專利名稱：高g值加速度計(jì)沖擊靈敏度的溯源性校準(zhǔn)裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開(kāi)的高g值加速度計(jì)沖擊靈敏度的溯源性校準(zhǔn)裝置與方法屬加速度傳感器計(jì)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及的是一種高g值加速度計(jì)沖擊靈敏度的溯源性校準(zhǔn)裝置與校準(zhǔn)方法。
二.
背景技術(shù)：
深層侵徹武器的發(fā)展，迫切需要對(duì)導(dǎo)彈侵徹地下目標(biāo)時(shí)的加速度進(jìn)行測(cè)試，為引信的定深起爆提供依據(jù)。美國(guó)最新研制的精確制導(dǎo)炸彈已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了侵徹層數(shù)的實(shí)時(shí)判讀和侵徹深度的實(shí)時(shí)解算，可以計(jì)算到16個(gè)空穴或硬層，計(jì)算總侵徹行程達(dá)到78m。在導(dǎo)彈侵徹地下目標(biāo)的過(guò)程中，需要測(cè)試的侵徹加速度一般在50，OOOg以內(nèi)，持續(xù)時(shí)間達(dá)幾百毫秒，因此通常選用具有DC響應(yīng)的MEMS高g加速度計(jì)為侵徹彈智能引信的實(shí)時(shí)侵徹深度計(jì)算提供信息。為了保證解算結(jié)果的準(zhǔn)確度，在使用前需要對(duì)高g值加速度計(jì)進(jìn)行溯源性校準(zhǔn)。高g值加速度計(jì)的溯源性校準(zhǔn)旨在解決加速度計(jì)沖擊靈敏度的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)問(wèn)題，提高高沖擊條件下加速度的測(cè)試精度。溯源性校準(zhǔn)是指將被校參數(shù)溯源到國(guó)際單位制中的基本量的校準(zhǔn)過(guò)程，一般來(lái)講，傳感器的溯源性校準(zhǔn)是在靜態(tài)即OHz條件下實(shí)現(xiàn)的。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ISO 5347給出了加速度傳感器靜態(tài)校準(zhǔn)的三種方法地球引力校準(zhǔn)、離心機(jī)法一次校準(zhǔn)和雙離心機(jī)法一次校準(zhǔn)，但這些方法都是不可溯源的，且校準(zhǔn)的幅值都很低，地球引力校準(zhǔn)只有l(wèi)g，離心力法校準(zhǔn)最大可達(dá)500g，無(wú)法滿足高g值加速度計(jì)校準(zhǔn)的要求。ISO 16063-13 雖然給出了振動(dòng)和沖擊加速度傳感器的溯源校準(zhǔn)方法，且規(guī)定了用激光干涉法沖擊絕對(duì)校準(zhǔn)加速度計(jì)時(shí)沖擊脈沖的幅值和持續(xù)時(shí)間的參考范圍，即幅值范圍是10，20，50，100， 200，500，1000，2000，5000，10，000g，脈沖持續(xù)時(shí)間范圍是 0. 05，0. 1,0. 2,0. 5，1,2,5,10ms, 且加速度幅值越高，持續(xù)時(shí)間越小。在沖擊脈沖幅值10，000 100，OOOg的范圍內(nèi)，美國(guó) ENDEVC0公司的四73型SMAC沖擊校準(zhǔn)系統(tǒng)，沖擊脈沖持續(xù)時(shí)間25 225 μ s，校準(zhǔn)不確定度為士6%;丹麥B&K公司的36 型沖擊校準(zhǔn)系統(tǒng)，最大沖擊加速度也可以達(dá)到100，OOOgo 國(guó)內(nèi)，北京長(zhǎng)城計(jì)量技術(shù)研究所的梁志國(guó)、西北工業(yè)大學(xué)的李玉龍等在高g值加速度的校準(zhǔn)方面都進(jìn)行了大量的研究，并研制了相應(yīng)的校準(zhǔn)裝置和計(jì)量?jī)x器。綜上所述，國(guó)內(nèi)外在高g值加速度計(jì)的沖擊校準(zhǔn)方面進(jìn)行了大量的研究。為了獲得加速度計(jì)的沖擊靈敏度，在保證不激起加速度計(jì)諧振頻率的條件下，ISO 16063-13規(guī)定了沖擊脈沖的持續(xù)時(shí)間，但并沒(méi)有給出對(duì)于不同諧振頻率的沖擊加速度計(jì)校準(zhǔn)所需的最小脈沖持續(xù)時(shí)間。