CN112881756A - 三向冲击加速度传感器安装方式有效性检验系统及方法 - Google Patents

三向冲击加速度传感器安装方式有效性检验系统及方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种三向冲击加速度传感器安装方式有效性检验系统及方法，包括检验球、激励球、发射装置、数据采集系统和传感器安装有效性分析单元；检验球上安装三向冲击加速度传感器；激励球用于冲击激励检验球；发射装置为激励球提供初动量，使激励球斜射至检验球，以此保证激励的三向性和可重复性；数据采集系统用于接收和存储冲击时域数据；传感器安装有效性分析单元用于分析处理冲击数据。本申请的有益效果是：发射装置将激励球以可控速度斜射出并与检验球碰撞，用传感器安装有效性分析单元对传感器采集到的冲击时域数据进行处理后，判断该三向冲击加速度传感器在此安装方式下进行航天器冲击响应测试是否有效。

Description

三向冲击加速度传感器安装方式有效性检验系统及方法
技术领域
本公开涉及航天动力学环境试验领域，具体涉及一种三向冲击加速度传感器安装方式有效性检验系统及方法。
背景技术
航天器上使用了大量的火工装置来完成一些特定的功能，如部段分离、设备驱动等。这些火工品装置工作时，会在航天器结构上引起的强烈的高频机械冲击环境，称作爆炸分离冲击环境。爆炸分离冲击主要是由于火工品爆炸压力、分离结构断裂时应变能释放或分离装置结构碰撞等产生的冲击波在结构中不断传播、反射过程中，激起结构的冲击响应。火工分离装置的工作原理和分布形式不同，导致其产生的爆炸分离冲击环境量级和频率成分有所不同。但是都具有冲击加速度幅值高、持续时间短、频响范围宽等特点，它对航天器上的仪器设备产生不利的影响，特别是对电子产品、轻薄结构、脆性材料的破坏作用尤为明显。国内外航天史上，曾发生大量由爆炸冲击环境导致的飞行故障。
工程中，主要用冲击加速度时间历程及其冲击响应谱作为衡量爆炸分离冲击环境条件的参考量。由于爆炸冲击响应仿真分析水平的限制，获取爆炸冲击环境主要通过试验测量来实现，以便为制定环境条件和冲击试验控制提供依据。工程上，主要用冲击加速度作为描述和分析爆炸冲击的基础参数，并以冲击响应谱作为评估冲击环境对产品的影响程度和制定试验条件的依据。爆炸冲击分离试验或模拟试验中采用三向冲击加速度传感器主要以压电式或压阻式加速度计为主，某些情况下可采用多普勒激光干涉仪测量冲击的速度。鉴于多普勒测量设备的使用限制和普及率不高，主要使用加速度计进行冲击测量。
由于仪器设备安装环节及内部结构的对高频信号的衰减特性，除了爆炸源近区外，对产品产生破坏的频率成分主要考虑10kHz以下(通常10kHz以上的频率成分对箭上仪器设备不构成损伤)，所以，制定条件或试验模拟时主要考虑10kHz以下的频率响应。鉴于爆炸分离冲击环境的高幅值、宽频响的特点，特分析频带以上的高频成分可能过度激发测量系统的响应，对该环境的测量提出了严峻挑战。因此，三向冲击加速度传感器的安装频率至关重要，尤其对高频段响应，如果安装方式不当会对冲击响应有一定的放大作用，严重影响航天器抗冲击性能的正常评价，目前亟需正确高效的三向冲击加速度传感器安装方式检验方法。
发明内容
本申请的目的是针对以上问题，提供一种三向冲击加速度传感器安装方式有效性检验系统及方法。
第一方面，本申请提供一种三向冲击加速度传感器安装方式有效性检验系统，包括检验球、激励球、发射装置、数据采集系统以及传感器安装有效性分析单元；所述检验球上安装若干三向冲击加速度传感器；所述激励球用于撞击所述检验球；所述发射装置用于控制激励球的入射角度并为激励球提供初动量；所述数据采集系统与各个所述三向冲击加速度传感器连接，用于接收和存储各个三向冲击加速度传感器采集的冲击时域数据；所述传感器安装有效性分析单元，用于处理数据采集系统采集到的数据，分析得出三向冲击加速度传感器的安装方式是否有效的结论。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述检验球上切削有至少一个安装平面。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述安装平面上设有传感器安装孔，用于安装三向冲击加速度传感器或者传感器安装座。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述检验球的材料设置为钢质。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述检验球的基频大于等于50kHz。
