康鳳霞　祖　靜　王　燕

摘 要：提出一種利用激光多普勒干涉法對高g值加速度計進行絕對法沖擊校準(zhǔn)的方法。本方法采用Hopkinson桿作為沖擊加速度信號發(fā)生器，應(yīng)用激光多普勒干涉儀可以精確地獲得激勵加速度脈沖的波形。對一種三軸壓阻式加速度計的靈敏度校準(zhǔn)實驗證實了此方法的準(zhǔn)確性，并對其橫向效應(yīng)進行了研究和討論。

關(guān)鍵詞：校準(zhǔn)；激光干涉儀；Hopkinson桿；橫向效應(yīng)

中圖分類號：TM938.82文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)03-069-03

Shock Calibration of Three-Axis Piezoresistive Accelerometer by Laser Interferometer

KANG Fengxia,ZU Jing,WANG Yan

(National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,North University of China,Taiyuan,030051,China)

Abstract：The paper presents a method for calibrating high-g acceleration sensor by using a laser interferometer.In this method,the Hopkinson bar is applied as the shock acceleration generator.To obtain the time history of the input acceleration to the accelerometer with high accuracy,a laser-grating interferometer is introduced.This method has been justified on the ground of high accuracy by lots of experiments with a kind of piezoresistive-type accelerometers,and the transverse effect of accelerometer is discussed.

Keywords：calibration；laser interferometer；Hopkinson bar；transverse effect

0 引 言

高g值加速度計作為一次儀表，已廣泛應(yīng)用于動態(tài)過程中的過載測量，尤其是彈體侵徹測試的研究。加速度計的靈敏度系數(shù)和頻率響應(yīng)這二個參數(shù)非常重要，加速度計經(jīng)過大過載后，其靈敏度可能發(fā)生大的變化，而需經(jīng)常性的校準(zhǔn)。自上個世紀(jì)60 年代以來,世界各國沖擊校準(zhǔn)實驗室相繼開展沖擊校準(zhǔn)技術(shù)的研究，提出了多種校準(zhǔn)測量方法，其中以沖擊力法、速度改變法和激光絕對法應(yīng)用較為廣泛。這三種方法先后成為國際標(biāo)準(zhǔn)ISO5347/0(1987年)、ISO16063-1(1998年)和ISO16063-13(2001年)規(guī)定的校準(zhǔn)方法。

沖擊力法的校準(zhǔn)不確定度一般難以達到3%，1998年以后的國際標(biāo)準(zhǔn)已不再將其列入絕對法沖擊校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)方法。速度改變法在校準(zhǔn)原理上存在兩個重大的缺陷：首先，該方法基于被校加速度計頻率響應(yīng)在校準(zhǔn)的幅值和頻率范圍內(nèi)是線性的假設(shè)條件，否則將產(chǎn)生難以評估的測量誤差；其次，將加速度校準(zhǔn)變換為速度改變量的測量，不進行加速度量值的絕對復(fù)現(xiàn)，校準(zhǔn)結(jié)果依賴于被校加速度計對沖擊激勵響應(yīng)的正確程度和它本身固有的非線性。該校準(zhǔn)過程不能夠達到?jīng)_擊瞬態(tài)校準(zhǔn)的基本目的。

本文采用的激光多普勒干涉法,是直接借助計量學(xué)的基本量和單位(時間和長度) 復(fù)現(xiàn)加速度量值與單位的方法。其特點是可以精確給出加速度計激勵的絕對量值和真實波形，在參考加速度峰值為50～10 000 m/s2及12 500～100 000 m/s2，沖擊脈沖持續(xù)時間分別為0.3～6 ms 及0.1～0.3 ms的范圍內(nèi)，實現(xiàn)了對沖擊加速度計的絕對法校準(zhǔn)，沖擊加速度靈敏度校準(zhǔn)不確定度分別為0.5%和1%。

1 基本原理

加速度計的校準(zhǔn)裝置如圖1所示，主要由Hopkinson桿、差動式激光多普勒干涉儀、數(shù)字示波器、計算機系統(tǒng)組成。

圖1 加速度計激光干涉法沖擊校準(zhǔn)框圖

利用壓力脈沖在Hopkinson桿的自由端面反射成為拉伸脈沖的性質(zhì)，采取子彈撞擊桿端來產(chǎn)生一右行半正弦壓應(yīng)力脈沖。被校加速度計通過螺紋連接在安裝座的一端，安裝座表面軸線方向貼有反射光柵，另一端面通過真空夾具緊密吸合于Hopkinson桿末端。壓力脈沖通過界面時不受影響，但幾乎不能承受拉力。壓力脈沖在安裝座自由端面反射為拉伸脈沖，當(dāng)入射壓力脈沖與反射拉伸脈沖在銜接面處出現(xiàn)凈拉力時，被校加速度計和安裝座將帶著陷入其中的動量飛離而獲得沖擊運動。

被校加速度計的激勵加速度信號通過差動式激光多普勒干涉儀來獲取。差動式激光多普勒干涉儀如圖2所示：He-Ne激光器發(fā)出的光束，經(jīng)透鏡1后由分束棱鏡分成二平行光束，通過透鏡2又匯聚于粘貼在安裝座表面的光柵平面。激勵光柵射出的衍射光束經(jīng)反射鏡系統(tǒng)到達光電倍增管(PM)的陰極表面,并檢測出由光柵運動產(chǎn)生的多普勒頻移信號。