本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種高g值加速度計(jì)沖擊靈敏度的溯源性校準(zhǔn)裝置與方法，該方法給出了對(duì)于不同諧振頻率的高g值加速度計(jì)校準(zhǔn)所需的最小脈沖寬度，考慮了加速度計(jì)的阻尼系數(shù)對(duì)最小脈沖寬度的影響；該裝置通過(guò)射彈撞擊紫銅調(diào)整墊，在Hopkinson桿產(chǎn)生滿足公式(1)要求的沖擊脈沖激勵(lì)高g值加速度計(jì)，由激光干涉儀來(lái)測(cè)量加速度計(jì)的輸入信號(hào)，由電荷或電壓放大器來(lái)測(cè)量加速度計(jì)的輸出信號(hào)，通過(guò)對(duì)輸入輸出信號(hào)的比值運(yùn)算求得高g值加速度計(jì)的沖擊靈敏度。利用激光干涉儀將加速度量值溯源到國(guó)際基本量基準(zhǔn)中的長(zhǎng)度基準(zhǔn)和時(shí)間基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了沖擊靈敏度的溯源性校準(zhǔn)。 三.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是向社會(huì)提供一種高g值加速度計(jì)沖擊靈敏度的溯源性校準(zhǔn)裝置與方法，主要針對(duì)帶機(jī)械濾波器的各類高g值加速度計(jì)沖擊靈敏度的溯源性校準(zhǔn)，同時(shí)也可以適用于其它類型的高g值加速度計(jì)的沖擊靈敏度的校準(zhǔn)。本發(fā)明的技術(shù)方案包括這種高g值加速度計(jì)沖擊靈敏度的溯源性校準(zhǔn)裝置與校準(zhǔn)方法。關(guān)于這種高g值加速度計(jì)沖擊靈敏度的溯源性校準(zhǔn)裝置的技術(shù)內(nèi)容是這樣的這種高g值加速度計(jì)沖擊靈敏度的溯源性校準(zhǔn)裝置包括有高壓氣體源發(fā)射管、射彈、調(diào)整墊、Hopkinson桿、激光干涉儀、放大器、瞬態(tài)波形記錄儀及計(jì)算機(jī)等。所述的激光干涉儀是指加速度測(cè)量范圍在5，000 100，OOOg內(nèi)的差動(dòng)式激光干涉儀，如LSV-G2501型差動(dòng)式激光多普勒測(cè)速儀。所述的放大器是指具有低通濾波功能的電壓或電荷放大器，如Endevco Model 136型電壓放大器、Kistler Type 5011型電荷放大器、YE3820型多功能放大器。技術(shù)特點(diǎn)在于該溯源性校準(zhǔn)裝置包括的射彈為圓柱面弧形錐頭鈦合金子彈，子彈頭部設(shè)計(jì)為弧形錐頭是由于該種結(jié)構(gòu)的彈頭在碰撞時(shí)所能產(chǎn)生的沖擊脈沖的持續(xù)時(shí)間很寬，最大可到500 μ S。該溯源性校準(zhǔn)裝置包括的調(diào)整墊為紫銅墊，選擇紫銅材料作調(diào)整墊是由于紫銅材料的屈服極限ο s較低，有利于增加應(yīng)力脈沖的上升時(shí)間，且紫銅墊的長(zhǎng)度在5 15mm時(shí)應(yīng)力脈沖的波形比較光滑，非常適合于沖擊靈敏度的校準(zhǔn)。根據(jù)以上所述的高g值加速度計(jì)沖擊靈敏度的溯源性校準(zhǔn)裝置，技術(shù)特點(diǎn)還有 該溯源性校準(zhǔn)裝置通過(guò)調(diào)整墊厚度與射彈速度的不同組合可以產(chǎn)生脈寬200 500μ s不同幅值激勵(lì)高g值加速度計(jì)的沖擊脈沖，如厚度5mm的調(diào)整墊與不同速度的射彈組合可以產(chǎn)生脈寬200 300 μ s、幅值15，000 20，OOOg的沖擊脈沖，厚度IOmm的調(diào)整墊與不同速度的射彈組合可以產(chǎn)生脈寬300 400 μ S、幅值10，000 15，OOOg的沖擊脈沖，厚度15mm 的調(diào)整墊與不同速度的射彈組合可以產(chǎn)生脈寬400 500 μ s、幅值5，000 10，OOOg的沖擊脈沖等。關(guān)于這種高g值加速度計(jì)沖擊靈敏度的溯源性校準(zhǔn)方法，其技術(shù)特點(diǎn)在于所述的該校準(zhǔn)方法是采用權(quán)利要求1所述的高g值加速度計(jì)沖擊靈敏度的溯源性校準(zhǔn)裝置，通過(guò)操作該溯源性校準(zhǔn)裝置中高壓氣體加速的射彈撞擊位于Hopkinson桿左端面的調(diào)整墊， 在Hopkinson桿中產(chǎn)生一近似于升余弦的縱向、彈性應(yīng)力脈沖激勵(lì)被校準(zhǔn)的高g值加速度計(jì)，通過(guò)測(cè)試或計(jì)量?jī)x器，測(cè)得該加速度計(jì)的激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)其沖擊靈敏度的溯源性校準(zhǔn)。