CN108548942B - 具有真三轴动态加载及测试功能的Hopkinson压杆系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有真三轴动态加载及测试功能的Hopkinson压杆系统及方法，采用真三轴Hopkinson杆装置，通过对三轴高g值加速度计的固定基座(基础)施加一可控的单轴冲击过载，利用弹性基座的泊松效应，在垂直于加载(主轴X)方向的另外两个垂直(副轴Y和Z)方向产生同步过载，借助三轴方向弹性杆获得加速度计三轴g值响应，以实现对三轴高g值加速度计在三个正交方向同时进行动态标定。有益效果是：真三轴Hopkinson杆系统既是激励信号发生器，又是信号采集器。可以避免复杂的解耦结构，且能实现三个方向上的同时加载。该装置也可进行单轴或双轴的动态特性标定，用途广泛，装置操作简单，重复性好，测量精度高。

Description

具有真三轴动态加载及测试功能的Hopkinson压杆系统及 方法
技术领域
本发明属于三轴高g值加速度计的真三轴动态校准技术，涉及一种具有真三轴动态加载及测试功能的Hopkinson压杆系统及方法，采用真三轴Hopkinson杆装置，通过对三轴高g值加速度计的固定基座(基础)施加一可控的单轴冲击过载，利用弹性基座的泊松效应，在垂直于加载(主轴X)方向的另外两个垂直(副轴Y和Z)方向产生同步过载，借助三轴方向弹性杆获得加速度计三轴g值响应，以实现对三轴高g值加速度计在三个正交方向同时进行动态标定。
背景技术
参照图1，文献：Yuan K,Guo W,Su Y,et al.Study on several key problems inshock calibration of high-g accelerometers using Hopkinson bar[J].Sensors andActuators A:Physical,2017,258:1-13，公开了一种对高g值加速度计进行一维动态脉冲标定的方法。该装置包括有气动发射炮管1、子弹2、波形整形器3、标定杆4、应变片5、真空夹具6、高g值加速度计7、阀门控制器8、气源9、定位底座10。进行高g值加速度计7动态标定时，首先利用真空夹具6将待测高g值加速度计7固定于标定杆4末端，使得高g值加速度计7与标定杆4末端界面接触且不限制高g值加速度计7的横向向后运动。然后，利用子弹2冲击标定杆4产生激励脉冲，波形整形器3在子弹2和标定杆4之间对脉冲波形起到整形作用。产生的激励脉冲通过标定杆4加载至高g值加速度计7，利用位于标定杆4表面的应变片5记录激励脉冲，利用一维弹性应力波理论和Hopkinson压杆原理，比较由应变片5记录并导出的激励脉冲和高g值加速度计7的输出，即可对高g值加速度计7进行一维动态脉冲标定。
参照图2，文献：张俊,熊晓燕,姚爱英.可调节式三轴标定台和解耦的设计与研究[J].机床与液压,2017,45(3):159-162.，公开了一种利用三轴振动标定台标定三轴加速度计的方法。该装置包括有X向激振器11、空气轴承12、加速度计13、振动台14、Y向激振器15、定位底座10、Z向激振器16。分别利用X向激振器11、Y向激振器15和Z向激振器16对固定在振动台14上的加速度计13施加三维激振信号，从而实现对加速度计动态特性的三轴同时标定。
实际上，利用单轴动态标定方法对三轴高g值加速度计的三个方向进行逐一标定，一方面复杂耗时、标定精度低，另一方面由于三轴高g值加速度计的动态特性存在轴间耦合，单轴动态标定方法无法测试交叉灵敏度等动态特性。就需要发展对三轴高g值加速度计进行多轴同时标定的方法。参考图2中的可调节式三轴标定台可实现对g值较低的一般加速度计动态特性的三轴标定，一方面由于无法产生过高g值的激励信号，对于幅值超过几万g的高g值加速度计无法进行全量程的动态标定；另一方面这种三轴标定台为了实现对三个方向上的同时加载，需要设计十分复杂的解耦结构承载平台，以实现各自加载方向互不影响，此平台安装有加速度计，在实际操作中很难实现理想的三方向的解耦。同时，这种三轴方向的各自独立加载的同步问题、冲击波构形一致性等实现起来十分复杂。综上，要对三轴高g值加速度计进行动态标定，需要利用三轴冲击脉冲标定的方式进行。而对三轴高g值加速度计进行多轴同时动态脉冲标定时，保证不同方向上的激励信号加载的同时性和冲击波构形的可控是最主要的困难。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种具有真三轴动态加载及测试功能的Hopkinson压杆系统及方法。
