CN110568222A - 一种冲击型加速度计灵敏度的测试装置与测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种冲击型加速度计灵敏度的测试装置，包括：一金属框架，其顶端设有一固定滑环，一细线穿过所述固定滑环，且细线的一端通过一微环与一金属杆的顶端连接，所述金属杆的顶端加工有第一凹口，第一凹口上安装有一待测加速度计，所述金属杆上还设有与该第一凹口间隔开的第二凹口，该第二凹口上安装有一应变计，所述待测加速度计和应变计与一放大器相连，该放大器通过信号线与一计算机相连。本发明还提供一种测试方法。本发明的冲击型加速度计灵敏度的测试装置结合应变计提取金属杆中的应变及该位置处质点的粒子速度或加速度，并以该粒子速度作为依据用以计算待测试加速度计的灵敏度，简洁、高效并具有较高的准确性。
Description
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灵敏度的测试装置与测试方法。
背景技术
硅微加速度计由于具有体积小、质量轻，能够耐受高冲击并具有快速响应的特点，在冲击检测分析领域中成为重要的核心器件，高冲击加速度计的灵敏度是一个重要的参数，但其灵敏度非常小，需要在瞬时的较高冲击脉冲输入作用下进行表征。
对于高冲击加速度计来说，灵敏度的单位表示为：μV/g/U0，或简单记为μV/g，其中，μV为电压单位，微伏特；U0为加在传感器桥路上的电压，一般为伏特；g为重力加速度，1g＝9.8m/s2。
常规的测试手段，如振动台的振动测量、离心机的静态测量等，难以满足要求。瞬态的高冲击测试方法如自由落杆法、落锤法、霍普金森(Hopkinson)的动态测试法等能够实现这一要求。如，自由落杆法可以实现5000g到2万g(g，1g＝9.8m/s2)的测试；基于激光多普勒和应变计的测速法，即霍普金森法能够实现1万g到10万g，甚至超过20万g以上的量程测试。但霍普金森法测试设备比较复杂和昂贵，操作起来也并不十分简捷。因此，需要简易的方法来测试加速度计的灵敏度等参数。
其中，在金属杆的自由端处，由于边界条件的限制和要求：自由端边界处受到的合力为零的条件。因此，金属杆中传播的一个压缩脉冲波在金属杆自由端反射后变成一个相似的拉伸脉冲波，故而，金属杆自由端处质点的位移、速度和加速度分别等于当压力脉冲波沿金属杆中传播时所产生的位移、速度和加速度的两倍[《固体中的应力波》H.考尔斯基，科学出版社，1958年]。也就是，金属杆中任一位置处(任一位置的质点)的实际速度为金属杆中的声速与该处的应变之积，而自由端处的速度为其2倍。因此，在以应变计为标准的霍普金森法中，一般以此速度作为标准来计算作为输入速度或加速度，且该原理也可应用于自由落杆冲击法中。
自由落杆冲击法是一种简捷的加速度计灵敏度动态冲击测试方法。其原理是：金属杆竖直自由下落，金属杆的一端与地面上放置坚硬的金属砧发生正碰撞，碰撞时间内产生的速度变化用来计算所产生的加速度，在几十微秒的时间内将产生几千到2万g左右的瞬时加速度；同时，固定在金属杆上的加速度计感受到冲击，输出为电压信号。对加速度计电压脉冲主波信号进行积分并除以速度变化，即得到加速度计的灵敏度。作为初步的测试方法，金属杆自由下落的高度用来计算金属杆与金属砧碰撞的初始速度，即质心速度Vc，(h为落高)也是杆的整体速度，同样，金属杆反弹高度被用来计算反弹的初始速度。一般的，自由落杆法中是以金属杆的速度变化作为输入来计算加速度计的灵敏度，如在Endevco参考文献中TP321“Acceleration levels of dropped objects”所描述的。
自由落杆冲击法原理是：在顶端固定有加速度计的金属杆竖直自由下落，金属杆下端与地面上放置坚硬的金属砧发生正碰撞，碰撞产生的速度变化用来计算所产生的加速度。在几十微秒的时间内，随落高不同，将产生几千到几万g的瞬时加速度。固定在金属杆上的加速度计受到冲击输出为电压信号U(t)，对电压脉冲主波信号随时间进行积分并除以金属杆的速度ΔV变化，即得到加速度计的灵敏度。通常的加速度是通过下落速度和金属杆反弹速度来计算的。金属杆下落高度hd可以计算出碰撞时刻的初始速度Vd，而反弹速度Vu通过金属杆反弹高度hu来确定。由于碰撞过程中能量的损失，反弹高度小于自由落体高度，从而反弹速度小于自由下落速度。一般的，金属杆反弹系数k可以通过多次实验测试来确定。
