氣動(dòng)活塞式?jīng)_擊加速度校準(zhǔn)裝置研制

倪 博 田芳怡 沙 江 毛志勇 翁 俊 羅曉平

(上海精密計(jì)量測(cè)試研究所，上海201109)

1 引言

為考核航天器產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)是否能夠滿足要求，暴露設(shè)計(jì)或制造上的缺陷，提高航天器產(chǎn)品的可靠性，航天器在研制中必須進(jìn)行沖擊環(huán)境試驗(yàn)，模擬航天器在運(yùn)輸、裝卸、起落、發(fā)射、飛行、分離、著陸、返回等過(guò)程中所經(jīng)受的各類沖擊環(huán)境。

在沖擊環(huán)境模擬試驗(yàn)中最主要的測(cè)試設(shè)備為沖擊測(cè)量?jī)x(由沖擊加速度傳感器、信號(hào)適調(diào)器、信號(hào)采集處理部分組成)以及沖擊加速度傳感器套組，用于測(cè)量沖擊環(huán)境試驗(yàn)中所產(chǎn)生的沖擊加速度，或者得到?jīng)_擊試驗(yàn)設(shè)備輸出的沖擊加速度幅值和沖擊持續(xù)時(shí)間[1，2]。為此，沖擊測(cè)量?jī)x以及沖擊加速度傳感器套組的技術(shù)指標(biāo)直接影響沖擊試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)性能，在實(shí)際使用前必須對(duì)其沖擊靈敏度、幅值線性度等參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，以確保試驗(yàn)中使用設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)符合試驗(yàn)要求。校準(zhǔn)所用儀器設(shè)備應(yīng)經(jīng)過(guò)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)檢定合格，并在有效期內(nèi)，以確保其計(jì)量技術(shù)性能指標(biāo)穩(wěn)定可靠，能夠滿足軍工產(chǎn)品沖擊環(huán)境模擬試驗(yàn)要求[3～8]。

本文根據(jù)沖擊加速度的計(jì)量保障需求，結(jié)合航天領(lǐng)域沖擊試驗(yàn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，開(kāi)展沖擊加速度傳感器校準(zhǔn)技術(shù)研究，建立沖擊加速度校準(zhǔn)裝置，形成沖擊加速度傳感器、沖擊測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)技術(shù)能力，為國(guó)防軍工產(chǎn)品沖擊試驗(yàn)提供沖擊加速度參數(shù)的量值溯源。

2 沖擊加速度傳感器校準(zhǔn)技術(shù)研究

與振動(dòng)激勵(lì)信號(hào)不同，沖擊激勵(lì)信號(hào)是一個(gè)與脈沖寬度相關(guān)的沖擊波形，近似于半正弦脈沖信號(hào)，可視為兩個(gè)正弦信號(hào)的疊加，其加速度表達(dá)方式為

式中：a——沖擊加速度；A——沖擊加速度峰值；t——脈沖時(shí)間；——脈沖寬度。

將沖擊激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉(FFT)變換，即將其信號(hào)從時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域信號(hào)。

沖擊加速度比較校準(zhǔn)既可以在時(shí)域進(jìn)行，也可以在頻域進(jìn)行。因此，沖擊比較校準(zhǔn)具有相應(yīng)的兩種方法，一種是時(shí)域相應(yīng)峰值比較校準(zhǔn)，一種是頻域響應(yīng)和相位比較校準(zhǔn)。

2.1 時(shí)域比較法校準(zhǔn)

比較參考加速度傳感器與被校加速度傳感器對(duì)同一沖擊激勵(lì)a(t)的響應(yīng)輸出

式中：Vr(t)，Vc(t)——分別為參考和被校加速度傳感器與配套信號(hào)適調(diào)器的響應(yīng)輸出電壓；Sshr，Sshc——分別為參考和被校加速度傳感器的沖擊靈敏度。

式中：Vrp和Vcp——分別為參考和被校加速度傳感器與配套信號(hào)適調(diào)器的響應(yīng)輸出電壓峰值。

2.2 頻域比較法校準(zhǔn)

應(yīng)用快速傅里葉變換(FFT)，可將復(fù)現(xiàn)的時(shí)域沖擊加速度量值，和被校沖擊加速度傳感器響應(yīng)輸出轉(zhuǎn)換到頻域，通過(guò)取變換的幅值比和相位差，來(lái)校準(zhǔn)沖擊加速度傳感器，實(shí)現(xiàn)比較法頻域校準(zhǔn)。

設(shè)復(fù)現(xiàn)的沖擊加速度—時(shí)間歷程為x(t)，被校傳感器對(duì)沖擊激勵(lì)的時(shí)域響應(yīng)輸出電壓—時(shí)間歷程為y(t)，用傅里葉變換，采用其絕對(duì)值和相位角表示為指數(shù)形式