技术方案
一种具有真三轴动态加载及测试功能的Hopkinson压杆系统，包括沿X轴为由X轴入射杆17和主轴透射杆22的一维分离式Hopkinson压杆系统；其特征在于还包括气源9、阀门控制器8、炮管1及管内的子弹2、波形整形器3，以及在一维分离式Hopkinson压杆系统中心沿Y轴和Z轴分别加装的透射杆作为四个副轴透射杆23组成的三轴加载系统；气源9通过阀门控制器8连接炮管1，管内的子弹2的方向瞄准波形整形器3，波形整形器3位于X轴入射杆17的前端，X轴入射杆17上设有入射杆液压伺服控制系统18，每根透射杆的端点设有透射杆液压伺服控制系统19，电液伺服控制系统的推杆前端设有标准力传感器；所述入射杆液压伺服控制系统18莅临一加压凸台20；所述X轴入射杆以及每根透射杆上粘贴有应变计5；所述三轴交点处设有弹性金属框21；所述X轴的入射杆与X轴、Y轴和Z轴的透射杆的截面相同，X轴的入射杆与X轴、Y轴和Z轴上液压伺服控制系统至三轴加载系统中心点的长度相同；待测三轴高g值加速度计25置于三轴中心的。
所述入射杆和透射杆采用空心管或圆截面杆。
所述入射杆和透射杆采用四棱柱钛合金杆。
所述X轴入射杆17的截面边长30mm、长度1800mm，主轴透射杆22和副轴透射杆23的截面边长30m、长度1200mm，加压凸台20位于距离入射杆端700mm处，子弹2直径20mm，长度30mm，弹性金属框21为外边长32mm、缘条宽10mm、厚3mm，炮管内径30mm、长度1000mm。
所述应变片5位于距离弹性金属框21的600mm处上下表面，分别粘贴一对应变片。
所述子弹2采用高强度钢。
一种采用所述任一项具有真三轴动态加载及测试功能的Hopkinson压杆系统对三轴高g值加速度计进行动态脉冲标定的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将待测三轴高g值加速度计25通过三个方向上的螺栓24固支于弹性金属框21中心处，将待测三轴高g值加速度计25分别与相邻的三个正交面固定，保证弹性金属框21在三个方向上的变形会引起对加速度计在相应方向上的加载；
步骤2：X方向的入射杆17上的入射杆液压伺服控制系统18，通过加压凸台20对入射杆17施加预压静载；
步骤3：在X方向的主轴透射杆22，以及Y和Z方向的透射杆两端的透射杆液压伺服控制系统19，对弹性金属框21的三个主应力方向施加真三轴预压静载，使其保持稳定的真三轴应力状态；
步骤4：沿X轴方向，控制气压推动子弹2撞击入射杆17进行冲击加载，波形整形器3在子弹2和入射杆17之间对脉冲波形起到整形作用，加载入射波fI(t)沿入射杆17传至弹性金属框21对其进行加载；
加载力一部分在与弹性金属框21接触的界面上产生反射波fR-X(t)沿入射杆17反向传播，另一部分经弹性金属框21传至主轴透射杆22产生主轴透射波fT-X(t)；从而在副轴透射杆产生横向透射波fT-Y1(t)、fT-Y2(t)、fT-Z1(t)和fT-Z2(t)；
步骤5：利用六对应变片5分别记录入射波、反射波、主轴透射波和横向透射波，再利用一维弹性应力波理论和分离式Hopkinson压杆原理计算得到弹性金属框21在三个方向上的实际变形；
步骤6：对比应变片5测得应变信号导出的标准加速度信号与待测三轴高g值加速度计25的实际输出信号，通过对这些信号的解析计算，实现对三轴高g值加速度计25的多轴同时动态脉冲标定，标定包括加速计灵敏度和线性度等动态特性。
有益效果
本发明提出的一种具有真三轴动态加载及测试功能的Hopkinson压杆系统及方法，采用真三轴Hopkinson杆装置，通过对三轴高g值加速度计的固定基座(基础)施加一可控的单轴冲击过载，利用弹性基座的泊松效应，在垂直于加载(主轴X)方向的另外两个垂直(副轴Y和Z)方向产生同步过载，借助三轴方向弹性杆获得加速度计三轴g值响应，以实现对三轴高g值加速度计在三个正交方向同时进行动态标定。
