基于Hopkinson杆的高g值冲击传感器校准

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  • 1 引言
        微加速度计是MEMS(Micro Electromeclaanical System)的一个重要分支,在航空航天、汽车、国防等领域有着广泛应用。高g值加速度传感器作为一次仪表被广泛应用于撞击及高速运动过程中高过载测量,在深侵彻武器设计中,它可用于识别目标,也可用于测量飞机抗坠毁实验中和汽车碰撞试验中的过载川。高g值加速度传感器灵敏度系数的精度直接影响测量精度。由于高g值加速度传感器在很多场合都可以重复使用,在使用过程中,由于所承受高过载作用,其灵敏度系数可能发生变化,需经常校准。因此高g值加速度传感器灵敏度的测量不仅在研制高g值加速度传感器中扮演着重要角色,而且在抗高过载测量中起着重要作用。主要介绍微型霍普金森(Hopkinson)杆技术,采用激光多普勒原理,用衍射光栅做合作目标,使用调频信号的一种数字化解调方法实现多普勒频移数据处理,时间分辨率为一个采样间隔。该技术具有鲁棒性好、过程收敛、结果精确等特点。应用滑动最小二乘拟合直线段的方法实现微分运算,获得冲击速度和加速度的瞬时测量值,并给出实验结果。

    2 加速度传感器校准装置及工作过程
        图1为高g值加速度冲击传感器校准装置,是由Hop-kinson杆、差动式激光多普勒干涉仪、数字示波器和计算机系统组成。

        霍普金森(Hopkinson)激光干涉冲击试验台是加速度传感器冲击标准专用差动激光多普勒测速仪和小型空气炮加载系统,主要用于高g值测量,使用 Hopkinson棒,在杆中产生应力波,在距离端面几倍棒直径处,应力波的波振面实际上变成平面波,只要棒的长度与直径之比充分大,用Hop- kinson冲击机,在校准端面可获得波形良好及横向运动很小的冲击过程。差动式激光多普勒测速仪是测量通过激光探头示踪粒子的多普勒信号,再根据速度与多普勒频率的关系得到速度。由于是激光测量,对于流场没有干扰.测速范围宽,而且由于多普勒频率与速度是线性关系。和该点的温度、压力没有关系,是目前世界上速度测量精度最高的仪器,其工作过程如图1所示,使用Hopkinson冲击机对Hopkinson棒发射弹体,产生冲击加速度,同时作用于光栅和被测加速度传感器,被测加速度传感器测得的信号经信号适调仪后被动态信号分析仪采集,光栅位移经多普勒激光干涉仪产生具有多普勒效应的调频信号,该信号被数字示波器采集,对该调频信号进行频率解调后,可获得作用于加速度传感器的加速度值。

    3 高g值冲击加速度传感器校准原理
        激光多普勒一次冲击校准法采用激光多普勒原理,用衍射光栅做合作目标,绝对复现冲击加速度量值,并校准加速度计。反射式衍射光栅产生的多普勒频移为:

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