一種低g值范圍內(nèi)的加速度計校準(zhǔn)系統(tǒng)及校準(zhǔn)方法
【專利摘要】本發(fā)明為一種低g值范圍內(nèi)的加速度計校準(zhǔn)系統(tǒng)及校準(zhǔn)方法，該校準(zhǔn)系統(tǒng)包括動力源、碰撞體、空氣軸承以及沖擊加速度檢測模塊；沖擊加速度檢測模塊包括加速度計、激光干涉儀、數(shù)據(jù)處理單元；激光干涉儀、空氣軸承以及動力源依次沿水平方向同軸布置，碰撞體通過空氣軸承懸浮支撐；加速度計和激光干涉儀與數(shù)據(jù)處理單元電連接；該校準(zhǔn)方法通過動力源沖擊碰撞體，通過加速度計和激光干涉儀分別測量碰撞體的加速度，并將測量結(jié)果傳輸至數(shù)據(jù)處理單元，通過比對測量結(jié)果，完成校準(zhǔn)過程；本發(fā)明實現(xiàn)沖擊加速度峰值控制精度優(yōu)于1%，沖擊加速度峰值重復(fù)性優(yōu)于1%；校準(zhǔn)系統(tǒng)的橫向運動優(yōu)于3%；校準(zhǔn)系統(tǒng)的沖擊加速度峰值測量不確定度為0.5%。
【專利說明】一種低g值范圍內(nèi)的加速度計校準(zhǔn)系統(tǒng)及校準(zhǔn)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及計量檢測領(lǐng)域中的一種校準(zhǔn)系統(tǒng)，尤其涉及一種低g值范圍內(nèi)的加速 度計校準(zhǔn)系統(tǒng)及校準(zhǔn)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前，產(chǎn)生沖擊加速度機(jī)械激勵的裝置主要由如下幾種：落錘式?jīng)_擊加速度機(jī)械 激勵、氣動式?jīng)_擊加速度激勵系統(tǒng)、擺錘式?jīng)_擊加速度機(jī)械激勵以及基于Hopkinson桿的 沖擊加速度機(jī)械激勵系統(tǒng)；
[0003] 上述沖擊加速度激勵系統(tǒng)，其主要的缺點與不足在于：
[0004] 1)沖擊加速度機(jī)械激勵系統(tǒng)所能夠產(chǎn)生的沖擊加速度峰值難以精確控制，一般來 說沖擊加速度峰值控制的精度難以達(dá)到5%。
[0005] 2)沖擊加速度機(jī)械激勵系統(tǒng)所能夠產(chǎn)生的沖擊加速度峰值的重復(fù)性難以保證，一 般來說沖擊加速度峰值重復(fù)性難以達(dá)到5%。
[0006] 3)上述沖擊加速度機(jī)械激勵系統(tǒng)基于一次機(jī)械碰撞產(chǎn)生沖擊加速度過程，故系統(tǒng) 的橫向運動較大，橫向運動一般在10%左右。
[0007] 4)由于裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)的原因，以及基于一次機(jī)械碰撞產(chǎn)生沖擊加速度激勵過程， 機(jī)械裝置難以產(chǎn)生足夠精度的機(jī)械運動，故難以利用外差式干涉儀基于多普勒原理進(jìn)行絕 對法測量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)的沖擊加速度校準(zhǔn)系統(tǒng)精度較低的問題，提供了一種低g 值范圍內(nèi)的加速度計校準(zhǔn)系統(tǒng)及校準(zhǔn)方法；通過對機(jī)械結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，實現(xiàn)了在一定沖擊加 速度范圍內(nèi)的高精度沖擊加速度機(jī)械激勵系統(tǒng)；
[0009] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0010] 本發(fā)明的第一個保護(hù)主題是：一種低g值范圍內(nèi)的加速度計校準(zhǔn)系統(tǒng)；
[0011] 所述校準(zhǔn)系統(tǒng)包括動力源、碰撞體、空氣軸承6以及沖擊加速度檢測模塊；
[0012] 所述沖擊加速度檢測模塊包括待測加速度計1、激光干涉儀2以及數(shù)據(jù)處理單元； 所述待測加速度計1和激光干涉儀2的信號輸出端與所述數(shù)據(jù)處理單元電連接；所述激光 干涉儀2、空氣軸承6以及動力源依次沿水平方向同軸布置，所述碰撞體通過所述空氣軸承 6懸浮支撐，所述碰撞體沿所述空氣軸承6軸向做零摩擦運動；
