三軸壓阻加速度計(jì)的激光干涉法沖擊校準(zhǔn)

康鳳霞　祖　靜　王　燕

摘 要：提出一種利用激光多普勒干涉法對(duì)高g值加速度計(jì)進(jìn)行絕對(duì)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(hào)發(fā)生器，應(yīng)用激光多普勒干涉儀可以精確地獲得激勵(lì)加速度脈沖的波形。對(duì)一種三軸壓阻式加速度計(jì)的靈敏度校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了此方法的準(zhǔn)確性，并對(duì)其橫向效應(yīng)進(jìn)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(lèi)號(hào)：TM938.82文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：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(jì)作為一次儀表，已廣泛應(yīng)用于動(dòng)態(tài)過(guò)程中的過(guò)載測(cè)量，尤其是彈體侵徹測(cè)試的研究。加速度計(jì)的靈敏度系數(shù)和頻率響應(yīng)這二個(gè)參數(shù)非常重要，加速度計(jì)經(jīng)過(guò)大過(guò)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(gè)世紀(jì)60 年代以來(lái),世界各國(guó)沖擊校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室相繼開(kāi)展沖擊校準(zhǔn)技術(shù)的研究，提出了多種校準(zhǔn)測(cè)量方法，其中以沖擊力法、速度改變法和激光絕對(duì)法應(yīng)用較為廣泛。這三種方法先后成為國(guó)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(dá)到3%，1998年以后的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)已不再將其列入絕對(duì)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(gè)重大的缺陷：首先，該方法基于被校加速度計(jì)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(píng)估的測(cè)量誤差；其次，將加速度校準(zhǔn)變換為速度改變量的測(cè)量，不進(jìn)行加速度量值的絕對(duì)復(fù)現(xiàn)，校準(zhǔn)結(jié)果依賴(lài)于被校加速度計(jì)對(duì)沖擊激勵(lì)響應(yīng)的正確程度和它本身固有的非線性。該校準(zhǔn)過(guò)程不能夠達(dá)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(jì)量學(xué)的基本量和單位(時(shí)間和長(zhǎng)度) 復(fù)現(xiàn)加速度量值與單位的方法。其特點(diǎn)是可以精確給出加速度計(jì)激勵(lì)的絕對(duì)量值和真實(shí)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(shí)間分別為0.3～6 ms 及0.1～0.3 ms的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)沖擊加速度計(jì)的絕對(duì)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(jì)的校準(zhǔn)裝置如圖1所示，主要由Hopkinson桿、差動(dòng)式激光多普勒干涉儀、數(shù)字示波器、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。

圖1 加速度計(jì)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(lái)產(chǎn)生一右行半正弦壓應(yīng)力脈沖。被校加速度計(jì)通過(guò)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(guò)真空夾具緊密吸合于Hopkinson桿末端。壓力脈沖通過(guò)界面時(shí)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(shí)，被校加速度計(jì)和安裝座將帶著陷入其中的動(dòng)量飛離而獲得沖擊運(yùn)動(dòng)。

被校加速度計(jì)的激勵(lì)加速度信號(hào)通過(guò)差動(dòng)式激光多普勒干涉儀來(lái)獲取。差動(dòng)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(guò)透鏡2又匯聚于粘貼在安裝座表面的光柵平面。激勵(lì)光柵射出的衍射光束經(jīng)反射鏡系統(tǒng)到達(dá)光電倍增管(PM)的陰極表面,并檢測(cè)出由光柵運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移信號(hào)。

圖2 差動(dòng)式激光多普勒干涉儀

根據(jù)多普勒原理，被校加速度計(jì)承受沖擊運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度的時(shí)間函數(shù)v(t)和所應(yīng)用的激光干涉儀的多普勒頻移時(shí)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(yùn)動(dòng)速度；Δf(t)為激光多普勒頻移；m，n為光柵衍射級(jí)數(shù)；l為光柵常數(shù)。對(duì)上式v(t)作微分處理可得沖擊運(yùn)動(dòng)的加速度a(t)。再根據(jù)加速度計(jì)電壓的峰值,可以準(zhǔn)確得到被校加速度計(jì)的加速度沖擊校準(zhǔn)靈敏度：

Sth=Up/ap

(2)

式中:Sth為加速度計(jì)沖擊靈敏度；Up為加速度計(jì)輸出電壓峰值；ap為激勵(lì)加速度峰值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)的三軸壓阻式加速度計(jì)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中將加速度計(jì)各管腳連接至外部檢測(cè)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(gè)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(duì)其靈敏度進(jìn)行校準(zhǔn)，表1給出了其校準(zhǔn)結(jié)果。

表1 加速度計(jì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)比對(duì)表

軸向

激光多普勒干涉儀測(cè)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(duì)被校加速度計(jì)z軸第一次校準(zhǔn)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)曲線。圖3為沖擊過(guò)程中激光干涉儀測(cè)得的多普勒信號(hào)。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(duì)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(guò)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(guò)程中激光多普勒干涉信號(hào)

圖4 沖擊過(guò)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(guò)程中加速度計(jì)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(duì)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(duì)上述加速度計(jì)進(jìn)行沖擊校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)所得的橫向效應(yīng)比對(duì)結(jié)果。

圖5 沖擊過(guò)程中產(chǎn)生的加速度波形

圖6 沖擊過(guò)程中加速度計(jì)的Z軸輸出波形

表2 加速度計(jì)橫向效應(yīng)比對(duì)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(jì)z軸作主軸時(shí)的第二組測(cè)試曲線。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：z軸作主軸時(shí)，x軸和y軸的橫向響應(yīng)很?。欢趚軸或y軸作為主軸時(shí)，z軸卻有很大的橫向效應(yīng)，遠(yuǎn)大于5%。分析其橫向效應(yīng)主要包含兩部分：加速度計(jì)沖擊過(guò)程中橫向拉伸或壓縮引起應(yīng)力變化;加速度計(jì)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(guò)程中加速度計(jì)安

裝的偏差及該校準(zhǔn)方法本身所帶來(lái)的不確定度都有

可能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成較大的影響，這一點(diǎn)還需進(jìn)一步的研究。

圖7 z軸為主軸時(shí)三軸加速度計(jì)的輸出波形曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

本文所提出的激光干涉絕對(duì)法復(fù)現(xiàn)的沖擊加速度量值，直接溯源于激光波長(zhǎng)和時(shí)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(guò)對(duì)表1、表2中加速度計(jì)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，可以得到如下的結(jié)論：

(1) 該加速度計(jì)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(lì)對(duì)x,y軸影響小；x,y軸激勵(lì)對(duì)z軸影響大；x,y軸互相影響較小。

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作者簡(jiǎn)介 康鳳霞 女,1984年出生，碩士研究生。主要研究方向?yàn)楦遟值加速度傳感器的動(dòng)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(qǐng)以PDF格式閱讀原文。