具体地，金属杆从一定高度hd落下，碰撞前一刻的下落速度Vd为：
其中，hd为高度，单位为m，g为重力加速度，单位为m/s2。
而反弹速度Vu为：
其中，hu为反弹高度，单位为m，g为重力加速度，单位为m/s2。
反弹系数定义为：k＝Vu/Vd，
其中，Vd为下落速度，单位为m/s，Vu为反弹速度，单位为m/s。
那么，金属杆碰撞前后绝对速度变化量ΔV为：
ΔV＝Vd+Vu＝(1+k)Vd，
其中，Vd为下落速度，单位为m/s，Vu为反弹速度，单位为m/s，k为反弹系数。
由此，根据定义得到加速度计的灵敏度s为：
其中，U(t)为加速度计的电信号示数，单位为V；A是信号放大倍数，ΔV为金属杆碰撞前后绝对速度变化量，单位为m/s，k为反弹系数，Vd为下落速度，单位为m/s。
在此计算过程中，金属杆自由下落碰撞前的速度Vd，即相当于金属杆的质心速度Vc，也是杆的整体运动速度。即，自由落杆法在其灵敏度计算中是以质心速度Vc来计算加速度计的灵敏度，如恩德福克(Endevco)公司的技术参考文献中TP321“Acceleration levelsofdropped objects”所描述的，以及[陆德仁，鲍海飞等，“高加速度检测冲击加速度传感器的横向响应”，《中国计量学院学报》，2006，12(17)，增刊，p1-p6]中所给出的测试方法。
其中，传统的自由落杆加速定计灵敏度计算方法和公式为[陆德仁，鲍海飞等。高加速度检测冲击加速度传感器的横向响应[J]。中国计量学院学报，2006，12(17)，增刊，p1-p6。]：
其中，h是落体高度(单位：米，m)，k是碰撞恢复系数(单位：无量纲)，在弹性碰撞范围内为常数，与物体和速度大小基本无关，而与碰撞材料和碰撞面特性相关，Vc为一定高度自由落体下金属杆的速度，单位为m/s。
上述做法可近似地用来估算加速度计的灵敏度，但金属杆质心速度与金属杆中某一点处由应力波传播的粒子速度Vp还是存在一定偏差。根据固体中应力波传递的理论可知，在金属弹性极限范围内，碰撞过程中所产生的应力波是以声速c(单位：米/秒，m/s)沿着金属杆传播，在金属杆中任一处的粒子速度为声速与该处的应变之积，即
Vp＝cε，
其中，Vp为金属杆中某一点处由应力波传播的粒子速度，单位为m/s，c为声速，单位为m/s，ε为应变，即长度变化与原长度之比，(单位：无量纲)。
由上述理论可知，在自由落杆法中，金属杆中应力波以声速传递的粒子速度Vp与自由落体的质心速度Vc不同。这样，如果直接采用自由落体的质心速度Vc来计算加速度计的灵敏度，将产生一定的偏差。
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灵敏度的测试装置与测试方法，具有冲击加速度大、直接、快速、安全可靠和较为准确的特点。
为了实现上述目的，本发明提供一种冲击型加速度计灵敏度的测试装置，包括一金属框架，该金属框架的顶端设有一固定滑环，一细线穿过所述固定滑环，且细线的一端通过一微环与一金属杆的顶端连接，所述金属杆的顶端加工有第一凹口，第一凹口上安装有一待测加速度计，所述金属杆上还设有与该第一凹口间隔开的第二凹口，该第二凹口上安装有一应变计，所述待测加速度计和应变计与一放大器相连，该放大器通过信号线与一计算机相连。
所述应变计与三个外接电阻连接以构成一惠斯通电桥，并通过该惠斯通电桥和信号线与该放大器相连，所述惠斯通电桥的其中一对角线位置处与所述放大器的一个输出端相连，另一对角线位置与所述放大器的一个输入端相连。
所述三个外接电阻是阻值规格相同的固定电阻，所述应变计的电阻与三个外接电阻的阻值一致。
所述第二凹口上安装有一与所述应变计并列固定的参考加速度计。
所述第二凹口与第一凹口的距离为金属杆全长的约二分之一到四分之三。