即通過(guò)操作該溯源性校準(zhǔn)裝置中一系列不同的高壓氣體加速的射彈撞擊不同的調(diào)整墊，在Hopkinson桿中對(duì)應(yīng)產(chǎn)生一系列不同的前沿升時(shí)極寬的應(yīng)力脈沖來(lái)激勵(lì)該被校準(zhǔn)的高g值加速度計(jì)，通過(guò)測(cè)試或計(jì)量?jī)x器，測(cè)得該加速度計(jì)對(duì)應(yīng)的一系列不同的輸入和輸出響應(yīng)，通過(guò)比值運(yùn)算求出該加速度計(jì)的沖擊靈敏度，利用激光干涉儀將加速度量值溯源到國(guó)際基本量基準(zhǔn)中的長(zhǎng)度基準(zhǔn)和時(shí)間基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了沖擊靈敏度的溯源性校準(zhǔn)。根據(jù)以上所述的高g值加速度計(jì)沖擊靈敏度的溯源性校準(zhǔn)方法，技術(shù)特點(diǎn)還有 改變調(diào)整墊的厚度和射彈的速度可以調(diào)節(jié)沖擊脈沖的持續(xù)時(shí)間和幅值，通過(guò)調(diào)整墊厚度與射彈速度的不同組合可以產(chǎn)生脈寬200 500 μ s不同幅值激勵(lì)高g值加速度計(jì)的沖擊脈沖。隨著調(diào)整墊厚度的增加，應(yīng)力脈沖的前沿升時(shí)增加，幅值降低；隨著射彈速度的增加，沖擊脈沖的脈寬降低，幅值增加。根據(jù)以上所述的高g值加速度計(jì)沖擊靈敏度的溯源性校準(zhǔn)方法，技術(shù)特點(diǎn)還有 所述的激勵(lì)該寬高g值加速度計(jì)的沖擊脈沖的最小脈沖寬度t由公式(1)確定(1),式中τ應(yīng)按下式來(lái)計(jì)算r=(2),式中δ為可允許的校準(zhǔn)誤差，fx為高g值加速度計(jì)的一階諧振頻率，ζ為高g值加速度計(jì)的阻尼比。相對(duì)于目前在高g值加速度計(jì)沖擊校準(zhǔn)領(lǐng)域已有的對(duì)校準(zhǔn)脈沖寬度的研究成果，本校準(zhǔn)方法導(dǎo)出了由幅值最大值的誤差所確定的最小激勵(lì)脈沖寬度t是由幅值誤差的最大值所確定的最小激勵(lì)脈沖寬度τ的1/2，即公式(1)，且該最小脈沖寬度公式中包含了加速度計(jì)的阻尼比對(duì)沖擊脈沖寬度的影響。具體描述為若加速度計(jì)的激勵(lì)信號(hào)為α =Sin(Jie) 0 ^ θ ^ 1 (3)，則加速度計(jì)的響應(yīng)信號(hào)為
Φ = e-柳{c, cos(^ -ζ2 θ)+ C2 sin( φ-ζ2θ)\+ {a, cos—)+bx 3 η(πθ)} 0<θ<1 (4)，那么加速度計(jì)響應(yīng)信號(hào)和激勵(lì)信號(hào)的最大誤差可表示為Δ φ Imax = max (I Φ - α |)(5)，或Δ φ 2max = max ( Φ) -max (α ) (6),公式(5)中Δ φ Imax表示的是幅值誤差的最大值，由加速度計(jì)響應(yīng)信號(hào)Φ和激勵(lì)信號(hào)α的幅值差絕對(duì)值之最大值表示。公式(6)中Δ Φ 2max表示的是幅值最大值的誤差， 即峰值誤差，由加速度計(jì)響應(yīng)信號(hào)Φ最大值和激勵(lì)信號(hào)α最大值之差表示。這兩個(gè)誤差在說(shuō)明書(shū)附圖
3中表示的更為直觀。由于本發(fā)明主要針對(duì)的是MEMS高g值加速度計(jì)沖擊靈敏度的溯源性校準(zhǔn)，而MEMS 高g值加速度計(jì)一般是芯片級(jí)的加速度傳感器，在實(shí)際使用時(shí)通常要封裝在傳感器殼體內(nèi)部，考慮到MEMS器件在應(yīng)力波的作用下容易損壞，所以在封裝時(shí)都加入了機(jī)械濾波器。 MEMS傳感器芯片的諧振頻率通常在200kHz以上，工作頻帶優(yōu)于50kHz，而封裝后其諧振頻率和工作頻帶都顯著降低，如Endevco model 7270A_60k壓阻加速度計(jì)諧振頻率典型值為 700kHz，最小值為400kHz，頻率響應(yīng)為100kHz，加機(jī)械濾波器后諧振頻率約50kHz，頻率響應(yīng)為10kHz，其型號(hào)改為model 7270A_60kM6。表1給出了在給定校準(zhǔn)誤差條件下典型高g 值加速度計(jì)的諧振頻率fx和最小激勵(lì)脈沖寬度t的關(guān)系表1不同諧振頻率的加速度計(jì)所對(duì)應(yīng)的最小激勵(lì)脈沖寬度
