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高g值加速度计和压电式力传感器的动态校准

2014/11/13 22:45:44  来源:计测网通讯员 
字号: 13号字 16号字

  摘要:本文提出一种高g值加速度计的动态校准方法和装置,其最大加速度峰值超过100 000g。这套装置还可以对压电式力传感器进行动态校准。文中给出两个加速度计加速度峰值的二十余次实验结果,以及加速度计与力传感器的冲击响应实验曲线。同时,还求出它们的动态数学模型(包括差分模型、传递函数、频率特性)和动态性能指标。此外,还讨论了本文的4个创新点。

  1 前言

  我们在加速度计和力传感器动态校准方面做过不少工作,大部分都总结在参考文献[1,2]内。当时用G-1000型的冲击校准装置,最大g值只能达到1 000g。频域校准曾用过中国计量科学研究院的标准振动台和航空工业总公司304研究所的振动台。本文提出一种超高g值加速度计和力传感器的动态校准方法和系统,其加速度可达到100 000g以上。Endevco公司采用压缩波在100 000g下校准加速度计,它使弹丸射到一根细长棒端部,在棒的另一端产生半正弦的加速度脉冲,在这端部装上被校的加速度计。有的文献称这种棒为Hopkinson或Davies′棒[3~5]。参考文献[5]还介绍了日本工业界的动态力和加速度测量技术。参考文献[7]中介绍的微型伺服加速度计便有一种量程为100 000g的。

  2 创新思想

  2·1 冲击在硬基座上获得高g值

  我们实验室用的无锡计量所生产的G-1000冲击标定机,采用更换不同材料与厚度的垫块和落锤高度以改变冲击g值。我们认为,冲击在硬基座上方可获得高g值。为此,先自制一个小落锤冲击标定机,其落锤的下端和冲击底座均选用硬质合金制做,高不到半米,试验结果最大冲击加速度可以达到104g量级。两种硬质合金碰撞接触时间较短,很快回弹,使冲击脉冲的脉宽较窄,这样的冲击激励信号的频谱较宽,可用来校准高频加速度计和力传感器。

  2·2 高速冲击获得高g值

  设有两物体相撞,它们的质量分别为m1与m2,一物体以速度v1碰撞第二个物体,使它以速度v2离开,在碰撞中可认为动量不变,于是下式成立:

  由此可见,被撞物体的速度和m1、m2之比成正比。若选择m1>m2,便可得到v2>v1。若选m1为气枪弹,m2为被冲击加速度计及其安装座,这样冲击加速度计的速度便可以大于气枪弹的速度。让这样的冲击加速度计直接冲击在硬基座上,便有望获得很高的g值。

  2·3 压差自动破膜法获得高g值

  高压气体在高压腔内,用膜片与低压腔隔开,当压差逐渐增大到一定程度时膜片自动破裂(破膜压差取决于膜片的材料和厚度),高压空气冲过膜片,推动低压腔内的气枪弹丸(其质量为m1)以v1的速度在管内向前冲。加速度计及底座(质量为m2)等在低压腔内,当弹丸冲来时,m1与m2碰撞,使m2以v2速度继续向前冲,直冲击底座上,速度突然为零,产生很大的冲击加速度和冲击力。

  2·4 同时校准加速度和力两个传感器

  在冲击底座上装一个力传感器,让加速度传感器冲击在力传感器上,既产生一个冲击加速度,又给力传感器一个冲击力脉冲,两个传感器同时激励,这样,便可以同时校准加速度和力两个传感器。这些便是本校准装置的4个创新点。

  3 动态校准装置和系统

  3·1 基本原理

  本文提出的高g值加速度计校准的激励信号,是直接由碰撞产生的。气弹由压缩空气加速射到装有加速度计的底座上,使它加速,并射到固定在基座的力传感器上,使加速度计获得一个半正弦的加速度脉冲;力传感器受到一个脉冲力,所以这套装置同时是加速度脉冲和力脉冲的发生器。压缩空气的压力越大,弹丸的速度、所产生的加速度脉冲峰值也越大。适当调整压缩空气的压力,便可使加速度脉冲的峰值达到或超过100 000g。

  3·2 动态激励信号发生器

  图1是建立高于100,000g冲击加速度的动态激励信号发生器的原理图。高压气瓶内的高压压缩空气经气瓶上端的减压阀进入高压室。气弹(质量为m1)所在管道内为低压室。当高、低压室(低压室通大气)的压力差达到一定值(取决于膜片的材料与厚度)时,膜片破裂,高压气体推动气弹(质量为m1)在密封管内加速,并以速度v1前进,推动加速度计(质量为m2)加速,以速度v2前进,最后射到垫圈和力传感器上,使加速度计受到一个加速度脉冲,力传感器受到一个脉冲力的激励。为牢固和安全起见,冲击台安装在水泥基座上。

  3·3 动态校准系统的记录处理线路原理图

  图2是动态校准系统的记录处理线路原理图。其中305A02型冲击加速度计是内装放大器,故需要它的电源482A。两传感器输出的信号经放大后,通过ULB型双通道有源滤波器滤波,由DMS-6440数字存储示波器记录,并经接口电路送入计算机进行数据处理,记录曲线可用x-y记录仪绘出,计算机处理结果由绘图仪和打印机输出。

  被校加速度计是美国PCB公司305A02型击加速度计,它内装放大器,需±5 V电源。其量程为±50 000g,灵敏度(典型值为0·1 mV/g),幅值线性度为1·0% F.S.(零基最佳直线),横向灵敏度为5%,轴向冲击最大峰值为100 000g,输出阻抗为100Ω。

  被校力传感器是航天部702研究所生产的压电晶体式5115型的力传感器,测量范围为250000 N,分辨率为5N,灵敏度为2·31 %/N,最佳直线的零基线性度为1·7%F.S.,在航空工业总公司304研究所进行预紧力与灵敏度关系实验,分别在1 000N和5 000N预紧力下进行3个循环加载,结果表明灵敏度变化在1·7%F.S.之内。

  4 高g值加速度计峰值校准

  改变膜片材料和厚度,可改变破膜压力,从而改变冲击加速度的峰值。图3是两个型号为305A02的加速度计(编号为4326和4325)二十余次实验的结果,其纵座标是加速度峰值am,横座标是破膜压力P。由图3可以看出当破膜压力为6×105Pa时,加速度峰值已达到100 000g。若再增加膜片厚度,便可获得大于100 000g的加速度峰值。

  5 压电式力传感器的动态校准

  5·1 冲击响应实验结果

  这里所用的力传感器是5115型压电式力传感器,图4的曲线1是实验冲击响应的记录曲线,脉冲宽度为65μs。

  5·2 动态数学模型

  由这组实验数据便可建立差分方程[1,2](4阶模型):

  由该差分方程计算的冲击响应如图4的曲线2所示。由图4的曲线1与2,可以看出实验曲线和模型计算曲线相当吻合,说明用这4阶模型描述该力传感器的动态性能是合适的。传递函数为

频率特性曲线如图5所示。

  5·3 动态性能指标

  由频率特性曲线可求出压电式力传感器的频域动态性能指标为:幅值误差为±10%的工作频带为ωg1=5·85 kHz,φ(ωg1)=-5·431 2°;幅i值误差为±5%的工作频带为ωg2=4·3 kHz ,φ(ωg2) = -3·944 4°;谐振频率为ωx=15·7 kHz;谐振峰值为Am=22·492 7。

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