圖2 差動式激光多普勒干涉儀

根據(jù)多普勒原理，被校加速度計承受沖擊運動時，運動速度的時間函數(shù)v(t)和所應(yīng)用的激光干涉儀的多普勒頻移時間函數(shù)Δf(t)之間存在確定的數(shù)學(xué)關(guān)系：

v(t)=lm－nΔf(t)

(1)

式中:v(t)為沖擊運動速度；Δf(t)為激光多普勒頻移；m，n為光柵衍射級數(shù)；l為光柵常數(shù)。對上式v(t)作微分處理可得沖擊運動的加速度a(t)。再根據(jù)加速度計電壓的峰值,可以準(zhǔn)確得到被校加速度計的加速度沖擊校準(zhǔn)靈敏度：

Sth=Up/ap

(2)

式中:Sth為加速度計沖擊靈敏度；Up為加速度計輸出電壓峰值；ap為激勵加速度峰值。

2 實驗結(jié)果及其分析

實驗校準(zhǔn)的三軸壓阻式加速度計量程為50 000 g，由中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研制。實驗過程中將加速度計各管腳連接至外部檢測電路，在橋壓3.3 V、外部電路放大倍數(shù)為50的情況下，分別將其3個敏感軸作為主軸在不同g值下應(yīng)用上述校準(zhǔn)方法在Hopkinson桿上對其靈敏度進行校準(zhǔn)，表1給出了其校準(zhǔn)結(jié)果。

表1 加速度計校準(zhǔn)數(shù)據(jù)比對表

軸向

激光多普勒干涉儀測定數(shù)據(jù)

沖擊加速度 /g校準(zhǔn)的靈敏度系數(shù) /μV/g

x

10 9890.729 0

8 2090.729 9

均值0.729 45

y

922 90.762 5

5 6820.748 3

均值0.755 4

z

11 2070.752 3

12 3420.752 4

均值0.752 35

圖3～圖6為表1對被校加速度計z軸第一次校準(zhǔn)測試的實驗曲線。圖3為沖擊過程中激光干涉儀測得的多普勒信號。圖4是由式(1)所得多普勒速度波形曲線，最大速度為Vmax=8.848 m/s。圖5是對速度微分所得的加速度曲線，其峰值加速度為ap=11 207 g，脈寬為136 μs。圖6為沖擊過程中加速度傳感器Z軸輸出波形曲線，其峰值Up=448 mV，用公式(2)即可得其沖擊靈敏度為0.752 3 μV/g。

圖3 沖擊過程中激光多普勒干涉信號

圖4 沖擊過程中產(chǎn)生的速度波形

3 橫向效應(yīng)

橫向效應(yīng)是指沖擊過程中加速度計除敏感軸向加速度外，與其軸向垂直的平面內(nèi)所感受到的一定的加速度響應(yīng)。對于高量程加速度傳感器，橫向響應(yīng)一般要求低于軸向的5%。表2為對上述加速度計進行沖擊校準(zhǔn)實驗所得的橫向效應(yīng)比對結(jié)果。

圖5 沖擊過程中產(chǎn)生的加速度波形

圖6 沖擊過程中加速度計的Z軸輸出波形

表2 加速度計橫向效應(yīng)比對表

主軸沖擊加速度 /g橫向效應(yīng) /%

xyz

37 393

35 951

37 318

22 279

57 150

41 840

橫向y橫向z

6.484 5 27.544 2

橫向y橫向z

6.546 5 22.076 6

橫向x橫向z

5.625 6 20.589 8

橫向x橫向z

6.369 3 20.930 5

橫向x橫向y

2.142 9 3.189 1

橫向x橫向y

2.375 6 4.385 3

圖7為其中加速度計z軸作主軸時的第二組測試曲線。實驗過程中發(fā)現(xiàn)：z軸作主軸時，x軸和y軸的橫向響應(yīng)很?。欢趚軸或y軸作為主軸時，z軸卻有很大的橫向效應(yīng)，遠大于5%。分析其橫向效應(yīng)主要包含兩部分：加速度計沖擊過程中橫向拉伸或壓縮引起應(yīng)力變化;加速度計內(nèi)部質(zhì)量塊的質(zhì)心偏離梁的中平面引起彎矩造成的應(yīng)力變化。其次，沖擊過程中加速度計安

裝的偏差及該校準(zhǔn)方法本身所帶來的不確定度都有

可能對實驗結(jié)果造成較大的影響，這一點還需進一步的研究。

圖7 z軸為主軸時三軸加速度計的輸出波形曲線

4 結(jié) 語

本文所提出的激光干涉絕對法復(fù)現(xiàn)的沖擊加速度量值，直接溯源于激光波長和時間/頻率量，這種復(fù)現(xiàn)方法可靠、穩(wěn)定，并且便于復(fù)現(xiàn)。該校準(zhǔn)方法，原理完善、結(jié)果可靠、精度極高。通過對表1、表2中加速度計校準(zhǔn)實驗結(jié)果的分析，可以得到如下的結(jié)論：

(1) 該加速度計回零特性卓越，有利于數(shù)據(jù)處理;

(2) 靈敏度系數(shù)穩(wěn)定，重復(fù)性好;

(3) 橫向效應(yīng)：z軸激勵對x,y軸影響??；x,y軸激勵對z軸影響大；x,y軸互相影響較小。

參考文獻

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作者簡介 康鳳霞 女,1984年出生，碩士研究生。主要研究方向為高g值加速度傳感器的動態(tài)校準(zhǔn)技術(shù)。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。