專利名稱：寬頻帶高量程加速度計(jì)頻率響應(yīng)特性的校準(zhǔn)裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開的寬頻帶高量程加速度計(jì)頻率響應(yīng)特性的校準(zhǔn)裝置與方法屬加速度傳感器計(jì)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及的是一種寬頻帶高量程加速度計(jì)頻率響應(yīng)特性的校準(zhǔn)裝置和校準(zhǔn)方法。
二.
背景技術(shù)：
寬頻帶高量程加速度計(jì)主要應(yīng)用于高速碰撞尤其是彈體高速侵徹多層裝甲目標(biāo) (如鋼板)過程的加速度測(cè)試，為侵徹彈智能引信的預(yù)設(shè)層數(shù)起爆提供依據(jù)。在多層侵徹過程中，彈體撞擊每一層時(shí)所產(chǎn)生的加速度信號(hào)持續(xù)時(shí)間較短、頻譜分量豐富，這就要求所選用的加速度計(jì)有較高的諧振頻率。同時(shí)為了保證測(cè)量結(jié)果的失真度小于允許的誤差范圍， 被測(cè)信號(hào)的頻率必須在加速度計(jì)的可用工作頻帶之內(nèi)。目前確定加速度計(jì)工作頻帶的主要方法是頻域校準(zhǔn)技術(shù)。實(shí)現(xiàn)頻域校準(zhǔn)的關(guān)鍵是動(dòng)態(tài)激勵(lì)信號(hào)的頻譜要能充分覆蓋被校加速度計(jì)的全部模態(tài)頻率。一般來講，加速度計(jì)的可用工作頻帶在其一階諧振頻率以前，對(duì)動(dòng)態(tài)激勵(lì)信號(hào)的要求是要將被校加速度計(jì)的一階模態(tài)頻率激勵(lì)出來，以期得到該加速度計(jì)的頻率響應(yīng)特性。目前，加速度計(jì)頻率響應(yīng)特性的校準(zhǔn)方法包括振動(dòng)校準(zhǔn)法和沖擊校準(zhǔn)法。對(duì)于振動(dòng)類加速度計(jì)，可在激振臺(tái)上通過掃頻方式獲取加速度計(jì)的工作頻帶；對(duì)于沖擊類加速度計(jì)，其諧振頻率通常在50kHz以上，其中高量程加速度計(jì)的諧振頻率在IOOkHz以上。一般激振臺(tái)的頻率范圍在IOkHz以內(nèi)，國外較好的激振臺(tái)頻率范圍在50kHz以下，如丹麥B&K公司的3629C型比較校準(zhǔn)系統(tǒng)掃頻頻率為3. 0 12. 8kHz，美國ENDEVC0公司的四11型標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)掃頻頻率為2. 0 40kHz，且在此頻率范圍內(nèi)加速度幅值最大為100g，無法滿足對(duì)高 g值加速度傳感器校準(zhǔn)的需求。因此要實(shí)現(xiàn)寬頻帶高量程加速度計(jì)的頻域校準(zhǔn)，必須借助窄脈沖信號(hào)(即準(zhǔn)δ信號(hào))，因?yàn)檎}沖信號(hào)在一定頻率范圍內(nèi)，其幅頻特性可在一定的誤差范圍內(nèi)保持平直性，這個(gè)頻率范圍只與脈沖的寬度有關(guān)，脈沖的形狀對(duì)頻率范圍的影響不大。本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種寬頻帶高量程加速度計(jì)頻率響應(yīng)特性的校準(zhǔn)裝置及方法，該裝置通過玻璃射彈撞擊鈹Hopkinson桿產(chǎn)生的窄脈沖信號(hào)激勵(lì)寬頻帶高量程加速度計(jì)，由應(yīng)變計(jì)和動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀、高感度激光感測(cè)器和寬頻帶調(diào)節(jié)器來測(cè)量加速度計(jì)的輸入信號(hào)， 由電荷或電壓放大器來測(cè)量加速度計(jì)的輸出，通過快速傅立葉變換求得加速度計(jì)的頻率響應(yīng)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)其頻率響應(yīng)特性的校準(zhǔn)。
三.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種寬頻帶高量程加速度計(jì)頻率響應(yīng)特性的校準(zhǔn)裝置與方法，主要針對(duì)諧振頻率在200kHz以上的高量程加速度計(jì)的頻率響應(yīng)特性的校準(zhǔn)，同時(shí)也可以應(yīng)用于諧振頻率在50k 200kHz的高量程加速度計(jì)的校準(zhǔn)。本發(fā)明的技術(shù)方案包括寬頻帶高量程加速度計(jì)頻率響應(yīng)特性的校準(zhǔn)裝置與校準(zhǔn)方法兩部分。