高量值加速度計的衝擊校準技術及其裝置的製作方法

2023-11-05 01:15:02 3

專利名稱：高量值加速度計的衝擊校準技術及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬高g值加速度計衝擊校準技術及其裝置。
由於現在生產的高g值加速度計只給出在低g值一般為160Hz數十g時正弦加載的電荷靈敏度，而且在強衝擊作用下的電荷靈敏度與振動靈敏度不同，加之加速度計的靈敏度在使用過程中也會發生一定程度的變化。所以為了在高g值情況下可靠地使用加速度計，需對加速度計進行衝擊校準。現在的衝擊測量常常使用壓電式加速度計，對此種加速度計的衝擊校準，普遍採用速度增量法，把被校加速度計安裝在一個可沿滑軌運動的砧子上，當砧子受到加載裝置的衝擊力作用時，從靜止轉入加速度狀態，其最終達到的末速度就是加速度脈衝形成的速度增量。這樣加速度計的絕對法衝擊校準是要採用一種可靠的測試技術，對砧子受衝擊後的末速度進行精確測量，以便與加速度計輸出曲線下的面積進行比對。現有的測速法有光切割法、霍普金森杆法、雷射幹涉法。霍普金森杆法是用長2m的空氣炮發射的子彈撞擊粘有應變片的一根鈦合金棒，實際上是用應變計來校準加速度計，屬於相對校準，應變片及其粘結劑在強衝擊條件下的動態特性末作校準，而且鈦合金棒中縱波速度也不易精確測量，此法的校準不確定度為土6％。光切割法是用被子彈撞擊的砧子相繼切割橫置的幾條雷射束，這種方法實際是測得砧子在一段較長時間內或大於10mm一段空間距離上的平均速度。由於加載強度或緩衝層的變化，加速度脈衝寬度不同，雷射束的空間位置很難設置好，此法不易準確測得砧子的峰值速度，校準不確定度不大於±5％。雷射幹涉法雖然精度較高，但用此法測速的信號頻率太高，速度上限較低，不能達到高g值衝擊校準的要求。
本發明的目的是提供一種校準精度高的高g值加速度計的衝擊校準技術及其外形較小的校準裝置。
本發明的高g值加速度計的衝擊校準技術是這樣的它是以差動都卜勒測速技術用於高g值加速度計的衝擊校準，即用於(1--15)×105m/s2的高g值加速度的衝擊校準，用差動雷射都卜勒測速儀及時準確地測出由氣炮子彈衝擊的與加速度計緊固為一體的安裝在砧子的端帽的速度，該速度也是被校準加速度計的速度；將加速度計的加速度信號經電荷放大器送入瞬態波形存儲器的一個通道並作為觸發源觸發瞬態波形存儲器進行採樣，由瞬態波形存儲器對加速度脈衝進行積分求得衝擊結束時刻的最高速度va；同時把差動雷射都卜勒測速儀的都卜勒信號輸入同一臺瞬態波形存儲器的另一通道進行同步採樣，並測量該時刻的都卜勒信號的周期，由該周期去除差動雷射都卜勒測速儀的係數得到差動雷射都卜勒測速儀測得的速度VD；由VD與Va比對求得被校準加速度計的衝擊靈敏度S。差動雷射都卜勒測速儀的作用是用現有測速方法在差動雷射都卜勒測速儀內將氦氖雷射器輸出的光束由分束器和反光鏡分成兩條平行光束，再由聚光鏡會聚到端帽的側面，被端帽漫反射的信號光束又經聚光鏡、另一反光鏡、另一聚光鏡收集經空間濾波器濾除雜散光後進入導光光纖，出射後照射到光電變換器的光敏面。
本發明的高g值加速度計的衝擊校準裝置包括配有氣泵的氣炮、砧子、電荷放大器、瞬態波形存儲器、測速儀，電荷放大器用信號電纜與瞬態波形存儲器連接，砧子安裝在氣炮炮管的前端，其特徵是在砧子的兩端均安裝緩衝層，砧子的前端安裝端帽組成砧子組件；所說的測速儀是差動雷射都卜勒測速儀，差動雷射都卜勒測速儀的光軸與氣炮炮管垂直安裝在砧子組件旁；差動雷射都卜勒測速儀內安裝氦氖雷射器、分束器、兩個反光鏡、兩個聚光鏡、空間濾波器、光電變換器，一個聚光鏡在差動雷射都卜勒測速儀的前端，在該聚光鏡與氦氖雷射器之間安裝分束器與反光鏡，一反光鏡是使反射光與氦氖雷射器的出射光平行安裝，另一反光鏡是使反射光與氦氖雷射器的出射光垂直安裝，另一聚光鏡安裝在該反光鏡的反射光路；在差動雷射都卜勒測速儀內還安裝作為光信號通路的導光光纖，在導光光纖輸入端有空間濾波器與反射光路的聚光鏡的距離等於該聚光鏡的焦距，光電變換器在導光光纖的輸出端，光電變換器用信號電纜與瞬態波形存儲器連接。校準時將被校準加速度計緊固在端帽上，用信號電纜與電荷放大器連接。