[0013] 所述碰撞體受所述動力源沖擊產(chǎn)生加速運動，通過所述待測加速度計1和激光干 涉儀2分別測量所述碰撞體的加速度，并將測量結(jié)果傳輸至所述數(shù)據(jù)處理單元，通過所述 數(shù)據(jù)處理單元比對所述待測加速度計1和激光干涉儀2的測量結(jié)果，完成對所述待測加速 度計1的校準(zhǔn)過程。
[0014] 在測量過程中，碰撞體所做的都是零摩擦運動，每次運動的能量損失相同，這樣才 能保證測量得到的加速度峰值的重復(fù)性與可控性。
[0015] 在只有一個碰撞體時，直接通過動力源擊打碰撞體產(chǎn)生的沖擊加速度峰值重復(fù)性 不好，且碰撞體的橫向運動幅度較大，故將所述碰撞體的數(shù)量增加至兩個，其分別為錘頭3 和砧頭4,二者均為圓柱體結(jié)構(gòu)；所述動力源、錘頭3、砧頭4、待測加速度計1以及激光干涉 儀2沿水平方向同軸布置，所述錘頭3和砧頭4分別通過所述空氣軸承6懸浮固定，所述待 測加速度計1固定設(shè)置在所述砧頭4上；
[0016] 所述錘頭3受所述動力源沖擊產(chǎn)生加速運動，所述砧頭4受所述錘頭3沖擊產(chǎn)生 加速運動，通過所述待測加速度計1和激光干涉儀2分別測量所述砧頭4的加速度。
[0017] 所述空氣軸承6的數(shù)量為兩對；
[0018] 一對所述空氣軸承6沿所述錘頭3的長度方向間隔布置，共同支撐所述錘頭3 ;另 一對所述空氣軸承6沿所述砧頭4的長度方向間隔布置，共同支撐所述砧頭4。
[0019] 所述錘頭3與所述砧頭4的接觸面上設(shè)置有墊層5,其目的是產(chǎn)生一定脈沖持續(xù)時 間的沖擊加速度波形。
[0020] 在具體實施中，所述錘頭3與砧頭4為尺寸、質(zhì)量均相同的金屬圓柱體，該金屬材 料可為不銹鋼、合金鋁以及鈦合金等，所述錘頭3與砧頭4的加工精度小于或等于5um。
[0021] 所述動力源產(chǎn)生的沖擊加速度峰值范圍是5g?1000g，g為重力加速度，脈寬為 0· 5ms ?10ms〇
[0022] 為了保證動力源、錘頭3以及砧頭4的同軸度，所述校準(zhǔn)系統(tǒng)還包括型槽7,作為所 述動力源以及空氣軸承6的底座；
[0023] 所述動力源以及空氣軸承6分別固定設(shè)置在所述型槽7底部，并沿所述型槽7的 開槽方向間隔布置；
[0024] 所述型槽7的橫截面形狀為V型或U型。
[0025] 為了確保錘頭3和砧頭4在產(chǎn)生加速運動后能夠回到原位，所述型槽7傾斜于水 平面布置，所述型槽7與水平面之間的夾角范圍是0?10度；錘頭3與砧頭4在完成一次 沖擊后，在自身重力作用下快速復(fù)位。
[0026] 所述數(shù)據(jù)處理單元包括激光控制器8、信號調(diào)理器9、數(shù)據(jù)采集器10以及計算機(jī) 11 ;
[0027] 所述激光控制器8的信號輸入端與所述激光干涉儀2的信號輸出端相連接，所述 信號調(diào)理器9的信號輸入端與所述待測加速度計1的信號輸出端相連接，所述激光控制器 8和信號調(diào)理器9的信號輸出端匯總連接至所述數(shù)據(jù)采集器10,所述數(shù)據(jù)采集器10的輸出 端與所述計算機(jī)11相連接。
[0028] 所述激光控制器8作用是將激光干涉信號轉(zhuǎn)換為電信號，其中包括激光管的電源 部分，以及電信號的濾波部分等。因為激光是一種光信號，需要通過光電管轉(zhuǎn)化為可采集處 理的電信號才可運算。
[0029] 所述信號調(diào)理器9的作用是將電荷量轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的電壓量，即將壓電加速度計的 高輸出阻抗變?yōu)榈洼敵鲎杩埂?br> [0030] 所述信號采集器10為PXI采集器，其作用是高速同步采集經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的激光干 涉儀信號與加速度計信號。同步采集保證兩個信號不會有相位差，這樣保證在后續(xù)的計算 機(jī)運算處理得到加速度計正確的相位特性。
[0031] 在具體實施中，動力源為電磁錘12或空氣錘；
[0032] 電磁錘的主要優(yōu)點在于能精確控制，確保沖擊加速度峰值的可控性，特別是對于 峰值很低的沖擊加速度峰值時，都能具有很好的重復(fù)性。
[0033] 空氣錘的主要優(yōu)點是在于能量較大，沖擊加速度峰值可達(dá)1000g以上，且同樣保 持較好的重復(fù)性。