關(guān)于這種寬頻帶高量程加速度計(jì)頻率響應(yīng)特性的校準(zhǔn)裝置的技術(shù)內(nèi)容是這樣的 這種寬頻帶高量程加速度計(jì)頻率響應(yīng)特性的校準(zhǔn)裝置，包括有高壓氣體源、發(fā)射管、射彈、 Hopkinson桿、動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀、反光片、放大器、高感度激光感測(cè)器、寬頻帶調(diào)節(jié)器、瞬態(tài)波形記錄儀及計(jì)算機(jī)等。所述的動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀是指頻響范圍在IMHz以上的超動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀，如CS-ID型寬頻帶動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、SDY2107A型超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀。所述的放大器是指頻響范圍在200kHz以上的電荷或電壓放大器，如Kistler Type 5015型電荷放大器、Endevco Model 136型電壓放大器。所述的高感度激光感測(cè)器是指能夠檢測(cè)幅值1. OX IO4g以上、脈寬10 μ s以下的沖擊脈沖激光探測(cè)頭，如Graphtec ΑΤ0023型激光感測(cè)器。所述的寬頻帶調(diào)節(jié)器是指響應(yīng)頻率在0 2MHz范圍內(nèi)的高感度檢波器，如Graphtec AT3700型寬頻帶調(diào)節(jié)器。所述的被校準(zhǔn)的加速度計(jì)是寬頻帶高量程加速度計(jì)。技術(shù)特點(diǎn)在于所述的該裝置包括的射彈為圓柱形平頭玻璃射彈，選擇玻璃材料作射彈是由于玻璃材料的強(qiáng)度極限ob較低，玻璃射彈撞擊Hopkinson桿時(shí)從接觸到碎裂的時(shí)間極短，有利于產(chǎn)生極窄的沖擊脈沖。 該玻璃射彈的直徑D與Hopkinson桿的直徑相同，射彈的長(zhǎng)度為直徑的2倍。所述的該裝置包括的Hopkinson桿為鈹金屬桿，選擇鈹金屬作Hopkinson桿是由于鈹金屬的應(yīng)力波波速極高(約12800m/s)，應(yīng)力脈沖在桿中傳播時(shí)不容易形成彌散，因而不會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力脈沖的前沿升時(shí)變寬。根據(jù)以上所述的寬頻帶高量程加速度計(jì)頻率響應(yīng)特性的校準(zhǔn)裝置，其技術(shù)特點(diǎn)還有利用高壓氣體加速的玻璃射彈撞擊鈹Hopkinson桿時(shí)在桿端面的碎裂可以產(chǎn)生脈寬 2. O 8. O μ S、幅值1. OXlO4g以上的激勵(lì)被校準(zhǔn)加速度計(jì)的沖擊脈沖。通過采用不同速度的玻璃射彈和改變Hopkinson桿的直徑和長(zhǎng)度，可以產(chǎn)生一系列不同脈寬的沖擊脈沖， 如直徑Φ6πιπι、長(zhǎng)度300mm的Hopkinson桿可以產(chǎn)生脈寬2. 0-3. 0 μ s的沖擊脈沖，直徑 Φ 10mm、長(zhǎng)度400mm的Hopkinson桿可以產(chǎn)生脈寬3. 0-4. Oys的沖擊脈沖，直徑Φ 15mm、長(zhǎng)度500mm的Hopkinson桿可以產(chǎn)生脈寬4. 0-6. Oys的沖擊脈沖，直徑Φ20πιπι、長(zhǎng)度600mm 的Hopkinson桿可以產(chǎn)生脈寬6. 0-8. 0 μ s的沖擊脈沖等。關(guān)于這種寬頻帶高量程加速度計(jì)頻率響應(yīng)特性的校準(zhǔn)方法，其技術(shù)特點(diǎn)在于所述的該校準(zhǔn)方法是采用權(quán)利要求1所述的寬頻帶高量程加速度計(jì)頻率響應(yīng)特性的校準(zhǔn)裝置，通過操作該裝置中高壓氣體加速的玻璃射彈撞擊Hopkinson桿，利用玻璃射彈在桿端面的碎裂產(chǎn)生前沿升時(shí)極短的應(yīng)力脈沖激勵(lì)被校準(zhǔn)的寬頻帶高量程加速度計(jì)，通過測(cè)試或計(jì)量?jī)x器，測(cè)得該加速度計(jì)的頻率響應(yīng)特性函數(shù)，實(shí)現(xiàn)其幅頻特性和相頻特性的校準(zhǔn)。即通過操作該裝置中一系列不同的高壓氣體加速的玻璃射彈撞擊Hopkinson桿，在桿端面對(duì)應(yīng)產(chǎn)生一系列不同的前沿升時(shí)極短的應(yīng)力脈沖來激勵(lì)該被校準(zhǔn)的寬頻帶高量程加速度計(jì)，通過測(cè)試或計(jì)量?jī)x器，測(cè)得該加速度計(jì)對(duì)應(yīng)的一系列不同的輸入和輸出響應(yīng)，求出該加速度計(jì)的頻率響應(yīng)特性函數(shù)，實(shí)現(xiàn)其幅頻特性和相頻特性的校準(zhǔn)。根據(jù)以上所述的寬頻帶高量程加速度計(jì)頻率響應(yīng)特性的校準(zhǔn)方法，技術(shù)特點(diǎn)還有所述的激勵(lì)該寬頻帶高量程加速度計(jì)的沖擊脈沖的最大脈沖寬度τ由公式(1)確定T = ^J-(1)，