上述的高g值加速度計的衝擊校準裝置，其特徵是裝置長為1.8--2.5m，所說的炮管長為1.5--2m，炮管內徑為1.8--22mm。
上述的高g值加速度計的衝擊校準裝置，其特徵是在端帽側面粘貼蘇格蘭片。
由於本發明的高g值加速度計的衝擊校準技術是用差動都卜勒測速技術測與被校準加速度計緊固為一體的端帽的最高速度，測速期間端帽的位移在數十微米至數百微米之間，其測試結果更準確更接近與端帽緊固的被校準加速度計的瞬時速度特別是最高速度，降低測速誤差，充分利用了衝擊動能，使其相應的整個高g值加速度計的衝擊校準裝置可小於2.5m，比目前最小的霍普金森杆法的校準裝置縮小近一半，在砧子的兩端安裝緩衝層的二級緩衝技術改善加速度脈衝波形，提高加速度曲線積分值的精度可提高校準精度，根據標準ISO/5347總校準不確定度不大於±4％，加蘇格蘭片可增強散射光，而且裝置造價成本低。
下面結合實施例及其附圖詳細說明本高g值加速度計的衝擊校準技術和原理及其裝置。


圖1是本高g值加速度計的衝擊校準技術光學系統圖。
圖2是差動都卜勒測速儀原理圖。
圖3是測α角的示意圖。
圖4是本高g值加速度計的衝擊校準裝置圖。
圖5是差動雷射都卜勒測速儀內部氦氖雷射器、分束器、反光鏡、聚光鏡、空間濾波器位置關係圖，相對圖4放大。
圖6是氣炮縱向圖，相對圖4放大。
圖7是砧子、導向筒、端帽及緩衝層裝配圖，相對圖4放大。
圖8是本高g值加速度計的衝擊校準的信號曲線圖。
圖9是砧子兩端安裝緩衝層的加速度計的衝擊校準信號曲線。
圖10是砧子兩端未安裝緩衝層的加速度計的衝擊信號曲線。
圖8、圖9、圖10中上一條為加速度計的加速度輸出信號，下一條為都卜勒信號上述圖中1、氦氖雷射器 2、分束器 3、投射光束4、投射光束5、反光鏡 6、聚光鏡7、加速度計8、砧子組件 9、端帽10、子彈 11、反光鏡 12、散射光束13、聚光鏡 14、空間濾波器 15、導光光纖16、光電倍增管17、差動雷射都卜勒測速儀18、炮管 19、氣炮20、支架21、導氣管22、氣泵 23、氣閥24、瞬態波形存儲器25、電荷放大器 26、信號電纜 27、緩衝層28、導向筒 29、制動塊30、制動緩衝層31、砧子 32、緩衝層33、蘇格蘭片本申請的實施例中氦氖雷射器1的工作波長λ＝0.6328μm 輸出功率1mw聚光鏡6的焦距f≈500mm徑φ＝30mm聚光鏡13的焦距f≈25mm口徑φ＝30mm炮管18長1.9m，炮管內徑19mm氣泵22的壓力0-0.7MPa光電倍增管16的型號為GDB23被校準衝加速度計7的型號為BK8309瞬態波形存儲器24的型號為DL1080電荷放大器25的型號為BK2626
