加速度冲击校准研究

　　随着新技术的不断发展，冲击传感器性能有了较大提高，其应用越来越广泛，几乎涉及到航空航天、仪器仪表、机械制造、土木工程、交通运输与安全环境试验等各个领域，与之相适应的冲击计量检定 ( 校准) 也有了较大发展。

　　表征冲击加速度脉冲的两个主要参数是脉冲峰值和宽度，目前冲击校准大多采用半正弦波的冲击脉冲作为标准运动形式。加速度冲击校准分为绝对法、相对法与比较法，其中绝对法、相对法为一次冲击校准; 比较法为二次冲击校准，分为直接 ( 背靠背) 比较法与替代比较法 ( 简称类比法) 。

　　1 绝对法

　　绝对 ( 激光干涉) 法[1][2]把装有被测传感器的表面作为激光多普勒系统的活动反射体，当该表面受到冲击作用时系统频率发生多普勒偏移，通过测量光频的多普勒变化可以确定运动体速度随时间的变化情况，它直接由时间、长度计量的基本量复现冲击加速度量值，不依赖于其它物理量，更不需要对被校加速度计作任何假设，因而有关的运动量与被校传感器的输出完全无关，准确度高。可用冲击摆、跌落台、落球冲击装置以及电磁能释放装置、弹射式 ( POP) 冲击机和气炮式 ( Hopkinson 棒) 冲击机作为冲击激励源。如 2925 对 ENDEVCO 2270 标准加速度进行绝对法校准，校准装置包括冲击激励源、标准加速度信号测量系统、被校加速度信号数据采集及处理等，测量框图如图 1。具体先将被校加速度传感器 ENDEVCO2270 安装在质量块上，质量块放在导向器上由导向器导向，通过弹射式 ( POP) 冲击机撞击质量块，用采用激光干涉法进行被校加速度传感器套组校准。通常校准范围 100 ～50000m·s- 2，其测量不确定度来源主要包括: ①测量重复性; ②横向运动、冲击位移; ③激光波长、时间、相位解调、峰值测量; ④电压测量等。

　　其合成标准测量不确定度 urel= 1. 0% ，扩展测量不确定度 Urel= 2. 0% ( k = 2) 。

　　另外，2973 高加速度传感器冲击校准装置如图 2所示，冲击加速度最大可达 1000000m·s- 2。随校冲击加速度的增大，受测量重复性、峰值测量及应变引起光栅线密度改变的影响，其不确定度要大些，估计扩展测量不确定度 Urel= 5% ～ 10% ( k = 2) 。

　　2 相对法

　　冲击力法、Hopkinson 压缩波法属于相对法，在冲击加速度检定校准中其参考量 ( 力、应变) 的量值通常是静态检定或校准。

　　2. 1 冲击力法

　　冲击力法是将装有被校加速度计的落锤从某一高度处自由降落，与底座内力传感器发生撞击时而获得对应的不同幅值的半正弦冲击加速度。假设落锤为绝对刚体，被校加速度计与落锤之间刚性连接，则被校加速度计将把这一冲击加速度转换成电量输出 ( 如压电式加速度传感器经电荷放大器放大可用峰值电压表测得被校加速度计所输出的电荷值 E) 。由于落锤、传感器和电缆的部分质量是已知的，根据牛顿定律可求得冲击加速度 a = F/m ( F 为峰值冲击力，m 为被校传感器与载体的总质量) ，进而求得被校加速度计的冲击灵敏度 S = E/a ( E 为被校加速度计输出的电量峰值，mV 或 pC; a 为落锤产生冲击加速度的峰值，m·s- 2) 。冲击激励源是改进的落体式冲击试验台，加速度校准范围 500 ～30000m·s- 2，整体误差主要受冲击力波形测量和动态力传感器频率特性影响，测量原理如图 3 所示。