本发明的有益效果是：(1)由于采用三维Hopkinson杆系统，可以实现在不同方向上对三轴高g值加速度计产生动态加载，并利用弹性杆上的应变片采集应变信号，对应变信号进行解析计算即可实现标定。真三轴Hopkinson杆系统既是激励信号发生器，又是信号采集器。(2)采用单发射阀体单气源，避免了三向气源难以解决的同步性问题，巧妙利用弹性变形体的横向泊松效应，并对三轴高g值加速度计在三个方向上进行单侧固支固定，可以同时对三轴高g值加速度计进行三维加载，测试其三维耦合下的动态灵敏度等动态耦合特性。(3)利用三维Hopkinson杆系统进行三轴加载，可以避免复杂的解耦结构，且能实现三个方向上的同时加载。(4)对该装置的子弹形状(锥形、方形、纺锤形截面等)和材料进行设计或采用波形整形器，可以控制加速度激励信号的幅值和脉宽；利用同轴多子弹系统，还可以实现对三轴高g值加速度计动态线性度的标定。(5)将压杆装置改变为拉杆，可实现拉伸过载的标定。(6)该装置也可进行单轴或双轴的动态特性标定，用途广泛，装置操作简单，重复性好，测量精度高。
附图说明
图1是参考文献1提出的单轴高g值加速度计动态标定方法示意图。
图2是参考文献2提出的利用三轴振动标定台标定三轴加速度计的方法示意图。
图3是本发明中利用真三轴Hopkinson杆动态标定三轴高g值加速度计的装置结构示意图。
图4是本发明中待测三轴高g值加速度计与弹性金属框固定位置关系示意图。
图中，1-炮管；2-子弹；3-波形整形器；4-标定杆；5-应变片；6-空气夹；7-高g值加速度计；8-阀门控制器；9-气源；10-定位底座；11-X向激振器；12-空气轴承；13-待测加速度计；14-振动台；15-Y向激振器；16-Z向激振器；17-入射杆；18-入射杆液压伺服控制系统；19-透射杆液压伺服控制系统；20-入射杆加压凸台；21-弹性金属框；22-主轴透射杆；23-副轴透射杆；24-固支螺栓；25-三轴高g值加速度计。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
要解决的技术问题：借鉴参考图2的思路，对参考图1中的单轴动态脉冲标定系统进行改进，利用真三轴Hopkinson杆系统实现三维激励信号同时加载三轴高g值加速度计，即建立三套正交Hopkinson杆装置，将待测加速度计置于交点处，从而对其三个方向同时进行动态脉冲标定。(1)为了保证三轴加载，加速度计需要被固定在交点位置上，而加速度计的原理为敏感元件感受到质量块的惯性力。三轴加载需要加速度计中的质量块能同时在三个方向上产生惯性力，因此加速度计在交点处的固定方式需要进行设计；(2)对三轴高g值加速度计进行多轴同时动态脉冲标定时，需要保证不同方向上的激励脉冲同时到达待测加速度计。动态激励脉冲脉宽一般为十几到几百微秒，如果利用相互独立的激励脉冲发生系统分别沿不同方向对加速度计进行加载，则同时性很难保证。因此需要对不同方向上激励脉冲的发生原理进行设计，从而保证对加速度计在不同方向上加载的同时性。
本发明所采用的技术方案是：如图3所示，建立一套具有真三轴动态加载及测试功能的Hopkinson压杆系统，可以对三轴高g值加速度计进行动态脉冲标定。X、Y和Z轴为两两正交的三个坐标轴，沿X轴为传统的一维分离式Hopkinson压杆系统，包括入射杆17及主轴透射杆22。沿Y和Z轴分别加装一套波导杆作为四个副轴透射杆23，组成三轴加载系统。在三个方向的波导杆交点处放置弹性金属框21，将待测三轴高g值加速度计25通过三个方向上的螺栓24固支于弹性金属框21中心处，如图4所示，将待测三轴高g值加速度计25分别与相邻的三个正交面固定，保证弹性金属框21在三个方向上的变形会引起对加速度计在相应方向上的加载。这里的弹性金属框21即为用于感受X轴过载，并由于自身材料泊松效应在Y和Z方向上产生过载的基座(基础)装置。图4所示为对正方体外形的加速度计进行固定的示意图，对于不同外形的三轴高g值加速度计可设计相应的固定方式。在X方向的入射杆17上加装入射杆液压伺服控制系统18，通过加压凸台20对入射杆17施加预压静载，在X方向的主轴透射杆22，以及Y和Z方向的波导杆两端(对应四个副轴透射杆23)，分别加装透射杆液压伺服控制系统19，从而可以对弹性金属框21的三个主应力方向施加真三轴预压静载，使其保持稳定的真三轴应力状态，载荷大小可以进行精确控制。
