专利名称：高量值加速度计的冲击校准技术及其装置的利记博彩app
技术领域：
本发明属高g值加速度计冲击校准技术及其装置。
由于现在生产的高g值加速度计只给出在低g值一般为160Hz数十g时正弦加载的电荷灵敏度，而且在强冲击作用下的电荷灵敏度与振动灵敏度不同，加之加速度计的灵敏度在使用过程中也会发生一定程度的变化。所以为了在高g值情况下可靠地使用加速度计，需对加速度计进行冲击校准。现在的冲击测量常常使用压电式加速度计，对此种加速度计的冲击校准，普遍采用速度增量法，把被校加速度计安装在一个可沿滑轨运动的砧子上，当砧子受到加载装置的冲击力作用时，从静止转入加速度状态，其最终达到的末速度就是加速度脉冲形成的速度增量。这样加速度计的绝对法冲击校准是要采用一种可靠的测试技术，对砧子受冲击后的末速度进行精确测量，以便与加速度计输出曲线下的面积进行比对。现有的测速法有光切割法、霍普金森杆法、激光干涉法。霍普金森杆法是用长2m的空气炮发射的子弹撞击粘有应变片的一根钛合金棒，实际上是用应变计来校准加速度计，属于相对校准，应变片及其粘结剂在强冲击条件下的动态特性末作校准，而且钛合金棒中纵波速度也不易精确测量，此法的校准不确定度为土6％。光切割法是用被子弹撞击的砧子相继切割横置的几条激光束，这种方法实际是测得砧子在一段较长时间内或大于10mm一段空间距离上的平均速度。由于加载强度或缓冲层的变化，加速度脉冲宽度不同，激光束的空间位置很难设置好，此法不易准确测得砧子的峰值速度，校准不确定度不大于±5％。激光干涉法虽然精度较高，但用此法测速的信号频率太高，速度上限较低，不能达到高g值冲击校准的要求。
本发明的目的是提供一种校准精度高的高g值加速度计的冲击校准技术及其外形较小的校准装置。
本发明的高g值加速度计的冲击校准技术是这样的它是以差动多普勒测速技术用于高g值加速度计的冲击校准，即用于(1--15)×105m/s2的高g值加速度的冲击校准，用差动激光多普勒测速仪及时准确地测出由气炮子弹冲击的与加速度计紧固为一体的安装在砧子的端帽的速度，该速度也是被校准加速度计的速度；将加速度计的加速度信号经电荷放大器送入瞬态波形存储器的一个通道并作为触发源触发瞬态波形存储器进行采样，由瞬态波形存储器对加速度脉冲进行积分求得冲击结束时刻的最高速度va；同时把差动激光多普勒测速仪的多普勒信号输入同一台瞬态波形存储器的另一通道进行同步采样，并测量该时刻的多普勒信号的周期，由该周期去除差动激光多普勒测速仪的系数得到差动激光多普勒测速仪测得的速度VD；由VD与Va比对求得被校准加速度计的冲击灵敏度S。差动激光多普勒测速仪的作用是用现有测速方法在差动激光多普勒测速仪内将氦氖激光器输出的光束由分束器和反光镜分成两条平行光束，再由聚光镜会聚到端帽的侧面，被端帽漫反射的信号光束又经聚光镜、另一反光镜、另一聚光镜收集经空间滤波器滤除杂散光后进入导光光纤，出射后照射到光电变换器的光敏面。
本发明的高g值加速度计的冲击校准装置包括配有气泵的气炮、砧子、电荷放大器、瞬态波形存储器、测速仪，电荷放大器用信号电缆与瞬态波形存储器连接，砧子安装在气炮炮管的前端，其特征是在砧子的两端均安装缓冲层，砧子的前端安装端帽组成砧子组件；所说的测速仪是差动激光多普勒测速仪，差动激光多普勒测速仪的光轴与气炮炮管垂直安装在砧子组件旁；差动激光多普勒测速仪内安装氦氖激光器、分束器、两个反光镜、两个聚光镜、空间滤波器、光电变换器，一个聚光镜在差动激光多普勒测速仪的前端，在该聚光镜与氦氖激光器之间安装分束器与反光镜，一反光镜是使反射光与氦氖激光器的出射光平行安装，另一反光镜是使反射光与氦氖激光器的出射光垂直安装，另一聚光镜安装在该反光镜的反射光路；在差动激光多普勒测速仪内还安装作为光信号通路的导光光纤，在导光光纤输入端有空间滤波器与反射光路的聚光镜的距离等于该聚光镜的焦距，光电变换器在导光光纤的输出端，光电变换器用信号电缆与瞬态波形存储器连接。校准时将被校准加速度计紧固在端帽上，用信号电缆与电荷放大器连接。