所述应变计的敏感方向沿着所述金属杆的轴向方向；所述第一凹口具有平行于金属杆轴向的光滑平面，所述待测加速度计安装于第一凹口的平面上，第二凹口具有平行于金属杆轴向的光滑平面，所述应变计安装于第二凹口的平面上。
所述金属杆的长度为1.0m-1.5m，直径为16mm-20mm，且所述第一凹口和所述第二凹口的长度为2cm到3cm，深度为1mm到2mm，宽度为9mm到12mm。
金属框架的底座上设有金属砧，且所述金属杆位于所述金属砧的正上方。
所述金属杆上套设有至少一个通过连接横梁固定于所述金属框架上的保护环。
另一方面，本发明提供一种冲击型加速度计灵敏度的测试方法，其特征在于，包括：
S1：搭建一冲击型加速度计灵敏度的测试装置，其包括一金属框架，该金属框架的顶端设有一固定滑环，一细线穿过所述固定滑环，且细线的一端通过一微环与一金属杆的顶端连接，所述金属杆的顶端加工有第一凹口，第一凹口上安装有一待测加速度计，所述金属杆上还设有与该第一凹口间隔开的第二凹口，该第二凹口上安装有一应变计，所述待测加速度计和应变计与一放大器相连，该放大器通过信号线与一计算机相连；
S2：启动与设置计算机；
S3：采用所述细线将金属杆提升至一定高度，释放金属杆；
S4：采用计算机记录应变计的输出电压和待测加速度计的输出电压；
S5：根据所述步骤S4中的应变计的输出电压的最大值来计算金属杆的应变与金属杆的顶端处的最大速度；
S6：对待测加速度计的输出电压信号进行积分计算；
S7：计算待测加速度计的灵敏度，包括：根据所述步骤S5中的金属杆的顶端处的最大速度和所述步骤S6中的待测加速度计的输出电压信号的积分计算结果，得到待测加速度计的灵敏度。
所述步骤S7包括：
步骤S71’：确定速度修正因子；
步骤S72’：基于速度修正因子计算待测加速度计的灵敏度；
其中，速度修正因子m为：
其中，vp为碰撞过程中金属杆的粒子速度，单位为m/s，Vc为一定高度自由落体下金属杆的速度，单位为m/s，c为金属杆中脉冲波传递的声速，单位为m/s，ε为金属杆的应变，h为金属杆的下落高度，单位为m，g为重力加速度，单位为m/s2。
本发明的冲击型加速度计灵敏度的测试装置基于应变计和自由落杆冲击法，利用金属杆自由落体的碰撞冲击过程中产生较高的加速度作为瞬时脉冲冲击信号的激励源，结合应变计提取金属杆中的应变及该位置处质点的粒子速度或加速度，并以该粒子速度作为依据用以计算待测试加速度计的灵敏度，简洁、高效并具有较高的准确性；此外，本发明的测试装置将待测加速度计固定在金属杆顶端，便于加速计的安装，无论是螺栓固定模式还是粘贴固定模式，都比较方便，再者，在顶端安装产生的加速度更大，是金属杆中间位置处的两倍，使得测试结果更准确。
附图说明
图1为根据本发明的一个实施例的冲击型加速度计灵敏度的测试装置的结构示意图。
图2为如图1所示的冲击型加速度计灵敏度的测试装置的金属杆的结构示意图。
图3为如图2所示的金属杆的第一凹口的结构示意图。
图4为如图2所示的金属杆的第二凹口的结构示意图。
图5为如图1所示的冲击型加速度计灵敏度的测试装置的连接有应变计的惠斯通电桥的结构示意图。
图6为如图1所示的冲击型加速度计灵敏度的测试装置的惠斯通电桥和参考加速度计到放大器的连接示意图。
图7为落高为20cm下，在第二凹口处同时固定的待测应变计和参考加速度计的电压输出波形图。
图8为分别固定在金属杆的第一凹口和第二凹口的待测加速度计和参考加速度计的电压输出波形图，其中待测加速度计的输出为上曲线，参考加速度计的输出为下曲线。
图中：
1、金属框架；11、金属砧；12、固定滑环；2、细线；3、金属杆；31第一凹口；32、第二凹口；4、微环；5、待测加速度计；6、应变计；6’、参考加速度计；61、外接电阻；7、放大器；8、计算机；9、保护环；H、惠斯通电桥。
