高g值加速度计和压电式力传感器的动态校准

　　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。