梁志國(guó)， 李新良， 朱振宇，2

（1.北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所計(jì)量與校準(zhǔn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100095；2.天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津300072）

一種基于二次曲線擬合的沖擊峰值計(jì)算方法

梁志國(guó)1， 李新良1， 朱振宇1，2

（1.北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所計(jì)量與校準(zhǔn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100095；2.天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津300072）

針對(duì)半正弦沖擊波形峰值的計(jì)算，提出了二次曲線擬合算法。通過截取部分峰值波形擬合計(jì)算獲得峰值，有簡(jiǎn)捷、收斂的特點(diǎn)，并可通過擬合殘差有效值判定擬合效果的優(yōu)劣。該方法直接使用原始數(shù)據(jù)計(jì)算，無須濾波，可獲得更加客觀準(zhǔn)確的結(jié)果。通過校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)波形計(jì)算并與以往方法比較，驗(yàn)證了該方法的有效性和可行性。

計(jì)量學(xué)；脈沖；峰值幅度；拋物線擬合；參數(shù)估計(jì)；沖擊傳感器

1 引 言

沖擊測(cè)量中的基本問題是確定峰值、脈寬等時(shí)域參數(shù)［1～5］。通常，首先對(duì)沖擊測(cè)量波形進(jìn)行濾波，使其峰值變光滑后，再直接搜尋最大值確定峰值。關(guān)于濾波帶寬的選取，以及濾波后是否給峰值造成較大影響的判定，是沖擊計(jì)量中的一個(gè)難題，它使沖擊測(cè)量準(zhǔn)確度一直難以提高，約為5%左右［6］。

對(duì)波峰比較平坦的脈沖波，其峰值計(jì)算已經(jīng)解決，IEC標(biāo)準(zhǔn)定義了脈沖的“頂”、“底”等術(shù)語，描述脈沖峰值和谷值，以眾數(shù)法確定脈沖的“頂”和“底”［7，8］。而對(duì)半正弦型脈沖，峰值往往不平坦、不規(guī)則，且峰值附近的采樣測(cè)量點(diǎn)也不夠多，使用眾數(shù)法常遇到適應(yīng)性、重復(fù)性較差的問題。

本文主要是提出一種拋物線擬合法解決半正弦類沖擊波形峰值計(jì)算問題，力求不用濾波器，直接以原始采集波形數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘曲線擬合獲得沖擊波形的峰值，以提高測(cè)量準(zhǔn)確度和重復(fù)性。

2 測(cè)量原理

通常稱沖擊為半正弦沖擊波形，主要由于其形狀近似半個(gè)正弦波。在數(shù)學(xué)上，與其形狀最接近的簡(jiǎn)單函數(shù)還有拋物線，但并未用拋物線稱呼過該波形，主要原因有兩點(diǎn)：一是完整的沖擊波形形狀與拋物線波形通常的差距非常大，僅在峰值附近，其外觀與拋物線近似，即便如此，其上升沿與下降沿兩部分也并不對(duì)稱，因而很難嚴(yán)格表述為“拋物線”；二是用“拋物線”表述沖擊波形時(shí)，僅僅是局部“拋物線”而波形欠完整，通常很難使用其波形參數(shù)。

實(shí)際上，用拋物線擬合法對(duì)“半正弦”沖擊波形的峰值計(jì)算，無須定階和復(fù)雜的多項(xiàng)式求根即可獲得沖擊峰值和峰值位置，其前提僅僅是將沖擊波形中與拋物線差異較大的部分舍去，過程如下：

（1）使用沖擊激勵(lì)源產(chǎn)生半正弦沖擊激勵(lì)，用傳感器及配套波形數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行波形測(cè)量，獲得完整的沖擊測(cè)量波形［9］；

（2）用比較法獲得沖擊波形最大值和最小值；

（3）截取最大值和最小值之間全凸（或全凹）部分波形用于峰值計(jì)算；

（4）將用于峰值計(jì)算部分波形按拋物線進(jìn)行最小二乘波形擬合。設(shè)用于波形擬合計(jì)算的采樣序列為y1，y2，…，yn，對(duì)應(yīng)的采樣時(shí)刻點(diǎn)分別為t1，t2，…，tn。其最小二乘擬合曲線的函數(shù)表達(dá)式為：

擬合殘差有效值為：

式中ρ為擬合殘差有效值。當(dāng)采樣序列中僅含有噪聲因素誤差時(shí)，ρ即為疊加在拋物線波形之上噪聲的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差，則可得沖擊波形峰值估計(jì)值為

以擬合殘差有效值ρ判斷比較擬合優(yōu)劣，并以此對(duì)所獲峰值結(jié)果進(jìn)行判斷。擬合過程如下：

針對(duì)采樣時(shí)刻點(diǎn)分別為t1，t2，…，tn的采樣序列為y1，y2，…，yn，由式（1）有：

在ε取得最小值時(shí)，有：

解該線性方程組得擬合參數(shù)a、b、c及相應(yīng)的峰值，其擬合殘差有效值ρ按式（2）計(jì)算。

3 校準(zhǔn)裝置及工作過程

如圖1所示，加速度一次沖擊校準(zhǔn)裝置主要由沖擊機(jī)、差動(dòng)式光柵激光干涉儀、數(shù)字示波器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。其工作過程如下：