上述的高g值加速度计的冲击校准装置，其特征是装置长为1.8--2.5m，所说的炮管长为1.5--2m，炮管内径为1.8--22mm。
上述的高g值加速度计的冲击校准装置，其特征是在端帽侧面粘贴苏格兰片。
由于本发明的高g值加速度计的冲击校准技术是用差动多普勒测速技术测与被校准加速度计紧固为一体的端帽的最高速度，测速期间端帽的位移在数十微米至数百微米之间，其测试结果更准确更接近与端帽紧固的被校准加速度计的瞬时速度特别是最高速度，降低测速误差，充分利用了冲击动能，使其相应的整个高g值加速度计的冲击校准装置可小于2.5m，比目前最小的霍普金森杆法的校准装置缩小近一半，在砧子的两端安装缓冲层的二级缓冲技术改善加速度脉冲波形，提高加速度曲线积分值的精度可提高校准精度，根据标准ISO/5347总校准不确定度不大于±4％，加苏格兰片可增强散射光，而且装置造价成本低。
下面结合实施例及其附图详细说明本高g值加速度计的冲击校准技术和原理及其装置。
图1是本高g值加速度计的冲击校准技术光学系统图。
图2是差动多普勒测速仪原理图。
图3是测α角的示意图。
图4是本高g值加速度计的冲击校准装置图。
图5是差动激光多普勒测速仪内部氦氖激光器、分束器、反光镜、聚光镜、空间滤波器位置关系图，相对图4放大。
图6是气炮纵向图，相对图4放大。
图7是砧子、导向筒、端帽及缓冲层装配图，相对图4放大。
图8是本高g值加速度计的冲击校准的信号曲线图。
图9是砧子两端安装缓冲层的加速度计的冲击校准信号曲线。
图10是砧子两端未安装缓冲层的加速度计的冲击信号曲线。
图8、图9、图10中上一条为加速度计的加速度输出信号，下一条为多普勒信号上述图中1、氦氖激光器 2、分束器 3、投射光束4、投射光束5、反光镜 6、聚光镜7、加速度计8、砧子组件 9、端帽10、子弹 11、反光镜 12、散射光束13、聚光镜 14、空间滤波器 15、导光光纤16、光电倍增管17、差动激光多普勒测速仪18、炮管 19、气炮20、支架21、导气管22、气泵 23、气阀24、瞬态波形存储器25、电荷放大器 26、信号电缆 27、缓冲层28、导向筒 29、制动块30、制动缓冲层31、砧子 32、缓冲层33、苏格兰片本申请的实施例中氦氖激光器1的工作波长λ＝0.6328μm 输出功率1mw聚光镜6的焦距f≈500mm径φ＝30mm聚光镜13的焦距f≈25mm口径φ＝30mm炮管18长1.9m，炮管内径19mm气泵22的压力0-0.7MPa光电倍增管16的型号为GDB23被校准冲加速度计7的型号为BK8309瞬态波形存储器24的型号为DL1080电荷放大器25的型号为BK2626
本高g值加速度计的冲击校准技术的实施例是以差动多普勒测速技术用于(1--15)×105m/s2加速度计的冲击校准，用差动激光多普勒测速仪17及时准确地测出由气炮19的子弹10冲击的安装在砧子31端帽9的速度也是被校准的加速度计7的速度。其校准光学系统图见图1，将氦氖激光器1输出的光束由分束器2和反光镜11分成两条平行的投射光束3、4，然后由聚光镜6会聚到砧子组件8的端帽9的侧面，端帽9漫反射的信号散射光束12又被聚光镜6、反光镜5、聚光镜13收集，经空间滤波器14滤除杂散光后进入导光光纤15，出射后照射到作为光电变换器的光电倍增管16的光敏面；将被校准加速度计7的加速度信号经电荷放器25送入瞬态波形存储器24的第一通道并作为触发源启动瞬态波形存储器24进行采样，由瞬态波形存储器24对加速度脉冲进行积分求得冲击结束时刻的最高速度Va；同时把测得的多普勒信号输入瞬态波形存储器24的第二通道进行同步采样，并测量该时刻的多普勒信号的周期，由该周期去除差动激光多普勒测速仪的系数得到差动激光多普勒测速仪测得的速度VD；由VD与Va比对，求得被校准加速度计7的冲击灵敏度S。