[0034] 本發(fā)明的第二個保護(hù)主題是：利用所述校準(zhǔn)系統(tǒng)對沖擊加速度測量設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn) 的方法，所述校準(zhǔn)方法的具體步驟為：
[0035] 步驟1，搭建校準(zhǔn)系統(tǒng)：
[0036] 將所述型槽7固定在水平面上，將所述動力源和所述空氣軸承6沿所述型槽7的 開槽方向間隔布置，將所述待測加速度計1設(shè)置在所述砧頭4上；調(diào)整所述空氣軸承6的注 氣量，使所述錘頭3和砧頭4分別懸浮固定在所述空氣軸承6中；
[0037] 步驟2,設(shè)置物理參數(shù)：
[0038] 在所述計算機(jī)11中設(shè)置物理參數(shù)，包括輸入電壓值、脈寬值以及實驗次數(shù)；
[0039] 步驟3,生成沖擊加速度：
[0040] 控制所述動力源沖擊所述錘頭3,所述錘頭3受到?jīng)_擊產(chǎn)生加速運動并沖擊所述 砧頭4,所述砧頭4在所述錘頭3沖擊下產(chǎn)生加速運動；
[0041] 步驟4,測量所述砧頭4的沖擊加速度：
[0042] 分別通過所述待測加速度計1和激光干涉儀2測量所述砧頭4的加速度，所述待 測加速度計1的測量結(jié)果傳輸至所述信號調(diào)理器9,所述激光干涉儀2的測量結(jié)果傳輸至所 述激光控制器8 ;
[0043] 步驟5,處理測量數(shù)據(jù)；
[0044] 通過所述激光控制器8將激光干涉信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過所述信號調(diào)理器9將 待測加速度計1的高輸出阻抗變?yōu)榈洼敵鲎杩?，并通過所述數(shù)據(jù)采集器10高速同步采集經(jīng) 光電轉(zhuǎn)換后的激光干涉儀信號與加速度計信號，并采集到的信號傳輸至所述計算機(jī)11 ;
[0045] 步驟6,比較測量數(shù)據(jù)；
[0046] 通過所述計算機(jī)11比較所述步驟5得到的激光干涉儀信號和加速度計信號，驗證 所述待測加速度計1的測量精度；
[0047] 步驟7,判斷實驗進(jìn)行次數(shù)是否達(dá)到所述步驟2的設(shè)定值；
[0048] 若實驗進(jìn)行次數(shù)小于設(shè)定值，則重復(fù)執(zhí)行步驟3?步驟7的操作步驟；
[0049] 若實驗進(jìn)行次數(shù)達(dá)到設(shè)定值，則通過所述計算機(jī)11輸出測量結(jié)果，測量過程結(jié) 束。
[0050] 在具體實施中，本校準(zhǔn)方法是利用絕對法對所述待測加速度計1進(jìn)行校準(zhǔn)，其具 體過程是：
[0051] 所述步驟4中：
[0052] ①根據(jù)激光多普勒干涉的基本公式獲取干涉信號uh(t)，如公式1所示：
[0053]

【權(quán)利要求】
1. 一種低g值范圍內(nèi)的加速度計校準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于： 所述校準(zhǔn)系統(tǒng)包括動力源、碰撞體、空氣軸承（6)以及沖擊加速度檢測模塊； 所述沖擊加速度檢測模塊包括待測加速度計（1)、激光干涉儀（2)以及數(shù)據(jù)處理單元； 所述待測加速度計（1)和激光干涉儀（2)的信號輸出端與所述數(shù)據(jù)處理單元電連接；所述 激光干涉儀（2)、空氣軸承（6)以及動力源依次沿水平方向同軸布置，所述碰撞體通過所述 空氣軸承（6)懸浮支撐，所述碰撞體沿所述空氣軸承（6)的軸向做零摩擦運動； 所述碰撞體受所述動力源沖擊產(chǎn)生加速運動，通過所述待測加速度計（1)和激光干涉 儀（2 )分別測量所述碰撞體的加速度，并將測量結(jié)果傳輸至所述數(shù)據(jù)處理單元，通過所述數(shù) 據(jù)處理單元比對所述待測加速度計（1)和激光干涉儀（2)的測量結(jié)果，完成對所述待測加 速度計（1)的校準(zhǔn)過程。