第二方面，本申请提供一种三向冲击加速度传感器安装方式有效性检验方法，包括以下步骤：
将三向冲击加速度传感器安装在检验球上；
将检验球悬吊；
根据三向冲击加速度传感器的测试频率范围选择激励球；
将激励球放入发射装置，设置发射装置角度，使得激励球按照激励球与检验球中心连线的方向出射；
将数据采集系统与三向冲击加速度传感器信号连接；
将激励球以目标势能释放激励检验球；
数据采集系统采集三向冲击加速度传感器的数据；
运用传感器安装有效性分析单元处理采集到的时域数据，根据分析结果得出结论。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述根据三向冲击加速度传感器的测试频率范围选择激励球，具体包括：根据三向冲击加速度传感器的测试频率范围选择激励球的材质及大小。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述将激励球以目标势能释放激励检验球，之后包括：激励球撞击检验球的激励区域，激励球撞击检验球后弹开，测量结束。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述运用传感器安装有效性分析单元处理采集到的时域数据，根据分析结果得出结论，具体包括：
对采集的时域数据进行傅里叶变换，得到傅里叶谱；
计算傅里叶谱在目标频带的平坦度；
当目标频带内傅里叶谱未出现峰值且傅里叶谱平坦度在±10％内则表示三向冲击加速度传感器的安装方式属于有效安装方式。
本发明的有益效果：本申请提供一种三向冲击加速度传感器安装方式有效性检验系统及方法，三向冲击加速度传感器采集激励球与检验球碰撞时产生冲击时域数据，传感器安装有效性分析单元对冲击时序数据进行处理后得出该三向冲击加速度传感器在检验球上的安装方式是否有效，进而使得该三向冲击加速度传感器采用该安装方式进行航天器抗冲击性能测试时能够准确测量冲击数值，不会造成放大作用，在不影响航天器寿命和能力的前提下大幅提升了三向冲击加速度传感器测量的可靠性。本申请的检验系统便携简单、普适性强，占用空间小。
附图说明
图1为本申请第一种实施例的原理示意图；
图2为本申请第一种实施例中检验球的结构示意图；
图3为本申请第二种实施例的流程图；
图中所述文字标注表示为：1、检验球；2、激励球；3、数据采集系统；4、发射装置；5、三向冲击加速度传感器；6、传感器安装有效性分析单元；11、安装平面；111、固定孔。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本申请进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本申请的保护范围有任何的限制作用。
实施例1
如图1所示，本实施例涉及一种三向冲击加速度传感器5安装方式有效性检验系统，包括检验球1、激励球2、数据采集系统3、发射装置4以及传感器安装有效性分析单元6；所述检验球1上安装三向冲击加速度传感器5；所述激励球2用于撞击所述检验球1；所述发射装置4用于以指定方向和速度发射激励球2；所述数据采集系统3与所述三向冲击加速度传感器5信号连接，用于采集各个三向冲击加速度传感器5测得的数据；所述传感器安装有效性分析单元6采用数据分析方法，对测得的冲击数据进行数据处理，以此评价传感器安装方式的有效性。
本实施例中，三向冲击加速度传感器5安装在检验球1上，发射装置4累计势能后释放给予激励球2初动量，激励球2瞬时撞击在检验球1上使得检验球1瞬时产生冲击响应，三向冲击加速度传感器5对冲击响应进行采集，数据采集系统3接收三向冲击加速度传感器5的数据，并传送给与数据采集系统信号连接的传感器安装有效性分析单元6，传感器安装有效性分析单元6运用有效性检验方法分析三向冲击加速度传感器5的数据后判断三向冲击加速度传感器5的安装方式是否适用于航天器冲击测量试验系统。本实施例中，激励球2的入射方向应与三向冲击加速度传感器5的安装面呈30°-60°的角度，以此保证三向冲击加速度传感器5的三个方向均可以采集到足够的冲击响应。