差动激光多普则速仪原理见图2，设λ为投射光束3、4的波长，V为端帽9的运动速度，θ1和θ1分别为投射光束3、4与端帽9运动方向间的夹角，θ2是散射光束12与端帽9运动方向间的夹角，散射光束12经反光镜5反射后由光电倍增管16收集，投射光束3、4被运动的端帽9侧面散射传至光电倍增管16的信号光发生的多普勒频移分别为Δv1=vλ(cosθ1+cosθ2)]]>Δv2=vλ(cosθ1′+cosθ2)]]>两种信号混合的散射光束12在光电倍增管16的光敏面上叠加后只有差频信号能被响应，光电倍增管16的输出信号频率为Δv=Δv1-Δv2=vλ(cosθ1-cosθ1′)]]>因(θ′1-θ1)＝α，(θ′1+θ1)/2＝(π/2)+β由三角函数公式得Δv＝(2v/λ)cosβsin(α/2) (1)式中α是两投射光束3、4的夹角，β是α角平分线之法线与端帽9运动方向间夹角。
由式(1)得差动激光多普勒测速仪的测速公式为v＝DΔv＝D/T(2)D＝v/Δv＝λ/[2sin(α/2)cosβ] (3)式中T为多普勒信号的周期，其倒数即为多普勒信号频率，D是差动激光多普勒测速仪17的系数，取决于仪器结构。
本实施例外使β≈0，cosβ≮0.999987，方法是在端帽9的侧面粘贴平面反光镜，使投射光束3、4经反射后恰好交换位置。α角的测量方法见图3，将投射光束3、4投射到10m之外，并将两光束构成的平面调成水平，在游标卡尺游标件上粘一只二象限光电池，光电池的差动输出为零时作为对准标志，多次测量取平均值，b＝264.38±0.05mm，多次测量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。
将D和测得的多普勒信号周期T代入式(2)求得动激光多普勒测速仪测得的速度VD；由加速度计7输出信号得到冲击结束时刻的最高速度Va，两者进行比对，得加速度计7的冲击灵敏度S。
电荷放大器25的输出电压U(t)与被测加速度计7所受加速度a(t)之间的关系为U(t)＝SKa(t)(4)加速度计输出脉冲信号下的面积所对应的速度Va为Va=∫oτa(t)dt=∫oτ[U(t)/SK]dt=TsU/SK---(5)]]>U=Σk=1NU(k)-----(6)]]>式中τ为加速度脉冲持续时间，TS为瞬态波形存储器24设定的采样间隔，U为脉冲下各采样点的电压值之总和。与多普勒信号测到的速度VD相比，利用式(2)，得被校准加速度计7的冲击灵敏度S为S=UTSKvD=UTSTKD----(7)]]>按本冲击校准方法的实施例对加速度计7进行10次高g值冲出校准，10次校准实测数据见下表(型号BK8309-1810282振动灵敏度0.045 pC/G)
厂方给定的加速度计7的振动灵敏度为0.045PC/g，测试时，电荷放大器25的电荷灵敏度旋钮位为5.00PC/unit，电荷放大器25的放大率旋钮位0.01V/uni，t此时式(7)中的K为2×10-3V/PC。式中D是2.451×10-5m，TS和T均以s为单位，冲击灵敏度S的单位为PC/ms-2。若使冲击灵敏度S的单位为PC/g可再乘以9.80665ms-2/g。冲击的加速度峰值为9～11万g。10次测得的平均冲击灵敏度为0.04644PC/g。