用沖擊機(jī)對(duì)Hopkinson棒發(fā)射彈體，產(chǎn)生沖擊加速度，同時(shí)作用于光柵和被校加速度傳感器，傳感器測(cè)量信號(hào)經(jīng)信號(hào)適配器后被數(shù)字示波器采集。光柵位移經(jīng)差動(dòng)激光干涉儀產(chǎn)生具有多普勒效應(yīng)的調(diào)頻信號(hào)，被數(shù)字示波器采集；對(duì)該調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行頻率解調(diào)后，獲得作用于加速度傳感器上的速度值和加速度值。

圖1 加速度一次沖擊校準(zhǔn)裝置框圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

使用350B04型沖擊加速度傳感器和PCBF482A型放大器在上述加速度一次沖擊校準(zhǔn)裝置所做實(shí)驗(yàn)，獲得圖2所示校準(zhǔn)波形［10，11］。

圖2 沖擊加速度傳感器校準(zhǔn)曲線

其中，圖2上部是加速度傳感器輸出的半正弦沖擊加速度波形和由激光干涉儀輸出的階躍速度波形，下部是經(jīng)過帶寬20 kHz的數(shù)字濾波器濾波后的沖擊加速度波形和由沖擊速度微分獲得的沖擊加速度校準(zhǔn)波形。

采集設(shè)備為TDS544A型數(shù)字示波器，8 Bits A／D，存儲(chǔ)深度50 kSamples／ch，帶寬500 MHz，最小電壓分度為1 mV／div，通道采樣率為6.25 MSps。加速度傳感器標(biāo)稱靈敏度為0.940 0 mV／g，校準(zhǔn)靈敏度為1.006 2 mV／g，校準(zhǔn)脈沖峰值為322 1.14 g，脈沖電壓值為3.241 V，所用數(shù)字濾波器帶寬20 kHz。用直接讀取法獲得加速度峰值。

將圖2所述波形重新繪制曲線如圖3所示。

圖3 沖擊加速度傳感器校準(zhǔn)曲線

按本文上述方法進(jìn)行處理，截取上3／4部分脈沖，用拋物線擬合方法獲得擬合曲線與測(cè)量曲線如圖4所示，擬合數(shù)據(jù)如表1所示。

按本文上述方法進(jìn)行處理，分別截取上2／3、1／2、1／3和1／4部分脈沖，使用拋物線擬合方法獲得擬合曲線與測(cè)量曲線分別如圖5～圖8所示，擬合數(shù)據(jù)如表1所示。

圖4 沖擊加速度波形及擬合曲線（3／4幅度）

表1 不同波形截取條件下峰值擬合結(jié)果

5 討 論

綜上所述，用本文方法在脈沖被分別截取3／4、2／3、1／2、1／3和1／4等不同范圍計(jì)算時(shí)，獲得的峰值結(jié)果波動(dòng)約為10%。當(dāng)截取的波形較大且明顯存在拐點(diǎn)時(shí)，如圖4和圖5，擬合效果較差，擬合殘差也較大。主要由于半正弦沖擊波形并不是理想拋物線，但隨著波形截取縮小，其逐步接近于拋物線，截取波形小到一定程度后，用拋物線擬合可獲得較好的峰值估計(jì)結(jié)果。

圖5 沖擊加速度波形及擬合曲線（2／3幅度）

圖6 沖擊加速度波形及擬合曲線（1／2幅度）

圖7 沖擊加速度波形及擬合曲線（1／3幅度）

本文方法的最大優(yōu)勢(shì)是在獲得峰值的基礎(chǔ)上可同時(shí)獲得峰值位置，并且可通過擬合殘差有效值判斷擬合的優(yōu)劣，對(duì)不同截取范圍所獲得的擬合峰值，給出哪一個(gè)更可靠的量化判據(jù)。從圖4～圖8的5個(gè)曲線段的擬合結(jié)果來看，由于圖7曲線的擬合殘差有效值最小，故可認(rèn)定圖7擬合所獲得的峰值結(jié)果3.390 769 V更為符合實(shí)際，也更可靠。從中也可看出，雖然較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)波形在拋物線擬合中往往帶來較大誤差，但也并非數(shù)據(jù)越短擬合誤差越小，通常存在一個(gè)最優(yōu)長(zhǎng)度，在沖擊波形的峰值是單峰情況下，截取1／2～1／4范圍的峰值幅度可望獲得良好的擬合結(jié)果。更深入細(xì)致的結(jié)論，有待于進(jìn)一步研究解決。

