CN112415228A - 一种基于激波管的阶跃加速度校准装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种基于激波管的阶跃加速度校准装置，属于计量测试领域。本发明包括激波管激励装置、加速度计安装缸体、加速度计安装活塞、激光测速仪、加速度计、数据采集卡，还包括数据采集计算机。本发明使用激波管产生的压力激波对加速度计进行激励，压力激波作用于激波管端面的气缸装置，推动安装于气缸活塞上的加速度计向前运动，获得加速度计的测量输出；同时布置于加速度计端面另一侧的激光测速仪获得加速度计运动的标准加速度信号，通过对比两路信号实现加速度计校准，能够用于高频响加速度计的冲击校准，有效激励。本发明加速度幅值由调节破膜压力调节，产生的加速度幅值可控，准确度在1％以内。

Description

一种基于激波管的阶跃加速度校准装置

技术领域

本发明涉及一种基于激波管的阶跃加速度校准装置，属于计量测试领域。

背景技术

加速度计校准通常需要冲击机来实现，气炮式冲击机由于具有可产生较大范围的冲击加速度及稳定性好等优点被广泛应用于加速度计校准，气炮式冲击机在校准装置中被用于作为加速度计的激励源。气炮式冲击机产生的波形一般为半正弦波形，波形质量越高，加速度计校准结果越准确。为了在校准过程中产生高质量的波形，需要设计各种形状和尺寸的子弹以及缓冲垫。

在对各种型号的加速度计进行校准时发现当加速度计量程变化较大时，一台气炮式冲击机的激励范围往往不能满足要求，同时对于高g值的加速度计而言，由于其频率响应范围较宽，常规气炮式冲击机产生的波形脉宽无法激励出加速度计的频率特性。为了产生窄脉宽激励波形需要通过提升高压室压力等手段来实现，这会增加高压室和炮管的设计难度以及制造成本，同时也对子弹和缓冲垫的设计提出了较高的要求。同时传统冲击加速度激励装置都是通过固体间的弹性碰撞完成激励，随着水上飞机落水时机体与水流碰撞时加速度测量等需求的出现，通过固体间碰撞产生加速度激励的方式已无法满足部分场景下加速度计的校准需求，需要采用流体对加速度计进行激励校准来解决这一问题。

发明内容

为了解决传统气炮式冲击机产生的波形脉宽较宽，无法满足高响应频率加速度计的激励要求，以及传统气炮式冲击机无法对在流固耦合工况中使用的加速度计进行准确激励校准的问题，本发明公开的一种基于激波管的阶跃加速度校准装置目的是基于激波管提供一种能够进行窄脉宽激励的阶跃加速度校准装置，能够满足高响应频率加速度计的激励要求，以及实现对在流固耦合工况中使用的加速度计进行准确激励校准。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种基于激波管的阶跃加速度校准装置，包括激波管激励装置、加速度计安装缸体、加速度计安装活塞、激光测速仪、加速度计、数据采集卡，还包括数据采集计算机。

激波管作为动态压力校准设备，用于产生上升时间在1微秒以内的阶跃压力；激波管结构主要由高压段、低压段、过渡段、夹膜机、高压气瓶和压力控制阀组成。

加速度计安装装置由缸体和活塞组成，其中缸体通过密封圈和螺纹与激波管低压段端面连接并保持密封；加速度计安装活塞置于缸体内，加速度计安装活塞能够前后自由运动；加速度计安装活塞的一端为平面，用于承受压力激波的激励；加速度计安装活塞另一端加工深度与被校加速度计高度相等，直径略大于被校加速度计外径的凹槽；凹槽底部加工带螺纹的安装孔，通过螺栓与被校加速度计连接。

激光测速仪主要由光束棱镜、激光器、光电接收器以及解调电路组成。

数据采集卡前端接口与被校加速度计以及激光测速仪输出线缆连接，后端与后处理计算机通讯接口连接；后处理计算机安装数据采集处理软件，对采集到的数据进行可视化处理。

作为优选，使用激波管作为加速度计校准激励装置，同时使用气缸结构以及活塞外壁保证加速度计在校准过程中的平稳运行，气缸活塞由底部和圆柱形外壁组成，底部主要承受压力激波激励，外壁主要用于活塞的运动导向。

作为优选，使用激光测速仪对安装于气缸活塞上的加速度计进行加速度测量溯源；激光测速仪通过光学原理测量得到加速度计安装活塞底部在运动过程中的加速度信号；测量信号通过数据采集卡存入数据采集计算机中。

作为优选，通过采集加速度计被激波激励后的阶跃响应幅度值和激光测速仪的加速度测量结果完成加速度计的校准；通过使用数据采集计算机中加速度计和激光测速仪测得的加速度信号峰值和波形，建立二阶系统传递函数，对传递函数中的模型参数进行不确定度评定，实现基于模型的阶跃加速度激励和校准。