本高g值加速度計的衝擊校準技術的實施例是以差動都卜勒測速技術用於(1--15)×105m/s2加速度計的衝擊校準，用差動雷射都卜勒測速儀17及時準確地測出由氣炮19的子彈10衝擊的安裝在砧子31端帽9的速度也是被校準的加速度計7的速度。其校準光學系統圖見圖1，將氦氖雷射器1輸出的光束由分束器2和反光鏡11分成兩條平行的投射光束3、4，然後由聚光鏡6會聚到砧子組件8的端帽9的側面，端帽9漫反射的信號散射光束12又被聚光鏡6、反光鏡5、聚光鏡13收集，經空間濾波器14濾除雜散光後進入導光光纖15，出射後照射到作為光電變換器的光電倍增管16的光敏面；將被校準加速度計7的加速度信號經電荷放器25送入瞬態波形存儲器24的第一通道並作為觸發源啟動瞬態波形存儲器24進行採樣，由瞬態波形存儲器24對加速度脈衝進行積分求得衝擊結束時刻的最高速度Va；同時把測得的都卜勒信號輸入瞬態波形存儲器24的第二通道進行同步採樣，並測量該時刻的都卜勒信號的周期，由該周期去除差動雷射都卜勒測速儀的係數得到差動雷射都卜勒測速儀測得的速度VD；由VD與Va比對，求得被校準加速度計7的衝擊靈敏度S。
差動雷射多普則速儀原理見圖2，設λ為投射光束3、4的波長，V為端帽9的運動速度，θ1和θ1分別為投射光束3、4與端帽9運動方向間的夾角，θ2是散射光束12與端帽9運動方向間的夾角，散射光束12經反光鏡5反射後由光電倍增管16收集，投射光束3、4被運動的端帽9側面散射傳至光電倍增管16的信號光發生的都卜勒頻移分別為v1=v(cos1+cos2)]]>v2=v(cos1+cos2)]]>兩種信號混合的散射光束12在光電倍增管16的光敏面上疊加後只有差頻信號能被響應，光電倍增管16的輸出信號頻率為v=v1-v2=v(cos1-cos1)]]>因(θ′1-θ1)＝α，(θ′1+θ1)/2＝(π/2)+β由三角函數公式得Δv＝(2v/λ)cosβsin(α/2) (1)式中α是兩投射光束3、4的夾角，β是α角平分線之法線與端帽9運動方向間夾角。
由式(1)得差動雷射都卜勒測速儀的測速公式為v＝DΔv＝D/T(2)D＝v/Δv＝λ/[2sin(α/2)cosβ] (3)式中T為都卜勒信號的周期，其倒數即為都卜勒信號頻率，D是差動雷射都卜勒測速儀17的係數，取決於儀器結構。
本實施例外使β≈0，cosβ≮0.999987，方法是在端帽9的側面粘貼平面反光鏡，使投射光束3、4經反射後恰好交換位置。α角的測量方法見圖3，將投射光束3、4投射到10m之外，並將兩光束構成的平面調成水平，在遊標卡尺遊標件上粘一隻二象限光電池，光電池的差動輸出為零時作為對準標誌，多次測量取平均值，b＝264.38±0.05mm，多次測量L取平均值L＝10.24±0.01m，由b和L求得α＝1.48°，代入式(3)得D＝24.51μm。
將D和測得的都卜勒信號周期T代入式(2)求得動雷射都卜勒測速儀測得的速度VD；由加速度計7輸出信號得到衝擊結束時刻的最高速度Va，兩者進行比對，得加速度計7的衝擊靈敏度S。
電荷放大器25的輸出電壓U(t)與被測加速度計7所受加速度a(t)之間的關係為U(t)＝SKa(t)(4)加速度計輸出脈衝信號下的面積所對應的速度Va為Va=oa(t)dt=o[U(t)/SK]dt=TsU/SK---(5)]]>U=k=1NU(k)-----(6)]]>式中τ為加速度脈衝持續時間，TS為瞬態波形存儲器24設定的採樣間隔，U為脈衝下各採樣點的電壓值之總和。與都卜勒信號測到的速度VD相比，利用式(2)，得被校準加速度計7的衝擊靈敏度S為S=UTSKvD=UTSTKD----(7)]]>按本衝擊校準方法的實施例對加速度計7進行10次高g值衝出校準，10次校準實測數據見下表(型號BK8309-1810282振動靈敏度0.045 pC/G)
廠方給定的加速度計7的振動靈敏度為0.045PC/g，測試時，電荷放大器25的電荷靈敏度旋鈕位為5.00PC/unit，電荷放大器25的放大率旋鈕位0.01V/uni，t此時式(7)中的K為2×10-3V/PC。式中D是2.451×10-5m，TS和T均以s為單位，衝擊靈敏度S的單位為PC/ms-2。若使衝擊靈敏度S的單位為PC/g可再乘以9.80665ms-2/g。衝擊的加速度峰值為9～11萬g。10次測得的平均衝擊靈敏度為0.04644PC/g。
