[发明专利]一种高量值加速度计冲击校准方法及其装置

说明书

本发明属高g值加速度计冲击校准方法及其装置。

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时正弦校准系数，称之为静态校准系数。在高g值强冲击作用下，如弹丸击中目标时的受载情况，加速度计的灵敏度与正弦校准系数时有差异，加速度计的灵敏度在强冲击也会发生一定程度的变化。所以为了在高g值即数万g至数十万g的加载情况下可靠地发挥加速度计的测量精度，需对所用的加速度计进行冲击校准。所得冲击校准系数称为动态校准系数。

对加速度计的高g值冲击校准，普遍采用速度增量法，以往的技术是把待校准的加速度计直接安装在可沿导向装置，如导轨或导向筒运动的砧子上，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由脉冲加速度形成的速度增量。所谓加速度计的绝对法冲击校准中被普遍采用的速度增量法，是要采用一种可靠的测速技术，对安装待校准加速度计的砧子受冲击后的末速度进行精确测量，然后与同时测得的待校准加速度计输出的脉冲加速度曲线下的面积进行比对，从而获得待校准加速度计的动态校准系数，用于高g值冲击加速度计的测量。现有的测速法有光切割法、霍普金森杆法、激光干涉法。霍普金森杆法是用空气炮发射的子弹撞击粘有应变片的钛合金棒，实际上是用应变计来校准加速度计，只能算作相对校准，对应变片及其粘结剂在强冲击条件下的动态特性未作考虑，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只有±6％。

国际标准ISO/DIS5347—2中，关于振动与冲击传感器的校准方法是光切割法。是用被子弹撞击的砧子相继切割横置的几条激光束，与激光束相应配置的光电接收器就会输出相应的挡光脉冲信号。由挡光脉冲间的时间间隔和相应光束的空间距离，即可求得砧子在光束间的平均速度。其缺憾很明显。首先，为保证所需的长度计量精度，激光束的空间距离不能太小，一般不小于10mm，在如此长距离内求均速度，因各种阻滞因素的作用，其平均速度必然小于其真实的速度增量。其次，由于冲击加载和缓冲的随机性特点，加速度脉冲宽度和波形也有一定的随机性，横置激光束的空间位置很难设置得恰到好处，因此而引入的测速误差更加不容忽视。总之，此种求平均速度的测速法不可能准确地测出砧子的峰值速度，其校准的总不确定度不大于±5％。

激光干涉法即用双光束干涉仪，曾被成功地用于较广泛的测速领域，但截至目前未被纳入有关振动与冲击加速度传感器校准的国际标准，其根本原因在于双光束干涉仪系统不能适用干扰强烈的高g值冲击加速过程的速度测量。以欧洲的公开号EP0503574A1的《激光枪弹测量装置》为例，该方法成功地把双光束激光干涉仪用于枪炮的内、外弹道测速，但是把该激光测速系统用于高g值加速度计的冲击校准，有其固有的困难，因为两种待测对象明显的不同。弹道速度的变化过程相对于高速碰撞的速度变化过程要平缓得多，弹丸在炮膛内的加速过程需时数毫秒，相当于单冲程活塞运动，比较平稳，弹丸出膛后的自由飞行过程更平稳。因此，对环境扰动敏感的双光束干涉系统，只要设置相对稳定的台架，用于内、外弹道测速是可行的。即使由于支架或气流的扰动使得干涉条纹有局部丢失现象，因其延续时间是毫秒量级，也可由被丢失条纹的前后数据进行补救，仍可获得较完整的加速过程测试数据。但对于高g值冲击加速过程，持续时间仅数十微秒，而且是强烈的碰撞加载，由于强冲击造成的机架震动、气流扰动也是强烈的，就会造成双光束干涉仪的测量臂与参考臂之间的附加光程差，它同样以干涉条纹抖动或条纹移动的形式叠加在测试信号中，形成误差。严重时会使测试完全失败，这种失败是应竭尽全力避免的或者说是不允许的，因在10万g以上的强冲击，稍有不慎会造成价格昂贵的待校准传感器的彻底损坏。

从双光束干涉仪的构成机理来说，因其参考光路与测量光路完全分离，环境扰动一般仅仅作用于测量光路而造成破坏，因此抗干扰性能差，而且此法测速的信号频率太高，测速上限较低，不能达到高g值加速度计冲击校准的要求。特别指出的是，在弹丸从炮管中脱口而出的瞬间，扰动是非常强烈的，与此同时炮膛内的火药气体会突然将弹丸包围形成高温高压的等离子屏障，一切测速手段均暂时失效。弹丸一旦穿出火药气体即可进行外弹道测试，弹丸出膛时的恶劣环境只会造成测试的局部信号丢失。而高g值加速度计的冲击校准过程，却是在最强烈的碰撞进行时取得全部测试数据。公开号EP0503574A1所描述的激光多普勒测速系统只是用于枪炮的内、外弹道测速，不能用于高g值加速度计的冲击校准。