴向自由移动，其一端与一气动系统相对中，另一端固定一待测加速度计并置于一温控箱内；

S2、将加速度计通过一导线与温控箱外的信号放大器相连接，信号放大器通过导线与一计算机相连接；

S3、将一微球玻璃薄膜粘贴固定于温控箱外金属杆上，使一激光干涉测速装置发射的激光对准照射到薄膜上，并将该激光干涉测速装置连接到用于进行数据分析处理的计算机；

S4、开启计算机相应的数据采集系统和显示软件，同时设置好触发电平；

S5、开启温控箱，保持温控箱温度稳定在某一温度处；

S6、接着启动气动系统，使其气动冲击锤冲击置于温控箱外的金属杆的一端，计算机同时记录采集来自激光检测到的加速度和待测加速度计输出的波形信号，分别读取所施加的加速度信号和加速度计输出的电压峰值，通过公式S(T)＝U(T)/a计算得到待测加速度计在该温度下的灵敏度，其中，S(T)是加速度计在某一温度下的灵敏度，V/g，g＝9.8m/s²；U(T)是加速度计在该温度下一次冲击过程中输出主波形的峰值电压，V；a是由激光测速装置检测到的同一次加速度；

S7、改变温控箱温度，重复上述测试步骤，得到不同温度下待测加速度计的灵敏度，即获得了待测加速度计灵敏度与温度的定量关系，通过曲线拟合，得到待测加速度计的热灵敏度漂移随温度的变化关系。