本發明的高g值加速度計的衝擊校準裝置的實施例見圖4、圖5、圖6，它有配有氣泵22的氣炮19、砧子31、電荷放大器25、瞬態波形存儲器24、測速儀，電荷放大器25用信號電纜26與瞬態波形存儲器24連接，砧子31經導向筒28安裝在氣炮19炮管18的前端，其特徵是在砧子31的兩端均安裝緩衝層27、32，砧子31的前端安裝端帽9組成砧子組件8見圖7；所說的測速儀是差動雷射都卜勒測速儀17，差動雷射都卜勒測速儀17的光軸與氣炮19的炮管18垂直安裝在砧子組件8旁；差動雷射都卜勒測速儀17內安裝氦氖雷射器1、分束器2、兩個反光鏡5、11、兩個聚光鏡6、13、作為光電變換器的光電倍增管16，聚光鏡6在差動雷射都卜勒測速儀17的前端，在聚光鏡6與氦氖雷射器1之間安裝分束器2與反光鏡5、11，反光鏡11是使反射光與氦氖雷射器1的出射光平行安裝，反光鏡5是使反射光與氦氖雷射器1的出射光垂直安裝，聚光鏡13安裝在反光鏡5的反射光路；在差動雷射都卜勒測速儀1內還安裝作為光信號通路的導光光纖15，在導光光纖15輸入端有空間濾波器14與聚光鏡13的距離等於聚光鏡13的隹距，光電倍增管16在導光光纖15的輸出端，光電倍增管16用信號電纜與瞬態波形存儲器24連接。校準時將被校準加速度計7緊固在端帽上9，用信號電纜與電荷放大器25連接。
本高g值加速度計的衝擊校準裝置的實施例，裝置長即炮管18安裝上砧子組件8的長為2.5m，炮管18長1.9m，炮管18的內徑為19mm；在端帽9側面粘貼蘇格蘭片。該器件有較強的定向散射功能，提高了雷射能量的有效利用率；所用的氣閥23是電磁閥門，由氣閥23控制氣炮19發射子彈10；緩衝層27、32為1cm的氈墊兩層，改善了加速度脈衝信號，與之相應的加速度曲線的積分精度也相應提高見圖8，為避免比例失調，圖中沒迭加速度峰值很高的數據曲線，圖9、圖10是兩種實測曲線，由兩圖對比，加兩層緩衝層後曲線光滑度明顯提高。
採用本發明的高g值加速度計的衝擊校準方法及其裝置可用於高於15×105m/s2的衝擊校準。
本高g值加速度計的衝擊校準裝置可長1.8--2.5m，炮管可長1.5--2m，炮管內徑可為1.8--22mm。
下面根據ISO/5347求本高g值加速度的衝擊校準裝置的校準總不確定度，根據本標準，規定置信度為95％時的衝擊校準總不確定度X95X95=Xr2+Xs2----(8)]]>式中Xr為隨機不確定度，Xa為系統不確定度Xr=ter12+er22++ern2n(n-1)---(9)]]>式中er1，er2……為單個測量值與該系列測量值的算術平均值之百分偏差。n——量次數t——規定置信度下，n次測量的學生氏分布係數，如n＝10時t＝＝2.26無法消除和修正的不確定度由使用儀器各組成環節的誤差造成，可按下式計算Xs=(k/3)e-----(10)]]>
式中k為係數，置信度為95％時，k＝2.0e為由各組成環節引起的衝擊校準的相對誤差，對於本高g值加速度計的衝擊校準裝置，可用下式計算c值e=(eDD)2+(eTT)2+(evv)2+(emamax)2+(e)2+(eSS)2+(ec100)2+(em100)2---(11)]]>式中
——雷射都卜勒測速儀係數的相對誤差。
——都卜勒信號測周期的相對誤差。
——由於其他原因引起的測速相對誤差如信號上疊加噪聲等。
——記錄的峰值加速度的相對誤差。
——記錄的加速度脈衝持續時間的相對誤差。
——正弦校準係數的相對誤差，由廠家給定。
——電荷放大器誤差(用百分數表示)。
——瞬態記錄儀的線性誤差(用百分數表示)