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所示为根据本发明的一个实施例的冲击型加速度计灵敏度的测试装置，其包括：一金属框架1，该金属框架1的底座上设有金属砧11，且其顶端设有一固定滑环12，一细线2穿过所述固定滑环12，且细线2的一端通过一微环4与一金属杆3的顶端连接，且该金属杆3位于所述金属砧11的正上方。由此，细线2可以将金属杆3提起至一定高度，待稳定后释放金属杆3。金属杆3从一定高度垂直于地面自由落下，与地面上放置的金属砧11碰撞，瞬间产生一个高冲击加速度，形成一近似半正弦的脉冲应力波，其持续时间为t0，金属杆从一定高度h自由下落，与金属砧发生碰撞，碰撞速度为反弹速度则由反弹高度确定，自由下落到反弹过程，速度方向发生变化。脉冲时间内，速度变化越快，则加速度越大，加速度a＝Δv/Δt。所述金属杆3上套设有至少一个通过连接横梁固定于所述金属框架1上的保护环9。在本实施例中，保护环9的数量为3个。保护环9用于将金属杆3固定保持在竖直方向，使之在自由下落碰撞后固定在保护环9内。
如图2所示，所述金属杆3为等轴细长的圆柱形金属杆，采用铝合金或钢材料制成，长度为1.5m-2.0m，直径为16mm-20mm，其顶端加工有浅的第一凹口31。之所以选择较为细长的金属杆和凹口位置，是保证产生的单脉冲波从金属杆自由端反射回来时，不叠加到该脉冲波上而影响分析与计算。一般地，金属杆与金属砧碰撞产生的脉冲宽度在50到100微秒，而金属铝杆中声速约为5090m/s。对于铝合金杆，杨式模量E＝78GPa，密度2700千克/m3，则声速：那么，金属杆中所产生的脉冲其波长为0.25m到0.5m，小于1m。因此，选用1m或大于1m长的金属杆，所产生的用来计算的脉冲波不受到自由端面反射波的影响。
如图3所示，该第一凹口31具有平行于金属杆轴向的光滑平面，第一凹口31的平面上安装有一待测加速度计5，第一凹口31的长度为2cm到3cm，第一凹口31的深度为1mm到2mm，第一凹口31的宽度为9mm到12mm。金属杆3的顶端还有所述微环4(如图1)。再请参见图2，待测加速度计5可通过夹具或粘贴固定在所述第一凹口31的平面上。
此外，再请参见图2，该金属杆3上还设有与该第一凹口31间隔开的第二凹口32，第二凹口32尽量距离金属杆3的顶端要比距离另一端远一些，以使得从端面反射的波与入射的波在此处不发生叠加。在本实施例中，所述第二凹口32与第一凹口31的距离为金属杆全长的约二分之一到四分之三，用于作为测量冲击摆锤所产生的加速度。
如图4所示，第二凹口32具有平行于金属杆轴向的光滑平面，该第二凹口32的平面上安装有一应变计6。所述第二凹口32的长度为2cm到3cm，深度为1mm到2mm，宽度为9mm到12mm。其中，对于半径为10mm的金属杆，凹口深度为1mm，则凹口宽度约为8.7mm，近似为9mm；若凹口深度为2mm，则凹口宽度为12mm。可估算出第二凹口32的垂直于金属杆轴向的横截面面积约为10mm2，而整个金属杆圆截面面积为314mm2，那么第二凹口32的轴向截面所占的面积比小于3％，所以第二凹口32的横截面对入射波的反射影响很小，可忽略不计。
再请参见图1，所述待测加速度计5和应变计6与一放大器7相连，所述应变计6为标准箔式(金属薄片式，一般为铜镍或镍铬合金的电阻应变元)应变计，其敏感方向沿着金属杆3的轴向方向，型号为KYOWA KFG-1-120-C1-11L1M2R，电阻为120.4±0.4Ω，放大器7优选为多通道信号放大器。具体地，所述应变计6与三个外接电阻61连接以构成一惠斯通电桥H，并通过该惠斯通电桥H和信号线与该放大器7相连，该放大器7通过信号线与一用于数据采集控制及处理的计算机8相连。其中，计算机数据采集卡采集频率1.25MHz，且放大器7的输出电桥电压于工作点1.65V附近。由此，应变计6粘贴于第二凹口32处，能够更准确的测试应力波传播的质点速度，使得经一定时间后应力波传递到待测加速度计5和应变计6，传感器受到冲击作用后分别产生相应的输出电压信号，经过放大器7输出到计算机8，计算机8同步记录二波形信号。
如图5所示为由应变计6和三个外接电阻61构成的惠斯通电桥H的结构图，其中应变计6的电阻为Rg，其对应变敏感，三个外接电阻61是阻值规格相同的固定电阻。应变计的工作原理是：当将应变计6固定粘贴到金属杆3上，金属杆3受到外力作用发生形变时，应变计将感受到该形变变化，即应变，对应着其电阻增大或减小。
应变ε表示为：
