落锤式冲击加速度标准装置的研究与试验

　　一、概述

　　随着生产实践和科学技术的发展，越来越多的领域需要对某一动态或者瞬态过程进行准确测量，而加速度传感器是广泛应用于该类测量的微机电测量系统。 例如在汽车工业中，评价汽车安全性能的主要手段就是汽车碰撞试验。 该试验主要依靠加速度传感器等来获得汽车碰撞试验中各个主要部分的数据。 灵敏度是加速度传感器的一个主要指标，对传感器进行校准主要是在振动标准装置上进行，采用的是正弦稳态激励法，即在一个较宽的频率范围内采用单频正弦信号作为输入信号，这样可以得到在传感器各个不同频率点的频率响应特性， 从而得到被校传感器的特性。另一种确定传感器灵敏度的方法是冲击激励法，该方法可以在很宽的频率范围与较大的加速度幅值下对传感器进行校准。 冲击激励法是校准振动传感器幅值线性特性最为理想的方法。 一般应根据实际情况选择采用合适的校准方式。

　　采用冲击激励法校准加速度传感器是在冲击标准装置上进行的，冲击加速度标准装置产生机械冲击激励被校传感器，通过激光干涉仪(绝对法)或者标准传感器(比较法)测量得到该机械冲击量的大小，同时与被校传感器的输出进行比较， 即可得到该传感器的灵敏度。 产生冲击激励的装置主要有摆锤式、落锤式、 气动活塞式及基于Hopkinson杆的冲击激励源。 各种不同的冲击激励源在冲击波形、加速度幅度及脉冲保持时间上有所不同，各有特点。 本文主要介绍落锤式冲击加速度标准装置的结构原理和在其上实现的冲击绝对法与比较法校准，分析讨论振动与冲击绝对法校准结果偏差的原因;试验数据验证该标准装置的可靠性。

　　二、落锤式冲击加速度标准装置的结构与系统组成

　　1.落锤式冲击激励装置的结构

　　落锤式冲击激励装置的结构示意图如图1所示。

　　该装置的工作过程是首先采用人工或电机控制方式将落锤提升到某一个高度， 释放后使其自由降落。 为了产生较大的加速度，也可以施加一定的初速度让其迅速下落。 当落锤与安装有垫层的砧头发生碰撞时，就会产生一定幅度的冲击激励，该冲击激励即为被校加速度传感器的机械输入量。 需要说明的是，为了保证碰撞产生的冲击激励波形光滑且幅度较大，必须保证两根导轨的表面光洁度达到一定的要求，并且保证其安装的平行度与垂直度。 同时，落锤与导轨之间为间隙配合; 落锤碰撞面需加工成一定的弧度，以保证其与砧头的对心碰撞。

　　2.落锤式冲击加速度标准装置的系统组成

　　冲击绝对法校准是利用激光干涉仪直接测量碰撞产生的冲击激励， 是具有最高准确度的冲击校准方法。 冲击比较法校准是利用一个经过冲击绝对法校准过的标准传感器作为标准， 通过比较被校加速度传感器的输出与标准传感器的输出， 实现被校传感器的校准。 根据ISO16063-13《激光干涉法冲击绝对校准》和ISO16063-22《冲击比较法校准》的要求，在该装置上实现冲击绝对法与冲击比较法的结构框图，如图2所示。