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低g值范圍內(nèi)的加速度計校準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于： 所述碰撞體的數(shù)量為兩個，其分別為錘頭（3)和砧頭（4)，二者均為圓柱體結(jié)構(gòu)；所述 動力源、錘頭（3)、砧頭（4)待測加速度計（1)以及激光干涉儀（2)沿水平方向同軸布置，所 述錘頭（3)和砧頭（4)分別通過所述空氣軸承（6)懸浮固定，所述待測加速度計（1)固定設(shè) 直在所述站'頭（4)上； 所述錘頭（3 )受所述動力源沖擊產(chǎn)生加速運動，所述砧頭（4 )受所述錘頭（3 )沖擊產(chǎn)生 加速運動，通過所述待測加速度計（1)和激光干涉儀（2)分別測量所述砧頭（4)的加速度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種低g值范圍內(nèi)的加速度計校準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于： 所述空氣軸承（6)的數(shù)量為兩對； 一對所述空氣軸承（6)沿所述錘頭（3)的長度方向間隔布置，共同支撐所述錘頭（3); 另一對所述空氣軸承（6)沿所述砧頭（4)的長度方向間隔布置，共同支撐所述砧頭（4)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種低g值范圍內(nèi)的加速度計校準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于： 所述錘頭（3)與所述砧頭（4)的接觸面上設(shè)置有墊層（5); 所述錘頭（3)與砧頭（4)為尺寸、質(zhì)量均相同的金屬圓柱體，所述錘頭（3)與砧頭（4) 的加工精度小于或等于5um。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種低g值范圍內(nèi)的加速度計校準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于： 所述動力源產(chǎn)生的沖擊加速度峰值范圍是5g?lOOOg，g為重力加速度，脈寬為 0· 5ms ?10ms〇
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種低g值范圍內(nèi)的加速度計校準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于： 所述校準(zhǔn)系統(tǒng)還包括型槽（7)，作為所述動力源以及空氣軸承（6)的底座； 所述動力源以及空氣軸承（6)分別固定設(shè)置在所述型槽（7)底部，并沿所述型槽（7)的 開槽方向間隔布置； 所述型槽（7)的橫截面形狀為V型或U型。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種低g值范圍內(nèi)的加速度計校準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于： 所述型槽（7)傾斜于水平面布置，所述型槽（7)與水平面之間的夾角范圍是0?10度。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低g值范圍內(nèi)的加速度計校準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于： 所述數(shù)據(jù)處理單元包括激光控制器（8)、信號調(diào)理器（9)、數(shù)據(jù)采集器（10)以及計算機(jī) (11)； 所述激光控制器（8)的信號輸入端與所述激光干涉儀（2)的信號輸出端相連接，所述 信號調(diào)理器（9)的信號輸入端與所述待測加速度計（1)的信號輸出端相連接，所述激光控 制器（8)和信號調(diào)理器（9)的信號輸出端匯總連接至所述數(shù)據(jù)采集器（10)，所述數(shù)據(jù)采集 器（10)的輸出端與所述計算機(jī)（11)相連接。
9. 利用權(quán)利要求1?8之一所述的校準(zhǔn)系統(tǒng)對沖擊加速度測量設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)的方法， 其特征在于： 所述校準(zhǔn)方法的具體步驟為： 步驟1，搭建校準(zhǔn)系統(tǒng)： 將所述型槽（7)固定在水平面上，將所述動力源和所述空氣軸承（6)沿所述型槽（7) 的開槽方向間隔布置，將所述待測加速度計（1)設(shè)置在所述砧頭（4)上；調(diào)整所述空氣軸承 (6)的注氣量，使所述錘頭（3)和砧頭（4)分別懸浮固定在所述空氣軸承（6)中； 步驟2,設(shè)置物理參數(shù)： 