ε＝ΔL/L，
其中，ΔL为长度变化量，单位为m，L为长度，单位为m。
而应变导致电阻的变化在数学上表示为：
ΔR/R＝Ksε，
其中，R为电阻，单位为Ω，ΔR为电阻变化，单位为Ω，Ks为应变计的灵敏度因子(无量纲)，ε为应变。
即，应变计灵敏度因子定义为电阻变化率与应变之比，
其中，应变计6的灵敏度因子Ks一般为2，在本实施例中，所采用的应变计6的灵敏度应变因子为Ks＝2.13±1.0％。如果应变为500×10-6，那么电阻变化为2×500×10-6＝0.1％，对于120Ω(欧姆)的电阻变化就为0.12Ω。
由于应变导致的应变计6的电阻变化非常小，需采用惠斯通电桥H的方式将电阻变化信号转变成电压变化信号。在所述惠斯通电桥H中，三个外接电阻61是阻值规格相同的固定电阻，应变计6的电阻Rg与这三个外接电阻61的阻值一致。
相应地，惠斯通电桥的输出电压Us(t)为：
其中，U0是施加在惠斯通电桥上的电源电压，单位为V，在本实施例中为5V，Ks为应变计的灵敏度因子(无量纲)，ε为应变，A是放大器7的信号放大倍数，在本实施例中为40。
如图6所示为冲击型加速度计灵敏度的测试装置的惠斯通电桥H的安装示意图，其中应变计6固定在第二凹口32上，三个外接电阻61则焊接在金属杆3之外的一印刷电路板上，且三个电阻通过细长的导线连接。所述惠斯通电桥H的其中一对角线位置处与所述放大器7的一个输出端相连，以通过所述放大器7所提供的电源加载稳定的电压，一般在3到5伏，另一对角线位置与所述放大器7的一个输入端相连，以输出信号。
类似地，作为测试目标的待测加速度计5也可以通过与三个加速度计外接电阻组成一惠斯通电桥，并通过惠斯通电桥与所述放大器7相连，或者直接与所述放大器7相连。
此外，为了对输入信号进行比较和监控，在安装应变计6的第二凹口32的位置处，也可与应变计6并列固定一个参考加速度计6’，该用于比较的参考加速度计6’同样通过放大器7提供稳压电源，以及信号输入。
基于上文所述的冲击型加速度计灵敏度的测试装置，所实现的高冲击加速度计灵敏度的测试方法的具体步骤如下：
步骤S1：搭建如上文所述的冲击型加速度计灵敏度的测试装置，具体包括：
步骤S11：应变计的安装与连接：将应变计6安装固定在金属杆3的第二凹口32上，其中，应变计6的敏感方向沿着金属杆3的轴向方向，应变计6与三个外接固定电阻31连接构成惠斯通电桥H，采用信号线将惠斯通电桥H与一放大器7连接，并采用信号线将放大器7与一计算机8连接。
此外，为了对输入信号进行比较和监控，在安装应变计6的位置处，可并列安装一个参考加速度计6’，并同样连接到相应的放大器7和计算机8上。参考加速度计6’的输出为输出电压信号。
步骤S12：待测加速度计5的安装与连接。将一待测加速度计5安装固定在金属杆3的第一凹口31上，其敏感方向沿着金属杆3的轴向方向，采用信号线将待测加速度计5与放大器7相连接，并采用信号线将放大器7与一计算机8连接。待测加速度计5的输出为电压信号。
步骤S13：金属杆3的安放。如图1所示，将金属杆3的底端插入至少一个固定于一金属框架1的保护环9内，该底端与金属框架1的底座上的一金属砧11接触，即发生碰撞的一端，随后将一细线2与金属杆3顶端的一微环4连接，将该细线2穿过固定滑环12。
步骤S2：启动与设置计算机8。开启计算机8和放大器7，并开启所述计算机8上的相应的数据采集系统和显示软件，分别设置软件参数如取样阈值电压、取样长度、显示测量范围、工作电压、放大倍数、数据采集频率、信号脉冲触发通道和电平等。
步骤S3：采用细线2将金属杆3提升至一定高度，释放金属杆3，以进行金属杆3的自由落体冲击试验；
步骤S4：数据采集。金属杆3沿杆轴方向自由落下，与金属砧11碰撞，瞬间产生一个冲击加速度脉冲，在金属杆3上产生半正弦的压应力波，其加速度脉冲时间为t0(单位：秒，S)，经一定时间后应力波先传递到应变计6，然后传递到待测加速度计5，应变计6和待测加速度计5这两种传感器受到冲击作用分别将相应的电信号输出到计算机8，采用计算机8记录应变计6的输出电压和待测加速度计5的输出电压信号。