本发明公开的一种基于激波管的阶跃加速度校准装置的工作方法为：

在高低压腔接口处放置O形密封圈，并安装膜片；将过渡段安装于低压腔内，随后将高压腔、低压腔和过渡段组装到一起；将加速度计通过螺栓固定在活塞端部的加速度计安装夹具凹槽内，在加速度计安装座凹槽底部粘贴玻璃微珠增加光学反射率；接通激光测速仪电源并开机预热，从而使测量效果更佳；随后向高压室内充气，利用压力传感器对高压腔和低压腔进行压力监测，当达到预设压力值时膜片自动破裂，形成压力激波；压力激波冲击低压腔底端面处的加速度计安装活塞，通过加速度计输出信号以及激光测速仪测量结果的对比，实现阶跃加速度校准。

作为优选，加速度计安装装置主要由缸体和活塞组成，其中缸体采用不锈钢制作。

作为优选，活塞由钛合金材料加工而成。

作为优选，接通激光测速仪电源并开机预热30分钟。

有益效果：

1、针对频响较高的加速度计进行校准时，激励脉宽较宽，无法满足高频响激励，以及无法对流固耦合工况下使用的加速度计进行准确激励校准的问题，本发明公开的一种基于激波管的阶跃加速度校准装置，使用激波管产生的压力激波对加速度计进行激励，压力激波作用于激波管端面的气缸装置，推动安装于气缸活塞上的加速度计向前运动，获得加速度计的测量输出。同时布置于加速度计端面另一侧的激光测速仪获得加速度计运动的标准加速度信号，通过对比两路信号实现加速度计校准，能够用于高频响加速度计的冲击校准。

2、本发明公开的一种基于激波管的阶跃加速度校准装置，采用激波管作为阶跃加速度发生装置，能够产生上升时间非常短的加速度，且阶跃波前沿上升时间控制在1微秒以内。加速度幅值由调节破膜压力调节，产生的加速度幅值可控，准确度在1％以内。与传统冲击校准装置相比，采用激波管作为加速度计校准激励源能够实现对高响应频率加速度计准确、有效的激励。

附图说明

图1是一种基于激波管的阶跃加速度校准装置示意图。

其中：1—空气激波管、2—激波管高压段、3—高低压段装配夹具、4—铝制薄膜、5—激波管低压段、6—加速度计安装缸体、7—加速度计安装活塞、8—激光测速仪、9—加速度计、10—数据采集卡、11—压缩空气瓶、12—气压表、13—减压阀、14—气体连接阀。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1：

如图1所示，本实施例公开的一种基于激波管的阶跃加速度校准装置，由空气激波管1、激波管高压段2、高低压段装配夹具3、铝制薄膜4、激波管低压段5、加速度计安装缸体6、加速度计安装活塞7、激光测速仪8、加速度计9、数据采集卡10、压缩空气瓶11、气压表12、减压阀13、气体连接阀14组成。

本实施例公开的一种基于激波管的阶跃加速度校准装置的装配及工作方法为：

将高低压段装配夹具3的连接螺栓打开，分离空气激波管1的高压段2和低压段5，将加工好的铝制薄膜4安装到高低压装配段3上，随后将高低压段装配。将加速度计9通过底部螺纹连接结构安装在加速度计安装活塞7的凹槽中，并在加速度计安装活塞7的凹槽底部粘贴玻璃微珠，增加端面的光反射系数。接通激光测速仪8电源并开机预热30分钟，调节激光测速仪8镜头焦距使激光聚焦于加速度计安装活塞7凹槽底部粘贴的玻璃微珠表面。

装配完成后打开压缩空气瓶11阀门，释放压缩空气，通过气压表12监测激波管高压段2压力，若压力超过安全范围通过减压阀13释放压缩空气。压缩空气管路通过气体连接阀14与激波管高压段2连接，待高压段2中的气体压力达到特定值后铝制薄膜4破裂，此时在薄膜破裂处产生激波。压力激波作用于加速度计安装活塞后，活塞在加速度计安装缸体6中向前运动，产生所需要的加速度激励信号，从而完成了数值可控的加速度激励过程，同时加速度计安装活塞7以及加速度计9共同向前运动，此时加速度计9测量到加速度信号。加速度计测量得到的信号经数据采集卡10采集并传输后存入数据采集计算机中。

本实施例采用100kPa的压力激波对加速度计进行激励，激励幅值的计算过程如下：

为了增加应力波传递速度及减轻传感器及安装装置质量，拟采用钛合金作为加速度计安装座，加速度计安装座底端直径为5cm，底座与传感及质量为244g，底座与缸体采取间隙配合，两部分之间采用润滑脂进行润滑。接下来以100kPa的激波压力计算加速度计安装座及加速度计在受到激波激励后的加速度值。