權(quán)利要求
1.一種高g值加速度計(jì)沖擊靈敏度的溯源性校準(zhǔn)裝置，包括有發(fā)射管、射彈、調(diào)整墊、 Hopkinson桿、放大器、激光干涉儀、瞬態(tài)波形記錄儀及計(jì)算機(jī)，特征在于該溯源性校準(zhǔn)裝置包括的射彈為圓柱面弧形錐頭鈦合金子彈、包括的調(diào)整墊為紫銅墊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高g值加速度計(jì)沖擊靈敏度的溯源性校準(zhǔn)裝置，特征在于 該溯源性校準(zhǔn)裝置通過(guò)調(diào)整墊厚度與射彈速度的不同組合可以產(chǎn)生脈寬200 500 μ s的不同幅值的沖擊脈沖。
3.一種高g值加速度計(jì)沖擊靈敏度的溯源性校準(zhǔn)方法，特征在于所述的該校準(zhǔn)方法是采用根據(jù)權(quán)利要求1所述的高g值加速度計(jì)沖擊靈敏度的溯源性校準(zhǔn)裝置，通過(guò)操作該裝置中高壓氣體加速的射彈撞擊位于Hopkinson桿左端面的調(diào)整墊，在Hopkinson桿中產(chǎn)生一近似于升余弦的縱向、彈性應(yīng)力脈沖激勵(lì)高g值加速度計(jì)，通過(guò)測(cè)試或計(jì)量?jī)x器，測(cè)得該加速度計(jì)的激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)其沖擊靈敏度的溯源性校準(zhǔn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高g值加速度計(jì)沖擊靈敏度的溯源性校準(zhǔn)方法，特征在于 改變調(diào)整墊的厚度和射彈的速度可以調(diào)節(jié)沖擊脈沖的持續(xù)時(shí)間和幅值，通過(guò)調(diào)整墊厚度與射彈速度的不同組合可以產(chǎn)生不同脈寬200 500 μ s的不同幅值的沖擊脈沖。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高g值加速度計(jì)沖擊靈敏度的溯源性校準(zhǔn)方法，特征在于 所述的激勵(lì)該高g值加速度計(jì)的沖擊脈沖的最小脈沖寬度t由公式(1)確定T⑴，2式中τ按下式來(lái)計(jì)算
全文摘要
本發(fā)明的高g值加速度計(jì)沖擊靈敏度的溯源性校準(zhǔn)裝置與方法屬加速度傳感器計(jì)量技術(shù)領(lǐng)域，其校準(zhǔn)裝置有發(fā)射管、鈦合金射彈、紫銅調(diào)整墊、Hopkinson桿、測(cè)試儀器等；其校準(zhǔn)方法采用上述校準(zhǔn)裝置，通過(guò)操作其校準(zhǔn)裝置中高壓氣體加速的射彈撞擊Hopkinson桿左端面的調(diào)整墊，在Hopkinson桿中產(chǎn)生一應(yīng)力脈沖激勵(lì)該高g值加速度計(jì)，通過(guò)測(cè)試儀器，測(cè)得該加速度計(jì)激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)其沖擊靈敏度的溯源性校準(zhǔn)；本發(fā)明的校準(zhǔn)裝置優(yōu)點(diǎn)有通過(guò)鈦合金射彈撞擊紫銅調(diào)整墊，在Hopkinson桿中產(chǎn)生脈寬200～500μs、幅值5,000～20,000g的沖擊脈沖，是校準(zhǔn)技術(shù)領(lǐng)域新創(chuàng)新、新突破；本發(fā)明的校準(zhǔn)方法導(dǎo)出了高g值加速度計(jì)沖擊靈敏度的溯源性校準(zhǔn)所需的最小激勵(lì)脈沖寬度公式，具有重大理論意義和重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G01P21/02GK102253244SQ201110161268
公開(kāi)日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月12日
發(fā)明者尤文斌, 張紅艷, 徐鵬, 李新娥, 杜紅棉, 林祖森, 沈大偉, 王燕, 祖靜, 范錦宏, 范錦彪, 馬鐵華 申請(qǐng)人:中北大學(xué)