對於本高g值加速度計的衝擊校準裝置的實施例eDD=0.1%,eSS=1%,ec100=1.5%,em100=1.5%]]>在校準實驗中，最大的速度約30m/s，若測15個同期，時間間隔為t≈12μs，採樣間隔為0.05μs，取Δt＝±0.1μs，上式第二項T的相對誤差為±0.83％。根據實驗情況由於其他原因引起的測速相對誤差最大不超過±1％。用瞬態波形存儲器24記錄加速度計的輸出，最大輸出一般為170個計數以上，誤差1個計數，所以上式第四項amax的相對誤差為±0.6％。脈衝持續時間最短為100μs，其誤差取2個採樣點，為±0.1μs，所以上式第五項τ的相對誤差為±0.1％。即eTT=0.83%,evv=1%,eaamax=0.6%,e=0.1%]]>上述各項代入式(11)和(10)，得e≈±2.8％，Xs≈±3.2％上述校準型號為BK8309-1810282加速度計10次測試的隨機不確定度為1.84％，取Xr＝±2％將Xr，Xs值代入式(8)，得到總砂不確定度X95≈±3.8％若採用採樣頻率為100M的記錄儀測都卜勒周期，用12bit的儀器測加速度信號，則式(11)中的第二項都卜勒周期T的相對誤差和第四項a的相對誤差均可進一步減少，總不確定度還可提高。
本高g值加速度計的衝擊校準裝置的校準總不確定度在±4％以內。
權利要求
1.一種高g值加速度計的衝擊校準技術，其特徵是它是以差動都卜勒測速技術用於(1--15)×105m/s2的高g值加速度的衝擊校準，用差動雷射都卜勒測速儀測出由氣炮子彈衝擊的與加速度計緊固為一體的安裝在砧子的端帽的速度；將加速度計的加速度信號經電荷放大器送入瞬態波形存儲器的一個通道並作為觸發源觸發瞬態波形存儲器進行採樣，由瞬態波形存儲器對加速度脈衝進行積分求得衝擊結束時刻的最高速度va；同時把差動雷射都卜勒測速儀的都卜勒信號輸入同一臺瞬態波形存儲器的另一通道進行同步採樣，並測量該時刻的都卜勒信號的周期，由該周期去除差動雷射都卜勒測速儀的係數得到差動雷射都卜勒測速儀測得的速度VD；由VD與Va比對求得被校準加速度計的衝擊靈敏度S。
2.一個高g值加速度計的衝擊校準裝置，包括配有氣泵的氣炮、砧子、電荷放大器、瞬態波形存儲器、測速儀，電荷放大器用信號電纜與瞬態波形存儲器連接，砧子安裝在氣炮炮管的前端，其特徵是在砧子的兩端均安裝緩衝層，砧子的前端安裝端帽組成砧子組件；所說的測速儀是差動雷射都卜勒測速儀，差動雷射都卜勒儀測速儀的光軸與氣炮炮管垂直安裝在砧子組件旁；在差動雷射都卜勒測速儀內還安裝作為光信號通路的導光光纖，在導光光纖輸入端有空間濾波器，光電變換器在導光光纖的輸出端，光電變換器用信號電纜與瞬態波形存儲器連接。
3.根據權利要求2所述的高g值加速度計的衝擊校準裝置，其特徵是裝置長為1.8--2.5m，所說的炮管長為1.5--2m，炮管內徑為1.8--22mm。
4.根據權利要求2、3所述的高g值加速度計的衝擊校準裝置，其特徵是在端帽側面粘貼蘇格蘭片。
全文摘要
本發明屬高g值加速度計的衝擊校準技術及其裝置，其特徵是以差動都卜勒測速技術用於高g值加速度計的衝擊校準，用差動雷射都卜勒測速儀測出安裝在砧子的端帽的速度，該速度值與加速度計測得的速度值進行比對得被校準加速度計的靈敏度，本方法校準精度高；其校準裝置的特徵是在砧子的兩端均安裝緩衝層，前端安裝端帽組成砧子組件；差動都卜勒測速儀的光軸與炮管垂直安裝在砧子組件旁，本校準裝置外形小，成本低。
文檔編號G01P21/00GK1163403SQ9610169
公開日1997年10月29日 申請日期1996年4月22日 優先權日1996年4月22日
發明者王聖佑, 曹才芝, 費培端 申請人:華北工學院