在进行三轴标定时，沿X轴方向，控制气压推动子弹2撞击入射杆17进行冲击加载(注：子弹或撞击杆的材料和几何形状改变会产生不同幅值与构形的加载冲击脉冲)，波形整形器3在子弹2和入射杆17之间对脉冲波形起到整形作用，加载入射波fI(t)沿入射杆17传至弹性金属框21对其进行加载。一部分在与弹性金属框21接触的界面上产生反射波fR-X(t)沿入射杆17反向传播，另一部分经弹性金属框21传至主轴透射杆22产生主轴透射波fT-X(t)。由于弹性金属框21的泊松效应产生横向变形，会对副轴透射杆23产生压缩，从而在其中产生横向透射波fT-Y1(t)、fT-Y2(t)、fT-Z1(t)和fT-Z2(t)。利用六个波导杆上的应变片5分别记录入射波、反射波、主轴透射波和横向透射波，利用一维弹性应力波理论和分离式Hopkinson压杆原理即可计算得到弹性金属框21在三个方向上的实际变形。由于在三个方向上采用单侧固支的固定方式，位于弹性金属框21内部的待测三轴高g值加速度计25将在三个方向同时受到高g值脉冲激励，对比利用应变片5测得应变信号导出的标准加速度信号与待测三轴高g值加速度计25的实际输出信号，通过对这些信号的解析计算，即可实现对三轴高g值加速度计25的多轴同时动态脉冲标定，标定包括加速计灵敏度和线性度等动态特性。
具体实施例：
参照图3和图4，本发明采用截面边长30mm、长度1800mm的四棱柱钛合金杆作为入射杆17(根据需要也可采用不同材料空心管，圆截面杆)，并在距离入射杆端700mm处设置入射杆加压凸台20，用于液压伺服控制系统18对入射杆进行加压。主轴透射杆22和副轴透射杆23采用截面边长30m、长度1200mm的四棱柱钛合金杆(根据需要也可采用不同材料空心管，圆截面杆)。所有波导杆粗糙度为0.8，且同轴度和直线度在每米0.05mm偏差内。在六根波导杆上距离弹性金属框21的600mm处上下表面分别粘贴一对120欧姆应变片5。子弹2采用高强度钢，直径20mm，长度30mm。弹性金属框21为外边长32mm、缘条宽10mm、厚3mm的三维TC4钛合金框，将待测三轴高g值加速度计25利用直径8mm的螺栓24固支在弹性金属框21中心位置，如图4所示；采用内径30mm、长度1000mm的不锈钢管作为炮管，管内部研磨抛光，同轴度和直线度在每米0.05mm偏差内。在一平台上通过可调节位置的V型槽支撑件将炮管1、入射杆17、弹性金属框21和主轴透射杆22安装调整在同轴同心线上，再将弹性金属框21和四根副轴透射杆23安装调整在同轴同心线上，保证三轴线两两正交。利用入射杆液压伺服控制系统18和透射杆液压伺服控制系统19对六根波导杆分别施加一定的静压力，以保证其压紧交点处的弹性金属框21。在炮管1后部连接一个进出口口径30mm的手动快速响应开启阀即阀门控制器8，然后将阀门控制器8用内径为30mm的金属管和一个气室连接作为气源9，耐压1MPa。当气源9压力到预定值，打开外管阀8，子弹2发射撞击到入射杆17产生加载。
测试步骤：
第一步：见图3，将子弹2置于炮管1底部，待气源9到预定值，打开阀门控制器8，这时子弹2撞击入射杆17端，六个波导杆上的应变片5分别记录入射波fI(t)、反射波fR-X(t)、主轴透射波fT-X(t)和横向透射波fT-Y1(t)、fT-Y2(t)、fT-Z1(t)和fT-Z2(t)，待测三轴高g值加速度计25同时感知三个方向上的加速度信号；
第二步：基于一维弹性应力波理论和分离式Hopkinson压杆原理，通过分析应变片5上记录的应变信息导出用于标定三轴高g值加速度计25的标准加速度信号；
第三步：对比利用应变片5测得应变信号导出的标准加速度信号与待测三轴高g值加速度计25的实际输出信号，从而得到待测三轴高g值加速度计25的交叉灵敏度、动态线性度等动态多轴耦合特性。

Claims (4)