本实施例中，如图2所示，所述检验球1设置为球体，并在球体上切削出两个安装平面11。在其他实施例中，安装平面11不少于一个。
本实施例中，检验球1球体直径等于60mm，在其他实施例中，检验球1的球体直径大60mm。安装平面11直径等于20mm，且可以检验球四个安装面上同时安装三向冲击加速度传感器5。在其他实施例中，安装平面11直径大于15mm，若需要安装大型尺寸的三向冲击加速度传感器5(如356B43)需要将安装平面11设计成直径为30mm。
在一优选实施方式中，如图2所示，所述安装平面11上设有传感器安装孔111，所述安装孔111用于安装传感器或者安装传感器的安装座。本优选实施方式中，三向冲击加速度传感器5通过安装孔111固定安装在检验球1安装平面11上。本实施例中，同一个三向冲击加速度传感器5可直接安装在图中一个安装平面上，也可通过安装座安装在另一安装平面上，本实施例检验系统的目的就是检验同一型号的三向冲击加速度传感器5选用哪种安装方式较好。本优选实施方式中，一个安装平面上设有可安装三向冲击加速度传感器5的固定孔，另一安装平面上设有可安装三向冲击加速度传感器5安装座的固定孔。
优选地，所述检验球1的材料设置为钢质。在其他实施例中，检验球1的材料还可设置为铜质或铝质。
优选地，激励球2的材料可选用铝质、铜质或钢质。
优选地，激励球2的直径小于等于20mm。
优选地，发射装置4中的推力来源可以是势能，也可以是火药、电能等，冲击量级要求不高时，以安全高效的势能为优选。
在一优选实施方式中，所述检验球1的基频大于等于20kHz。本优选实施方式中，检验球1的基频选用大于等于航天器测试频响上限的2倍，基频越高越好。
实施例2
如图3所示，本实施例涉及一种三向冲击加速度传感器安装方式有效性检验方法，本实施例是利用实施例1的检验系统进行检验的方法，包括以下步骤：
S1、将三向冲击加速度传感器安装在检验球上。
本步骤可将两个同一型号的三向冲击加速度传感器以直接安装以及通过安装座安装两种方式安装在检验球的安装平面上，也可将不同型号的三向冲击加速度传感器以同一种安装方式安装在安装平面上，或者将不同型号的三向冲击加速度传感器以不同的安装方式安装在安装平面上。
S2、将检验球悬吊。
检验球连同安装在其上的三向冲击加速度传感器一起吊装悬挂。
S3、根据三向冲击加速度传感器的测试频率范围选择激励球。
本步骤，根据要测试的三向冲击加速度传感器的采样频率选择激励球的材质及体积。激励球的材质可选用铝质、铜质或钢质。本实施例中，激励球的直径选用小于或等于20mm。本实施例中，激励球的激励频率可制成为10000Hz、15000Hz及20000Hz。
S4、将激励球放入发射装置，设置发射装置角度，使得激励球按照激励球与检验球中心连线的方向出射。
本步骤中，发射装置通过将弹性势能转化为激励球动能，将激励球沿预定方向按预定速度发射。在其他实施例中，发射装置的动能来源还可以设置为电能或者火药内能。
S5、将数据采集系统与三向冲击加速度传感器信号连接。
S6、将激励球以目标势能释放激励检验球。
本步骤，激励球撞击检验球的激励区域，激励球撞击检验球后弹开，测量结束。
检验球的激励区域是指检验球上除安装平面外的弧面。激励球撞击检验球后，激励球受到碰撞被弹开，数据采集单元采集撞击前后一段时间内的三向冲击加速度传感器的时域冲击数据。
调整激励球的入射角度使之与检验球侧碰以保证传感器产生三个方向的冲击响应，通过控制势能来控制激励球的入射速度，保证每次入射状态不变。本实施例中，激励球的入射方向应与三向冲击加速度传感器的安装面呈30°-60°的角度，以此保证三向冲击加速度传感器的三个方向均可以采集到冲击响应。
S7、数据采集系统采集三向冲击加速度传感器的数据。
数据采集系统连接冲击加速度传感器，并将接收和存储三向冲击加速度传感器采集到的时域冲击数据。
S8、运用传感器安装有效性分析单元处理采集到的时域数据，根据分析结果得出结论。
本步骤中，对采集的时域数据进行傅里叶变换，得到傅里叶谱，观察傅里叶谱内是否出现数据峰值；计算傅里叶谱在目标频带的平坦度；当目标频带内傅里叶谱不出现峰值且傅里叶谱平坦度δ在±10％内则表示三向冲击加速度传感器的安装方式属于有效安装方式，平坦度δ计算公式：δ＝(AMAX-AMIN)/(AMAX+AMIN)<10％，其中AMAX和AMIN分别为冲击加速度响应在目标频带的最大值和最小值。以PCB传感器356B50的安装方式有效性检验方法为例，该传感器有两种安装方式，即直接安装于安装平面上或通过安装座安装在安装平面上，实施步骤如下：