步骤S5：根据计算机8记录的应变计6的输出电压Us(t)的最大值来计算金属杆3的应变ε与金属杆3的顶端处(即第一凹口31处)的最大速度v(t)。
其中，应变计6的输出电压Us(t)为：
其中，U0为施加在惠斯通电桥H上的电源电压，单位为V，Ks为应变计的灵敏度因子(无量纲)，ε(t)为金属杆3的应变，A是放大器7的信号放大倍数。
经过公式变换，可以得到金属杆3的应变，碰撞过程中，金属杆3的应变ε为：
其中，U(t)为应变计6的输出电压的最大值，U0为施加在惠斯通电桥H上的电源电压，单位为V，Ks为应变计的灵敏度因子，ε为金属杆3的应变，A是放大器7的信号放大倍数。
碰撞过程中，应变计6处，金属杆3的粒子速度为：
v＝cε(t)，
而金属杆3的顶端处的最大速度为v(t)＝2cε(t)，
其中，v为碰撞过程中金属杆3的粒子速度，单位为m/s，v(t)为碰撞过程中金属杆3的顶端处的最大速度，单位为m/s，c为金属杆中脉冲波传递的声速，单位为m/s，ε(t)为金属杆3的应变。
此外，在碰撞过程时间t0内，金属杆顶端的加速度a为：
a＝ΔV/t0＝(v(t)-0)/t0＝2cε(t)/t0，
其中，ΔV为金属杆顶端的加速度a的积分，单位为m/s，v(t)为碰撞过程中金属杆3的顶端处的最大速度，单位为m/s，t0为碰撞过程时间，单位为s，c为金属杆中脉冲波传递的声速，单位为m/s，ε(t)为金属杆3的应变。
步骤S6：对所述步骤S4中的待测加速度计5的输出电压信号进行积分计算。
由于在金属杆3自由落体碰撞过程中，待测加速度计5记录的第一个近似半正弦冲击波形的输出电压信号为Ua(t)，
Ua(t)＝S×a×A，
其中，S为待测加速度计5的灵敏度，单位为μV/g/3.3V，其中3.3V为待测加速度计5的稳压源电压，a为金属杆顶端的加速度，单位为g，A为放大器的放大倍数，设定为20倍(放大器带宽10KHz衰减10％，17KHz衰减30％)。
因此，在时间t0内对待测加速度计5的输出电压信号积分得到，
其中，Ua(t)为待测加速度计5的输出电压信号，单位为μV，t为时间，单位为s，S为待测加速度计5的灵敏度，单位为μV/g/3.3V，其中3.3V为待测加速度计5的稳压源电压，a(t)为金属杆3顶端的加速度，单位为g，A为放大器的放大倍数，设定为20倍(放大器带宽10KHz衰减10％，17KHz衰减30％)，ΔV为金属杆3顶端的加速度的积分，单位为m/s。
如图7所示为对应为在落高为20cm下，在第二凹口处同时固定的应变计6和参考加速度计6’的输出电压随时间的输出波形。由图7可知，当应变计6的输出电压信号由最低从0变化到最大时，参考加速度计6’的输出电压信号从0变化到最大，又回到0点，输出了一个近似半正弦的脉冲输出波形，应变计6的输出电压信号的曲线斜率最大处所对应加速度最大。应变计6的输出电压信号最大时，且参考加速度计6’的输出电压信号回到0位时，此时应变计6所测量的粒子速度达到最大。应变计6的输出电压信号可用来计算金属杆3中该位置处的速度和加速度。
如图8所示是分别固定在金属杆3的第一凹口和底端的待测加速度计5和参考加速度计6’的输出电压随时间的输出波形，其中待测加速度计5的输出为上曲线，参考加速度计6’的输出为下曲线。二者是同种类型的加速度计。可以看出，下曲线记录的恰是金属杆碰撞后，向金属杆顶端传播的压应力波，而随后的波恰为反射的张应力波，二者电压幅度值相等；而图中上曲线记录的加速度计输出电压幅值几乎等于入射波和反射波二波叠加作用下的输出结果。除了理论依据外，这恰是该测试方法的试验依据。
步骤S7：计算待测加速度计5的灵敏度，具体包括：根据所述步骤S5中的金属杆3的顶端处的最大速度和所述步骤S6中的待测加速度计5的输出电压信号的积分计算结果，得到待测加速度计5的灵敏度S。
其中，待测加速度计5的灵敏度S表示为加速度计的电压输出与输入加速度之比。输入的速度或加速度由应变计输出信号来确定。根据应变计和待测加速度计5的输出，待测加速度计5的灵敏度S为：