本发明的高g值加速度计的冲击校准装置的实施例见图4、图5、图6，它有配有气泵22的气炮19、砧子31、电荷放大器25、瞬态波形存储器24、测速仪，电荷放大器25用信号电缆26与瞬态波形存储器24连接，砧子31经导向筒28安装在气炮19炮管18的前端，其特征是在砧子31的两端均安装缓冲层27、32，砧子31的前端安装端帽9组成砧子组件8见图7；所说的测速仪是差动激光多普勒测速仪17，差动激光多普勒测速仪17的光轴与气炮19的炮管18垂直安装在砧子组件8旁；差动激光多普勒测速仪17内安装氦氖激光器1、分束器2、两个反光镜5、11、两个聚光镜6、13、作为光电变换器的光电倍增管16，聚光镜6在差动激光多普勒测速仪17的前端，在聚光镜6与氦氖激光器1之间安装分束器2与反光镜5、11，反光镜11是使反射光与氦氖激光器1的出射光平行安装，反光镜5是使反射光与氦氖激光器1的出射光垂直安装，聚光镜13安装在反光镜5的反射光路；在差动激光多普勒测速仪1内还安装作为光信号通路的导光光纤15，在导光光纤15输入端有空间滤波器14与聚光镜13的距离等于聚光镜13的隹距，光电倍增管16在导光光纤15的输出端，光电倍增管16用信号电缆与瞬态波形存储器24连接。校准时将被校准加速度计7紧固在端帽上9，用信号电缆与电荷放大器25连接。
本高g值加速度计的冲击校准装置的实施例，装置长即炮管18安装上砧子组件8的长为2.5m，炮管18长1.9m，炮管18的内径为19mm；在端帽9侧面粘贴苏格兰片。该器件有较强的定向散射功能，提高了激光能量的有效利用率；所用的气阀23是电磁阀门，由气阀23控制气炮19发射子弹10；缓冲层27、32为1cm的毡垫两层，改善了加速度脉冲信号，与之相应的加速度曲线的积分精度也相应提高见图8，为避免比例失调，图中没迭加速度峰值很高的数据曲线，图9、图10是两种实测曲线，由两图对比，加两层缓冲层后曲线光滑度明显提高。
采用本发明的高g值加速度计的冲击校准方法及其装置可用于高于15×105m/s2的冲击校准。
本高g值加速度计的冲击校准装置可长1.8--2.5m，炮管可长1.5--2m，炮管内径可为1.8--22mm。
下面根据ISO/5347求本高g值加速度的冲击校准装置的校准总不确定度，根据本标准，规定置信度为95％时的冲击校准总不确定度X95X95=±√Xr2+Xs2‾----(8)]]>式中Xr为随机不确定度，Xa为系统不确定度Xr=±ter12+er22+………+ern2n(n-1)---(9)]]>式中er1，er2……为单个测量值与该系列测量值的算术平均值之百分偏差。n——量次数t——规定置信度下，n次测量的学生氏分布系数，如n＝10时t＝＝2.26无法消除和修正的不确定度由使用仪器各组成环节的误差造成，可按下式计算Xs=(k/3)e-----(10)]]>
式中k为系数，置信度为95％时，k＝2.0e为由各组成环节引起的冲击校准的相对误差，对于本高g值加速度计的冲击校准装置，可用下式计算c值e=±(eDD)2+(eTT)2+(evv)2+(emamax)2+(eττ)2+(eSS)2+(ec100)2+(em100)2---(11)]]>式中
——激光多普勒测速仪系数的相对误差。
——多普勒信号测周期的相对误差。
——由于其他原因引起的测速相对误差如信号上叠加噪声等。
——记录的峰值加速度的相对误差。
——记录的加速度脉冲持续时间的相对误差。
——正弦校准系数的相对误差，由厂家给定。
——电荷放大器误差(用百分数表示)。
——瞬态记录仪的线性误差(用百分数表示)