在所述計算機(jī)（11)中設(shè)置物理參數(shù)，包括輸入電壓值、脈寬值以及實驗次數(shù)； 步驟3,生成沖擊加速度： 控制所述動力源沖擊所述錘頭（3)，所述錘頭（3)受到?jīng)_擊產(chǎn)生加速運動并沖擊所述 砧頭（4)，所述砧頭（4)在所述錘頭（3)沖擊下產(chǎn)生加速運動； 步驟4,測量所述砧頭（4)的沖擊加速度： 分別通過所述待測加速度計（1)和激光干涉儀（2 )測量所述砧頭（4)的加速度，所述待 測加速度計（1)的測量結(jié)果傳輸至所述信號調(diào)理器（9)，所述激光干涉儀（2)的測量結(jié)果傳 輸至所述激光控制器（8); 步驟5,處理測量數(shù)據(jù)； 通過所述激光控制器（8)將激光干涉信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過所述信號調(diào)理器（9)將 所述待測加速度計（1)的高輸出阻抗變?yōu)榈洼敵鲎杩?，并通過所述數(shù)據(jù)采集器（10)采集經(jīng) 光電轉(zhuǎn)換后的激光干涉儀信號與加速度計信號，并采集到的信號傳輸至所述計算機(jī)（11); 步驟6,比較測量數(shù)據(jù)； 通過所述計算機(jī)（11)比較所述步驟5得到的激光干涉儀信號和加速度計信號，驗證所 述待測加速度計（1)的測量精度； 步驟7,判斷實驗進(jìn)行次數(shù)是否達(dá)到所述步驟2的設(shè)定值； 若實驗進(jìn)行次數(shù)小于設(shè)定值，則重復(fù)執(zhí)行步驟3?步驟7的操作步驟； 若實驗進(jìn)行次數(shù)達(dá)到設(shè)定值，則通過所述計算機(jī)（11)輸出測量結(jié)果，測量過程結(jié)束。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的校準(zhǔn)方法，其特征在于： 利用絕對法對所述待測加速度計（1)進(jìn)行校準(zhǔn)，其具體過程是： 所述步驟4中： ① 根據(jù)激光多普勒干涉的基本公式獲取干涉信號uh(t)，如公式（1)所示：
(1); 其中，UmS信號的幅度，為載波信號。p(/)為位移信號； ② 將所述公式（1)中的位移信號p(〇經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，并計算離散信號，計算過程 如公式（2)所示： ￠2)； 其中，Ul(t)與1!2(〇分別為經(jīng)過公式（2)變換后的正交信號，將位移信號離散化 后得到離散信號供0?); 根據(jù)離散信號Ρ(Λ)獲取離散位移信號s (η)，如公式（3 )所示：
(3) ; 其中，λ為激光波長； ③ 對離散位移信號s (η)進(jìn)行二次微分運算，獲取加速度信號a (η)，并求取加速度信號 的峰值an ; ④ 對所述加速度信號a(n)進(jìn)行離散傅里葉變換，得到不同頻率點處信號的能量值 A(f)，如公式（4)所示：
(4) ; 其中，|A|為A(f)的模，仏為六⑴的相位； ⑤ 根據(jù)加速度信號的峰值am以及所述公式4獲取沖擊靈敏度Ssh和加速度計的復(fù)靈敏 度Sa，如公式（5 )、公式（6 )所示；
(5);
(6)； 其中，^為加速度計輸出電壓的峰值，^為通過激光干涉儀測量得到?jīng)_擊加速度的峰 值；|u|為加速度計輸出電壓信號經(jīng)過離散傅里葉變換后的幅度譜，的·為與|u|對應(yīng)的相 位譜； 在所述步驟5中： ⑥ 通過所述數(shù)據(jù)采集器（10 )采集所述待測加速度計（1)通過所述信號調(diào)理器（9 )輸出 的電壓信號，um為電壓信號的最大值；將電壓信號做離散傅里葉變換，獲取不同頻率點處對 應(yīng)的幅度值U(f)，如公式（7)所示： 其中，|U|為U(f)的模，的/為U(f)的相位； (7); ⑦根據(jù)Um和所述公式（7)獲取沖擊靈敏度Ssh和加速度計的復(fù)靈敏度Sa，如公式（5)和 公式（6)所示。
【文檔編號】G01P21/00GK104062465SQ201310463707
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2013年10月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月8日
【發(fā)明者】胡紅波, 李濤, 孫橋, 于梅, 過立雄, 吉鴻磊 申請人:中國計量科學(xué)研究院