其中，为待测加速度计5的输出电压信号的积分计算结果，U(t)为待测加速度计5的输出电压信号，单位为μV，t为时间，单位为s，S为待测加速度计5的灵敏度，单位为μV/g/3.3V，其中3.3V为待测加速度计5的稳压源电压，A为放大器的放大倍数，设定为20倍(放大器带宽10KHz衰减10％，17KHz衰减30％)，vp为碰撞过程中金属杆3的粒子速度，单位为m/s，c为金属杆中脉冲波传递的声速，单位为m/s，ε为金属杆3的应变。
在该公式中，由于v(t)＝2cε，因此可以采用所述步骤S5中的金属杆3的顶端处的最大速度v(t)来代入该公式。
此外，所述步骤S7也可采用基于落高进行速度修正后的公式来计算，即所述步骤S7通过下述的方法进行。
步骤S71’：确定速度修正因子m。
由于金属杆3的碰撞过程中应力波的产生与传播，其粒子速度Vp(Vp＝cε)并不等于金属杆落高所产生的速度Vc(单位：m/s)。这无疑带来误差。但二速度比有一定比例关系，速度修正因子m＝Vp/Vc，在一定高度范围内速度修正因子m是常数。
其中，速度修正因子m为：
其中，vp为碰撞过程中金属杆3的粒子速度，单位为m/s，Vc为一定高度自由落体下金属杆3的速度，单位为m/s，c为金属杆中脉冲波传递的声速，单位为m/s，ε为金属杆3的应变，h为金属杆3的下落高度，单位为m，g为重力加速度，单位为m/s2。
步骤S72’：基于速度修正因子m计算待测加速度计5的灵敏度。
所述待测加速度计5的灵敏度为：
其中，为待测加速度计5的输出电压信号的积分计算结果，U(t)为待测加速度计5的输出电压信号，单位为μV，t为时间，单位为s，S为待测加速度计5的灵敏度，单位为μV/g/3.3V，其中3.3V为待测加速度计5的稳压源电压，A为放大器的放大倍数，设定为20倍(放大器带宽10KHz衰减10％，17KHz衰减30％)，Vc为一定高度自由落体下金属杆的速度，单位为m/s，h为金属杆3的下落高度，单位为m，g为重力加速度，单位为m/s2，m为速度修正因子，其通过计算同样落高h下，金属杆3的粒子速度Vp＝cε和由公式的速度Vc比值来确定。
实验结果
对于金属杆3的落高分别为15cm，20cm和25cm，试验测试应变计最大输出电压分别为34mV，39mV和44mV。可以看出，应变计6的电压输出与金属杆落高明显地具有线性关系。应变计算分别为：
ε＝0.413×10-3＝413μe。
相应的粒子速度与金属杆质心速度的计算。通过计算得到分别是：
对于落高15cm，
Vp＝cε＝5090×0.32×10-3＝1.628m/s，
而自由落体质心速度为
若以粒子速度为标准，而这存在(1.71-1.628)/1.628＝5.0％偏差，速度修正因子m＝Vp/Vc＝1.628/1.71＝0.952。
对于落高20cm，
Vp＝1.862m/s，
质心速度Vc＝1.97m/s，存在5.8％的偏差，速度修正因子m＝Vp/Vc＝1.86/1.97＝0.944。
对于落高25cm，
Vp＝2.10m/s，Vc＝2.21m/s，存在5.0％的偏差，速度修正因子m＝Vp/Vc＝2.10/2.21＝0.950。综合上述计算，在所测试的落高范围内，速度修正因子m约为0.95，则速度修正后基于落高的加速度计计算修正公式为：
根据实验结果，将待测加速度计5固定在金属杆顶端的第一凹口31处，选定落高20cm，得到待测加速度计5的最大输出电压为94.9mV，脉冲宽度57.6us，速度修正因子m若以0.9计算，则得到灵敏度为S＝0.373μV/g/3.3V，若以落高速度修正后系数m＝0.95来计算，则灵敏度为S＝0.357±0.005μV/g/3.3V，即存在5％的偏差。而这与固定在靠近金属杆中间部位固定的待测加速度计测试得到的灵敏度一致，0.362μV/g±0.008μV/g/3.3V。
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灵敏度的测试装置，其特征在于，包括一金属框架(1)，该金属框架(1)的顶端设有一固定滑环(12)，一细线(2)穿过所述固定滑环(12)，且细线(2)的一端通过一微环(4)与一金属杆(3)的顶端连接，所述金属杆(3)的顶端加工有第一凹口(31)，第一凹口(31)上安装有一待测加速度计(5)，所述金属杆(3)上还设有与该第一凹口(31)间隔开的第二凹口(32)，该第二凹口(32)上安装有一应变计(6)，所述待测加速度计(5)和应变计(6)与一放大器(7)相连，该放大器(7)与一计算机(8)相连。