预先在检验球的安装平面配打固定孔，将三向冲击加速度传感器分别以直接安装以及通过安装座安装两种方式安装在安装平面上；
将检验球悬吊；
将三向冲击加速度传感器与数据采集单元连接，数据采集单元开始采集数据；
用发射装置将激励球以指定速度和方向发射出去，碰撞检验球的激励区域，数据采集系统记录冲击加速度的时域数据并发送至传感器安装有效性分析单元；
运用传感器安装有效性分析单元对冲击前后的0.32s时域信号截取后进行傅里叶变换，并观察傅里叶谱是否出现峰值并计算其平坦度δ是否小于10％，计算公式为δ＝(AMAX-AMIN)/(AMAX+AMIN)<10％，其中AMAX和AMIN分别为冲击加速度响应在目标频带的最大值和最小值。
试验后发现356B50直接安装时傅里叶谱内无峰值，且平坦度小于百分之十，通过安装座安装时傅里叶谱在6000Hz处有峰值，说明该传感器适合直接安装在安装平面上而不能通过安装座的方式安装在安装平面上，因此对该传感器的后续冲击测试实验中的安装方式起到指导作用。
本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将申请的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本申请的保护范围。

Claims (9)

1.三向冲击加速度传感器安装方式有效性检验系统，其特征在于，包括检验球、激励球、发射装置、数据采集系统以及传感器安装有效性分析单元；所述检验球上安装若干三向冲击加速度传感器；所述激励球用于撞击所述检验球；所述发射装置用于控制激励球的入射角度并为激励球提供初动量；所述数据采集系统与各个所述三向冲击加速度传感器连接，用于接收和存储各个三向冲击加速度传感器采集的冲击时域数据；所述传感器安装有效性分析单元，用于处理数据采集系统采集到的数据，分析得出三向冲击加速度传感器的安装方式是否有效的结论。
2.根据权利要求1所述的三向冲击加速度传感器安装方式有效性检验系统，其特征在于，所述检验球上切削有至少一个安装平面。
3.根据权利要求2所述的三向冲击加速度传感器安装方式有效性检验系统，其特征在于，所述安装平面上设有传感器安装孔，用于安装三向冲击加速度传感器或者传感器安装座。
4.根据权利要求3所述的三向冲击加速度传感器安装方式有效性检验系统，其特征在于，所述检验球的材料设置为钢质。
5.根据权利要求4所述的三向冲击加速度传感器安装方式有效性检验系统，其特征在于，所述检验球的基频大于等于50kHz。
6.应用权利要求5所述的检验系统的三向冲击加速度传感器安装方式有效性检验方法，其特征在于，包括以下步骤：
将三向冲击加速度传感器安装在检验球上；
将检验球悬吊；
根据三向冲击加速度传感器的测试频率范围选择激励球；
将激励球放入发射装置，设置发射装置角度，使得激励球按照激励球与检验球中心连线的方向出射；
将数据采集系统与三向冲击加速度传感器信号连接；
将激励球以目标势能释放激励检验球；
数据采集系统采集三向冲击加速度传感器的数据；
运用传感器安装有效性分析单元处理采集到的时域数据，根据分析结果得出结论。
7.根据权利要求6所述的三向冲击加速度传感器安装方式有效性检验方法，其特征在于，所述根据三向冲击加速度传感器的测试频率范围选择激励球，具体包括：根据三向冲击加速度传感器的测试频率范围选择激励球的材质及大小。
8.根据权利要求6所述的三向冲击加速度传感器安装方式有效性检验方法，其特征在于，所述将激励球以目标势能释放激励检验球，之后包括：激励球撞击检验球的激励区域，激励球撞击检验球后弹开，测量结束。
9.根据权利要求6所述的三向冲击加速度传感器安装方式有效性检验方法，其特征在于，所述运用传感器安装有效性分析单元处理采集到的时域数据，根据分析结果得出结论，具体包括：
对采集的时域数据进行傅里叶变换，得到傅里叶谱；
计算傅里叶谱在目标频带的平坦度；
当目标频带内傅里叶谱未出现峰值且傅里叶谱平坦度在±10%内则表示三向冲击加速度传感器的安装方式属于有效安装方式。
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