对于本高g值加速度计的冲击校准装置的实施例eDD=±0.1%,eSS=±1%,ec100=±1.5%,em100=±1.5%]]>在校准实验中，最大的速度约30m/s，若测15个同期，时间间隔为t≈12μs，采样间隔为0.05μs，取Δt＝±0.1μs，上式第二项T的相对误差为±0.83％。根据实验情况由于其他原因引起的测速相对误差最大不超过±1％。用瞬态波形存储器24记录加速度计的输出，最大输出一般为170个计数以上，误差1个计数，所以上式第四项amax的相对误差为±0.6％。脉冲持续时间最短为100μs，其误差取2个采样点，为±0.1μs，所以上式第五项τ的相对误差为±0.1％。即eTT=±0.83%,evv=±1%,eaamax=0.6%,eττ=±0.1%]]>上述各项代入式(11)和(10)，得e≈±2.8％，Xs≈±3.2％上述校准型号为BK8309-1810282加速度计10次测试的随机不确定度为1.84％，取Xr＝±2％将Xr，Xs值代入式(8)，得到总砂不确定度X95≈±3.8％若采用采样频率为100M的记录仪测多普勒周期，用12bit的仪器测加速度信号，则式(11)中的第二项多普勒周期T的相对误差和第四项a的相对误差均可进一步减少，总不确定度还可提高。
本高g值加速度计的冲击校准装置的校准总不确定度在±4％以内。
权利要求
1.一种高g值加速度计的冲击校准技术，其特征是它是以差动多普勒测速技术用于(1--15)×105m/s2的高g值加速度的冲击校准，用差动激光多普勒测速仪测出由气炮子弹冲击的与加速度计紧固为一体的安装在砧子的端帽的速度；将加速度计的加速度信号经电荷放大器送入瞬态波形存储器的一个通道并作为触发源触发瞬态波形存储器进行采样，由瞬态波形存储器对加速度脉冲进行积分求得冲击结束时刻的最高速度va；同时把差动激光多普勒测速仪的多普勒信号输入同一台瞬态波形存储器的另一通道进行同步采样，并测量该时刻的多普勒信号的周期，由该周期去除差动激光多普勒测速仪的系数得到差动激光多普勒测速仪测得的速度VD；由VD与Va比对求得被校准加速度计的冲击灵敏度S。
2.一个高g值加速度计的冲击校准装置，包括配有气泵的气炮、砧子、电荷放大器、瞬态波形存储器、测速仪，电荷放大器用信号电缆与瞬态波形存储器连接，砧子安装在气炮炮管的前端，其特征是在砧子的两端均安装缓冲层，砧子的前端安装端帽组成砧子组件；所说的测速仪是差动激光多普勒测速仪，差动激光多普勒仪测速仪的光轴与气炮炮管垂直安装在砧子组件旁；在差动激光多普勒测速仪内还安装作为光信号通路的导光光纤，在导光光纤输入端有空间滤波器，光电变换器在导光光纤的输出端，光电变换器用信号电缆与瞬态波形存储器连接。
3.根据权利要求2所述的高g值加速度计的冲击校准装置，其特征是装置长为1.8--2.5m，所说的炮管长为1.5--2m，炮管内径为1.8--22mm。
4.根据权利要求2、3所述的高g值加速度计的冲击校准装置，其特征是在端帽侧面粘贴苏格兰片。
全文摘要
本发明属高g值加速度计的冲击校准技术及其装置，其特征是以差动多普勒测速技术用于高g值加速度计的冲击校准，用差动激光多普勒测速仪测出安装在砧子的端帽的速度，该速度值与加速度计测得的速度值进行比对得被校准加速度计的灵敏度，本方法校准精度高；其校准装置的特征是在砧子的两端均安装缓冲层，前端安装端帽组成砧子组件；差动多普勒测速仪的光轴与炮管垂直安装在砧子组件旁，本校准装置外形小，成本低。
文档编号G01P21/00GK1163403SQ9610169
公开日1997年10月29日 申请日期1996年4月22日 优先权日1996年4月22日
发明者王圣佑, 曹才芝, 费培端 申请人:华北工学院