2.根据权利要求1所述的冲击型加速度计灵敏度的测试装置，其特征在于，所述应变计(6)与三个外接电阻(61)连接以构成一惠斯通电桥(H)，并通过该惠斯通电桥(H)和信号线与所述放大器(7)相连，所述惠斯通电桥(H)的其中一对角线位置处与所述放大器(7)的一个输出端相连，另一对角线位置与所述放大器(7)的一个输入端相连。
3.根据权利要求2所述的冲击型加速度计灵敏度的测试装置，其特征在于，所述三个外接电阻(61)是阻值规格相同的固定电阻，所述应变计(6)的电阻与三个外接电阻(61)的阻值一致。
4.根据权利要求1所述的冲击型加速度计灵敏度的测试装置，其特征在于，所述第二凹口(32)上安装有一与所述应变计(6)并列固定的参考加速度计(6’)。
5.根据权利要求1所述的冲击型加速度计灵敏度的测试装置，其特征在于，所述第二凹口(32)与第一凹口(31)的距离为金属杆全长的二分之一到四分之三。
6.根据权利要求1所述的冲击型加速度计灵敏度的测试装置，其特征在于，所述应变计(6)的敏感方向沿着所述金属杆(3)的轴向方向；所述第一凹口(31)具有平行于金属杆轴向的光滑平面，所述待测加速度计(5)安装于第一凹口(31)的平面上，第二凹口(32)具有平行于金属杆轴向的光滑平面，所述应变计(6)安装于第二凹口(32)的平面上。
7.根据权利要求1所述的冲击型加速度计灵敏度的测试装置，其特征在于，所述金属杆(3)的长度为1.0m-1.5m，直径为16mm-20mm，且所述第一凹口(31)和所述第二凹口(32)的长度为2cm到3cm，深度为1mm到2mm，宽度为9mm到12mm。
8.根据权利要求1所述的冲击型加速度计灵敏度的测试装置，其特征在于，所述金属杆(3)上套设有至少一个通过连接横梁固定于所述金属框架(1)上的保护环(9)。
9.一种冲击型加速度计灵敏度的测试方法，其特征在于，包括：
步骤S1：搭建一冲击型加速度计灵敏度的测试装置，其包括一金属框架(1)，该金属框架(1)的顶端设有一固定滑环(12)，一细线(2)穿过所述固定滑环(12)，且细线(2)的一端通过一微环(4)与一金属杆(3)的顶端连接，所述金属杆(3)的顶端加工有第一凹口(31)，第一凹口(31)上安装有一待测加速度计(5)，所述金属杆(3)上还设有与该第一凹口(31)间隔开的第二凹口(32)，该第二凹口(32)上安装有一应变计(6)，所述待测加速度计(5)和应变计(6)与一放大器(7)相连，该放大器(7)通过信号线与一计算机(8)相连；
步骤S2：启动与设置计算机(8)；
步骤S3：采用所述细线(2)将金属杆(3)提升至一定高度，释放金属杆(3)；
步骤S4：采用计算机(8)记录应变计(6)的输出电压和待测加速度计(5)的输出电压；
步骤S5：根据所述步骤S4中的应变计(6)的输出电压的最大值来计算金属杆(3)的应变与金属杆的顶端处的最大速度；
步骤S6：对待测加速度计(5)的输出电压信号进行积分计算；
步骤S7：计算待测加速度计(5)的灵敏度，包括：根据所述步骤S5中的金属杆(3)的顶端处的最大速度和所述步骤S6中的待测加速度计(5)的输出电压信号的积分计算结果，得到待测加速度计(5)的灵敏度。
10.根据权利要求9所述的冲击型加速度计灵敏度的测试方法，其特征在于，所述步骤S7包括：
步骤S71’：确定速度修正因子；
步骤S72’：基于速度修正因子计算待测加速度计(5)的灵敏度；
其中，速度修正因子m为：
其中，vp为碰撞过程中金属杆(3)的粒子速度，单位为m/s，Vc为一定高度自由落体下金属杆(3)的速度，单位为m/s，c为金属杆中脉冲波传递的声速，单位为m/s，ε为金属杆(3)的应变，h为金属杆(3)的下落高度，单位为m，g为重力加速度，单位为m/s2。
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