由上公式(4)可得

利用公式(5)可以對(duì)被校沖擊加速度傳感器進(jìn)行頻域的加速度量值的沖擊比較校準(zhǔn)和相位差校準(zhǔn)

3 沖擊加速度校準(zhǔn)裝置研制

沖擊加速度校準(zhǔn)裝置由沖擊激勵(lì)發(fā)生裝置(含砧子和襯墊等)、參考沖擊加速度傳感器、電荷放大器和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 沖擊加速度校準(zhǔn)裝置組成框圖Fig.1 Diagram of impact acceleration calibration device

圖1中虛框內(nèi)的是沖擊加速度校準(zhǔn)裝置總體框圖。本文對(duì)沖擊加速度傳感器(或沖擊測(cè)量?jī)x)校準(zhǔn)采用比較法，即將被校沖擊加速度傳感器和參考加速度傳感器以“背靠背”方式安裝在一起，即被校沖擊傳感器直接安裝在參考加速度傳感器的頂端，兩者承受完全相同的加速度運(yùn)動(dòng)[2]。選取 GB/T 20485.22-2008中推薦的氣動(dòng)活塞式校準(zhǔn)法，利用基于pop式氣動(dòng)拋射原理的沖擊激勵(lì)源作為沖擊發(fā)生裝置，產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)沖擊激勵(lì)。被校沖擊傳感器和參考加速度傳感器同時(shí)接入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到在此沖擊激勵(lì)下的電荷或電壓輸出量。經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處理后，實(shí)現(xiàn)對(duì)被校沖擊加速度傳感器靈敏度幅值、示值誤差、線性度等計(jì)量參數(shù)的校準(zhǔn)。

沖擊激勵(lì)發(fā)生裝置采用的是基于壓縮空氣推動(dòng)活塞(彈體)發(fā)生碰撞的沖擊激勵(lì)裝置，如圖2所示。該裝置利用一個(gè)向上運(yùn)動(dòng)的氣動(dòng)活塞提供簡(jiǎn)單、可控和可重復(fù)的沖擊激勵(lì)信號(hào)源。射出的活塞(彈體)撞擊在砧子上，可產(chǎn)生沖擊峰值幅度在200m/s2～100km/s2(20g～10000g)，脈沖持續(xù)時(shí)間約 100μs～3ms的半正弦脈沖，典型的砧子材料為鋼和鋁。

圖2 沖擊激勵(lì)發(fā)生裝置Fig.2 Impact excitation device

參考沖擊加速度傳感器和配套的電荷放大器分別采用美國(guó)Endevco公司的2270型壓電式加速度傳感器和丹麥B＆K公司的2626型電荷放大器。其作為計(jì)量校準(zhǔn)級(jí)儀器，工作性能優(yōu)異，穩(wěn)定性良好，可以用作沖擊加速度傳感器校準(zhǔn)裝置的參考標(biāo)準(zhǔn)。

數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)采用基于PXI總線技術(shù)的PXI控制系統(tǒng)。PXI控制系統(tǒng)由三個(gè)基本部分組成：機(jī)箱、系統(tǒng)控制器和板卡模塊。機(jī)箱為系統(tǒng)提供了堅(jiān)固的模塊化封裝結(jié)構(gòu)，具有高性能PXI背板，它包括PCI總線、定時(shí)和觸發(fā)總線，可以開(kāi)發(fā)出需要精確同步的應(yīng)用系統(tǒng)。板卡模塊(數(shù)據(jù)采集卡)選用美國(guó)NI公司的PXI-4464數(shù)據(jù)采集卡，方便與基于LABVIEW軟件編制的測(cè)試軟件通訊，采集卡的主要性能參數(shù)如下：

(1)差分通道：4個(gè)；模擬輸入分辨率：24bits；

(2)電流設(shè)置：4mA/10mA/20mA；電壓輸入范圍：±316mV～±42.4V

(3)動(dòng)態(tài)范圍：119dB；采樣率 204.8kS/s；

圖3為沖擊加速度校準(zhǔn)裝置實(shí)物圖。

圖3 沖擊加速度校準(zhǔn)裝置實(shí)物圖Fig.3 Physical diagram of impact acceleration calibration device

4 校準(zhǔn)軟件設(shè)計(jì)

采用NI公司的LabVIEW語(yǔ)言開(kāi)發(fā)沖擊加速度傳感器校準(zhǔn)裝置的分析軟件。LabVIEW是一種圖形化的編程語(yǔ)言，不但能有效地實(shí)現(xiàn)與多種軟硬件模塊的交互，而且還提供了功能齊全的信號(hào)處理模塊，用戶可以通過(guò)調(diào)用強(qiáng)大的信號(hào)采集、處理和保存的函數(shù)庫(kù)及模塊準(zhǔn)確、高效地完成多種數(shù)據(jù)處理功能。

圖4 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理圖Fig.4 Schematic diagram of software structure design principle