用以往方法經(jīng)濾波獲得的脈沖峰值3.241 V比本文方法小，應(yīng)是使用濾波器濾除噪聲和尖峰毛刺引起了峰值變化造成，從而證明不用濾波而直接用拋物線擬合獲取脈沖峰值的優(yōu)越性。在脈沖峰值比較平滑時(shí)，本文方法能獲得更穩(wěn)定的結(jié)果。盡管如此，在高加速度傳感器計(jì)量校準(zhǔn)中，由于沖擊波形往往伴有畸變和不規(guī)則，用本文方法需要進(jìn)一步判斷和取舍。圖9是8309型加速度傳感器（電荷靈敏度0.047 8 pC／g）在38 737.44 g條件下校準(zhǔn)結(jié)果曲線。該沖擊波形在上升沿和峰值處均有畸變，它距離半正弦的理想情況有一定差異，用本文方法雖然仍可以獲得擬合峰值，但擬合殘差有效值將變大。

圖8 沖擊加速度波形及擬合曲線（1／4幅度）

圖9 8309沖擊加速度傳感器校準(zhǔn)曲線

這時(shí)，需要首先判定截取哪一段波形用于峰值擬合計(jì)算，并且峰值處的“峰”如何對(duì)待和定義，該問題解決后，計(jì)算將很容易通過本文方法獲得有效結(jié)果。在定義明確后，峰值計(jì)算本質(zhì)上是曲線擬合問題，用更高階多項(xiàng)式擬合應(yīng)能獲得更好的擬合效果，但高階多項(xiàng)式擬合有求根和定階等問題，過程復(fù)雜，效果優(yōu)勢(shì)不大，而本文方法對(duì)所有峰值使用一個(gè)尺度，更易執(zhí)行、判斷和比較。

6 結(jié) 論

針對(duì)半正弦沖擊波形的峰值計(jì)算，本文提出了基于拋物線擬合的計(jì)算方法，特點(diǎn)是以總體最小二乘方式獲得峰值及其出現(xiàn)的位置，降低了噪聲、毛刺、濾波等給峰值估計(jì)帶來的影響，并可利用擬合殘差有效值來輔助判定峰值估計(jì)的可信程度。該方法魯棒性優(yōu)良、操作簡(jiǎn)捷有效、收斂性良好，可望在脈沖計(jì)量校準(zhǔn)、測(cè)試的實(shí)際工作中用于脈沖峰值的計(jì)算和估計(jì)。由于高斯形狀脈沖波形與半正弦形狀差異不大，故本文上述方法也有望用于高斯形狀脈沖峰值的計(jì)算中。

］

［1］ ISO.ISO 16063-13-2001（E）Methods for the calibration of vibration and shock transducers-Part 13：Primary shock calibration using laser［S］.2001.

［2］ 國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB／T 20485.13—2007振動(dòng)與沖擊傳感器校準(zhǔn)方法—第13部分：激光干涉法沖擊絕對(duì)校準(zhǔn)［S］.2007.

［3］ 國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局.JJG 791—1992沖擊力法沖擊加速度校準(zhǔn)裝置［S］.1992.

［4］ 國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局.JJG 632—1989動(dòng)態(tài)力傳感器［S］.1989.

［5］ 國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.JJG 497—2000碰撞試驗(yàn)臺(tái)［S］.2000.

［6］ ISO.ISO 16063-1-1998（E）Methods for the calibration of vibration and shock transducers-Part1：Basic Concepts［S］.1998.

［7］ IEC.IEC Standard，469-2 Pulse techniques and apparatus，（part 2：Pulse measurement and analysis，general considerations）［S］.1987.

［8］ 國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局.GB 9318—1988脈沖信號(hào)發(fā)生器測(cè)試方法［S］.1988.

［9］ 梁志國(guó)，李新良，連大鴻.激光干涉法一次沖擊加速度校準(zhǔn)［J］.電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2006，20（1）：68-72.

［10］ 國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJF 1153—2006沖擊加速度計(jì)（絕對(duì)法）校準(zhǔn)規(guī)范［S］.2006.

［11］ 國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJG 233—2008壓電加速度計(jì)檢定規(guī)程［S］.2008.

A Novel Calculation Method for Peak of Im pulse Waveform s Based on Parabola Curve-fitting

LIANG Zhi-guo1， LIXin-liang1， ZHU Zhen-yu1，2
（1.Changcheng Institute of Metrology and Measurement，Beijing 100095，China；2.College of Precision Instrument and Opto-electronics Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

A novel calculation method based on parabola curve-fitting is presented for peak calculation.Through taking out the waveform near impulse peak from acquisition data，the impulse peak value is got by using parabola curvefitting.Themethod has the specialties of easy to use，good convergence，and so on.By the error of curve-fitting，the different curve-fitting results can be compared.In thismethod，the sampling data are used to calculate the impulse peak directly，so，there is no affects and influence of filters，and it can attain themore precise and impersonal peak results.In a group of impulse calibration experiments，and through compared with traditional method，both the correctness and the feasibility of the pulse peak calculation method are proved.

Metrology；Impulse；Peak amplitude；Parabola curve-fitting；Parameter estimation；Shock transducer

TB973

：A

：1000-1158（2015）03-0309-04

10.3969／j.issn.1000-1158.2015.03.18

2013-11-02；

：2014-03-04

梁志國(guó)（1962-），男，黑龍江巴彥縣人，博士，北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所研究員，主要研究方向?yàn)閿?shù)字化測(cè)量與校準(zhǔn)、模式識(shí)別、動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)、精確測(cè)量。Lzg304＠sina.com