加速度计安装座受到的激波激励力为：

F＝P×S＝10⁵×(2.5×10^-2)²×π＝196.25N

根据机械设计手册中的相关内容，钛合金与不锈钢在润滑良好的情况下动摩擦系数μ为0.1，则加速度计安装座在运动过程中受到的摩擦力为：

f＝μ×mg＝0.1×0.244×9.8＝0.24N

则加速度计安装座在受到激励后的合力为：

F_合＝F-f＝196.25-0.24＝196.01N

加速度计及安装座在激波激励下产生的加速度为：

与此同时由于激光多普勒效应，激光测速仪8通过光学原理测量得到加速度计安装活塞7底端在运动过程中的加速度信号。测量信号通过数据采集卡10存入数据采集计算机中。通过对比数据采集计算机中加速度计9和激光测速仪8测得的加速度峰值和波形，得到被校加速度计的灵敏度系数，从而完成基于阶跃加速度激励的加速度计校准过程。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于激波管的阶跃加速度校准装置，包括激波管(1)激励装置、加速度计安装缸体(6)、加速度计安装活塞(7)、激光测速仪(8)、加速度计(9)、数据采集卡(10)，其特征在于：还包括数据采集计算机；

激波管(1)作为动态压力校准设备，用于产生上升时间在1微秒以内的阶跃压力；激波管结构主要由高压段(2)、低压段(5)、过渡段、夹膜机、高压气瓶(11)和压力控制阀组成；

加速度计安装装置由缸体和活塞组成，其中缸体通过密封圈和螺纹与激波管低压段(5)端面连接并保持密封；加速度计安装活塞(7)置于缸体内，加速度计安装活塞(7)能够前后自由运动；加速度计安装活塞(7)的一端为平面，用于承受压力激波的激励；加速度计安装活塞(7)另一端加工深度与被校加速度计(9)高度相等，直径略大于被校加速度计(9)外径的凹槽；凹槽底部加工带螺纹的安装孔，通过螺栓与被校加速度计(9)连接；

激光测速仪(8)主要由光束棱镜、激光器、光电接收器以及解调电路组成；

数据采集卡(10)前端接口与被校加速度计(9)以及激光测速仪(8)输出线缆连接，后端与后处理计算机通讯接口连接；后处理计算机安装数据采集处理软件，对采集到的数据进行可视化处理。

2.如权利要求1所述的一种基于激波管的阶跃加速度校准装置，其特征在于：使用激波管(1)作为加速度计校准激励装置，同时使用气缸结构以及活塞外壁保证加速度计在校准过程中的平稳运行，气缸活塞由底部和圆柱形外壁组成，底部主要承受压力激波激励，外壁主要用于活塞的运动导向。

3.如权利要求1所述的一种基于激波管的阶跃加速度校准装置，其特征在于：使用激光测速仪(8)对安装于气缸活塞上的加速度计(9)进行加速度测量溯源；激光测速仪(8)通过光学原理测量得到加速度计安装活塞(7)底部在运动过程中的加速度信号；测量信号通过数据采集卡(10)存入数据采集计算机中。

4.如权利要求1所述的一种基于激波管的阶跃加速度校准装置，其特征在于：通过采集加速度计(9)被激波激励后的阶跃响应幅度值和激光测速仪(8)的加速度测量结果完成加速度计(9)的校准；通过使用数据采集计算机中加速度计(9)和激光测速仪(8)测得的加速度信号峰值和波形，建立二阶系统传递函数，对传递函数中的模型参数进行不确定度评定，实现基于模型的阶跃加速度激励和校准。

5.如权利要求1、2、3或4所述的一种基于激波管的阶跃加速度校准装置，其特征在于：工作方法为，在高低压腔接口处放置O形密封圈，并安装膜片；将过渡段安装于低压腔内，随后将高压腔、低压腔和过渡段组装到一起；将加速度计(9)安装在加速度计安装夹具的凹槽内，在加速度计安装活塞(7)凹槽底部粘贴玻璃微珠增加光学反射率；接通激光测速仪(8)电源并开机预热，从而使测量效果更佳；随后向高压室内充气，利用压力传感器对高压腔和低压腔进行压力监测，当达到预设压力值时膜片自动破裂，形成压力激波；压力激波冲击低压腔底端面处的加速度计安装活塞(7)，通过加速度计(9)输出信号以及激光测速仪(8)测量结果的对比，实现阶跃加速度校准。

6.如权利要求5所述的一种基于激波管的阶跃加速度校准装置，其特征在于：加速度计安装装置主要由缸体和活塞组成，其中缸体采用不锈钢制作。

7.如权利要求5所述的一种基于激波管的阶跃加速度校准装置，其特征在于：活塞由钛合金材料加工而成。

8.如权利要求5所述的一种基于激波管的阶跃加速度校准装置，其特征在于：接通激光测速仪(8)电源并开机预热30分钟。

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