校準(zhǔn)軟件主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。測(cè)試軟件啟動(dòng)后先進(jìn)行基本參數(shù)設(shè)置，然后根據(jù)沖擊加速度傳感器相應(yīng)的檢定規(guī)程及校準(zhǔn)規(guī)范，采用相應(yīng)的參數(shù)校準(zhǔn)模塊，進(jìn)行沖擊加速度靈敏度、沖擊加速度示值誤差、脈沖持續(xù)時(shí)間示值誤差、沖擊加速度幅值線性度、相位差(視需要)等參數(shù)的校準(zhǔn)。參數(shù)校準(zhǔn)中產(chǎn)生的測(cè)量結(jié)果，通過(guò)數(shù)據(jù)處理進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，采用報(bào)表生成模塊形成相應(yīng)的原始記錄等電子文件。

本項(xiàng)目校準(zhǔn)軟件有若干校準(zhǔn)項(xiàng)目。首先設(shè)置每項(xiàng)校準(zhǔn)項(xiàng)目的參數(shù)(沖擊加速度量程、脈沖時(shí)間等)，根據(jù)被校沖擊加速度傳感器量程或使用范圍，依據(jù)校準(zhǔn)規(guī)范選定若干校準(zhǔn)點(diǎn)。然后開(kāi)啟數(shù)據(jù)采集卡，通過(guò)沖擊激勵(lì)發(fā)生裝置產(chǎn)生預(yù)設(shè)的沖擊激勵(lì)，讀取參考和被校沖擊加速度傳感器的輸出信號(hào)。重復(fù)上述步驟直至所有校準(zhǔn)點(diǎn)完成，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)將通過(guò)校準(zhǔn)軟件數(shù)據(jù)處理完成相應(yīng)的校準(zhǔn)工作。

5 校準(zhǔn)裝置測(cè)量不確定度評(píng)定

沖擊加速度測(cè)量模型為

式中：a'——校準(zhǔn)裝置測(cè)量的加速度峰值，m/s2；V——參考加速度計(jì)的輸出值，mV；D——電荷放大器設(shè)定的歸一化檔讀數(shù)，pC/Unit；G——電荷放大器設(shè)定的增益檔讀數(shù)，mV/Unit；S——參考加速度計(jì)的靈敏度，pC/(m/s2)。

按照不確定度傳遞率，a'的相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

通過(guò)對(duì)各分量的分析計(jì)算，匯總數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 沖擊加速度測(cè)量不確定度一覽表Tab.1 Summary of uncertainty in impact acceleration Measurement

根據(jù)以上不確定度評(píng)定數(shù)據(jù)可知，校準(zhǔn)裝置沖擊加速度的擴(kuò)展不確定度為3.0% ～3.6%(k=2)，滿足軍工沖擊測(cè)量?jī)x及沖擊加速度傳感器的溯源要求。

對(duì)校準(zhǔn)裝置開(kāi)展性能驗(yàn)證，采用傳遞比較法，用中航304所的沖擊加速度標(biāo)準(zhǔn)裝置和本校準(zhǔn)裝置對(duì)同一個(gè)沖擊測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量，其分別為y0和y，應(yīng)滿足式(6)

式中：y——本裝置沖擊加速度示值誤差；y0——上級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置沖擊加速度示值誤差；Urel——本裝置擴(kuò)展不確定度；U0rel——上級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置擴(kuò)展不確定度。其中，20g：U0rel=1.0%，10000g：U0rel=2.0%(k=2)。

性能驗(yàn)證數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 性能驗(yàn)證數(shù)據(jù)Tab.2 Datasheet of performance verification

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可知，本裝置驗(yàn)證結(jié)果符合預(yù)期性能指標(biāo)。

6 校準(zhǔn)測(cè)試實(shí)例

本文選取2270沖擊加速度傳感器，作為沖擊加速度校準(zhǔn)裝置的測(cè)試實(shí)驗(yàn)對(duì)象，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，研究建立的沖擊加速度校準(zhǔn)裝置可以開(kāi)展20g～10000g測(cè)量范圍、(0.1～3)ms脈沖持續(xù)時(shí)間的校準(zhǔn)。

表3 傳感器靈敏度、持續(xù)時(shí)間校準(zhǔn)Tab.3 Calibration result of transducer sensitivity and duration

7 結(jié)束語(yǔ)

本文采用傳感器比較法，開(kāi)展沖擊加速度校準(zhǔn)方法研究，采用氣動(dòng)活塞式?jīng)_擊激勵(lì)發(fā)生技術(shù)和PXI總線數(shù)據(jù)采集分析技術(shù)，完成了沖擊加速度校準(zhǔn)裝置研究。通過(guò)不確定度分析及試驗(yàn)驗(yàn)證表明，該裝置可為國(guó)防軍工型號(hào)產(chǎn)品沖擊試驗(yàn)提供沖擊加速度參數(shù)的量值溯源。