Jx式中，fx為被校準(zhǔn)的寬頻帶高量程加速度計(jì)的諧振頻率。被校準(zhǔn)的寬頻帶高量程加速度計(jì)的諧振頻率fx和最大激勵(lì)脈沖寬度τ的關(guān)系見表1:
表1不同諧振頻率的加速度計(jì)所對(duì)應(yīng)的最大激勵(lì)脈沖寬度
權(quán)利要求
1.一種寬頻帶高量程加速度計(jì)頻率響應(yīng)特性的校準(zhǔn)裝置，包括有發(fā)射管、射彈、 Hopkinson桿、動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀、放大器、高感度激光感測(cè)器、寬頻帶調(diào)節(jié)器、瞬態(tài)波形記錄儀及計(jì)算機(jī)，特征在于所述的該裝置包括的射彈為圓柱形平頭玻璃彈；所述的該裝置包括的Hopkinson桿為鈹金屬桿。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬頻帶高量程加速度計(jì)頻率響應(yīng)特性的校準(zhǔn)裝置，特征在于利用高壓氣體加速的玻璃射彈撞擊鈹Hopkinson桿在桿端面的碎裂產(chǎn)生脈寬2. O 8. O μ S、幅值1. OXlO4g以上的激勵(lì)被校準(zhǔn)加速度計(jì)的沖擊脈沖。
3.一種寬頻帶高量程加速度計(jì)頻率響應(yīng)特性的校準(zhǔn)方法，特征在于所述的該校準(zhǔn)方法是采用根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬頻帶高量程加速度計(jì)頻率響應(yīng)特性的校準(zhǔn)裝置，通過操作該校準(zhǔn)裝置中高壓氣體加速的玻璃射彈撞擊Hopkinson桿，利用玻璃射彈在桿端面的碎裂產(chǎn)生前沿升時(shí)極短的應(yīng)力脈沖激勵(lì)被校準(zhǔn)的寬頻帶高量程加速度計(jì)，通過測(cè)試或計(jì)量?jī)x器，測(cè)得該加速度計(jì)的頻率響應(yīng)特性函數(shù)，實(shí)現(xiàn)其幅頻特性和相頻特性的校準(zhǔn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的寬頻帶高量程加速度計(jì)頻率響應(yīng)特性的校準(zhǔn)方法，特征在于所述的激勵(lì)被校準(zhǔn)的寬頻帶高量程加速度計(jì)的沖擊脈沖的最大脈沖寬度τ由公式(1) 確定式中，fx為被校準(zhǔn)的寬頻帶高量程加速度計(jì)的諧振頻率。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的寬頻帶高量程加速度計(jì)頻率響應(yīng)特性的校準(zhǔn)方法，特征在于所述的激勵(lì)寬頻帶高量程加速度計(jì)的脈沖可通過高感度激光感測(cè)器和粘貼在 Hopkinson桿中點(diǎn)的應(yīng)變計(jì)同時(shí)測(cè)量，且由高感度激光感測(cè)器測(cè)得的激勵(lì)該加速度計(jì)的沖擊脈沖的寬度應(yīng)等于由應(yīng)變計(jì)測(cè)得的應(yīng)力脈沖的前沿升時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明公開的寬頻帶高量程加速度計(jì)頻率響應(yīng)特性的校準(zhǔn)裝置與方法屬加速度傳感器計(jì)量技術(shù)領(lǐng)域，其校準(zhǔn)裝置有發(fā)射管、玻璃射彈、鈹金屬Hop1kinson桿、測(cè)試儀器等；其校準(zhǔn)方法采用上述校準(zhǔn)裝置，通過操作其校準(zhǔn)裝置中高壓氣體加速的玻璃射彈撞擊Hopkinson桿，利用玻璃射彈在桿端面碎裂產(chǎn)生前沿升時(shí)極短的應(yīng)力脈沖激勵(lì)被校準(zhǔn)的加速度計(jì)，通過測(cè)試儀器，測(cè)得該加速度計(jì)的頻率響應(yīng)特性函數(shù)，實(shí)現(xiàn)其幅頻特性和相頻特性的校準(zhǔn)；本發(fā)明的校準(zhǔn)裝置優(yōu)點(diǎn)有通過該校準(zhǔn)裝置的玻璃射彈撞擊鈹Hopkinson桿，產(chǎn)生脈寬2.0～8.0μs、幅值1.0×104g以上的沖擊脈沖激勵(lì)高量程加速度計(jì)，是本校準(zhǔn)技術(shù)領(lǐng)域的新創(chuàng)新、新突破；本發(fā)明的校準(zhǔn)方法給出了頻率響應(yīng)特性校準(zhǔn)所需的最大脈沖寬度公式，具有重大理論意義和重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G01P21/00GK102353813SQ20111016123
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月12日
發(fā)明者尤文斌, 張紅艷, 徐鵬, 李新娥, 杜紅棉, 林祖森, 沈大偉, 王燕, 祖靜, 范錦彪, 馬鐵華 申請(qǐng)人:中北大學(xué)