1.一种具有真三轴动态加载及测试功能的Hopkinson压杆系统，包括沿X轴由X轴入射杆(17)和主轴透射杆(22)组成的一维分离式Hopkinson压杆系统；其特征在于还包括气源(9)、阀门控制器(8)、炮管(1)及管内的子弹(2)、波形整形器(3)，在一维分离式Hopkinson压杆系统中心沿Y轴和Z轴分别加装透射杆作为四个副轴透射杆(23)组成三轴加载系统；气源(9)通过阀门控制器(8)连接炮管(1)，管内的子弹(2)的方向瞄准波形整形器(3)，波形整形器(3)位于X轴入射杆(17)的前端，X轴入射杆(17)上设有X轴入射杆液压伺服控制系统(18)，每根透射杆的端点设有透射杆液压伺服控制系统(19)，液压伺服控制系统的推杆前端设有标准力传感器；所述X轴入射杆液压伺服控制系统(18)莅临一加压凸台(20)；所述X轴入射杆以及每根透射杆上粘贴有应变片(5)；所述三轴交点处设有弹性金属框(21)；所述X轴入射杆与X轴、Y轴和Z轴的透射杆的截面相同，X轴入射杆与X轴、Y轴和Z轴上液压伺服控制系统至三轴加载系统中心点的长度相同；将待测三轴高g值加速度计(25)置于三轴的中心处；
所述X轴入射杆和透射杆采用空心管或圆截面杆；
所述X轴入射杆和透射杆采用四棱柱钛合金杆；
所述应变片(5)位于距离弹性金属框(21)的600mm处上下表面，分别粘贴一对应变片。
2.根据权利要求1所述具有真三轴动态加载及测试功能的Hopkinson压杆系统，其特征在于：所述X轴入射杆(17)的截面边长30mm、长度1800mm，主轴透射杆(22)和副轴透射杆(23)的截面边长30m、长度1200mm，加压凸台(20)位于距离X轴入射杆端700mm处，子弹(2)直径20mm，长度30mm，弹性金属框(21)为外边长32mm、缘条宽10mm、厚3mm，炮管内径30mm、长度1000mm。
3.根据权利要求1所述具有真三轴动态加载及测试功能的Hopkinson压杆系统，其特征在于：所述子弹(2)采用高强度钢。
4.一种采用权利要求1～3所述任一项具有真三轴动态加载及测试功能的Hopkinson压杆系统对待测三轴高g值加速度计进行动态脉冲标定的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将待测三轴高g值加速度计(25)通过三个方向上的螺栓(24)固支于弹性金属框(21)中心处，将待测三轴高g值加速度计(25)分别与相邻的三个正交面固定，保证弹性金属框(21)在三个方向上的变形会引起对待测三轴高g值加速度计在相应方向上的加载；
步骤2：X方向的X轴入射杆(17)上的入射杆液压伺服控制系统(18)，通过加压凸台(20)对X轴入射杆(17)施加预压静载；
步骤3：在X方向的主轴透射杆(22)，以及Y和Z方向的透射杆两端的透射杆液压伺服控制系统(19)，对弹性金属框(21)的三个主应力方向施加真三轴预压静载，使其保持稳定的真三轴应力状态；
步骤4：沿X轴方向，控制气压推动子弹(2)撞击X轴入射杆(17)进行冲击加载，波形整形器(3)在子弹(2)和X轴入射杆(17)之间对脉冲波形起到整形作用，加载入射波fI(t)沿X轴入射杆(17)传至弹性金属框(21)对其进行加载；
加载力一部分在与弹性金属框(21)接触的界面上产生反射波fR-X(t)沿X轴入射杆(17)反向传播，另一部分经弹性金属框(21)传至主轴透射杆(22)产生主轴透射波fT-X(t)；从而在副轴透射杆产生横向透射波fT-Y1(t)、fT-Y2(t)、fT-Z1(t)和fT-Z2(t)；
步骤5：利用六对应变片(5)分别记录入射波、反射波、主轴透射波和横向透射波，再利用一维弹性应力波理论和分离式Hopkinson压杆原理计算得到弹性金属框(21)在三个方向上的实际变形；
步骤6：对比应变片(5)测得应变信号导出的标准加速度信号与待测三轴高g值加速度计(25)的实际输出信号，通过对这些信号的解析计算，实现对三轴高g值加速度计(25)的多轴同时动态脉冲标定，标定包括加速计灵敏度和线性度的动态特性。
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