新一代沖擊加速度國家基準裝置的研究與建立

于 梅，胡紅波，左愛斌，楊麗峰，劉愛東

(中國計量科學研究院，北京 100013)

研究建立新一代沖擊加速度國家計量基準裝置是為了解決沖擊加速度量值準確溯源問題，它對解決航空航天、國防兵器、交通船舶、建筑工程、核動力、地質物探等眾多領域的結構動力學設計、設備安全運行、新產品研發、環境保護及生命科學等問題均具有重要的理論研究和實際應用價值。

隨著高新技術和國家重大工程以及國防建設的快速發展，相關領域對沖擊計量基標準和測量技術提出了更新、更高的需求，國際上先進國家的沖擊計量標準都進行了相應技術提升。引領國際振動與沖擊校準領域發展方向、代表國際最高水平的德國物理技術研究院(PTB)現有國家沖擊加速度標準裝置兩項，均采用ISO 16063-13“激光干涉法沖擊絕對校準”的外差式激光多普勒技術復現沖擊加速度量值［1］，其中低g值沖擊標準裝置的加速度峰值50～5 000 m/s2，沖擊脈寬1～10 ms，沖擊靈敏度測量結果的擴展不確定度為0.5%(k=2)。高g值沖擊標準裝置由三根Hopkinson桿組成，其加速度峰值1 000～100 000 m/s2，沖擊脈寬30～300 μs，沖擊靈敏度測量結果的擴展不確定度為1%(k=2)［2-4］。

原保存在中國計量科學研究院的國家沖擊基準有兩項，4×102～2.5×104m/s2沖擊加速度基準采用落錘式激勵的沖擊力法(對應的國際標準“廢止”);2.5×104～1×105m/s2沖擊加速度基準裝置為空氣炮式激勵的CO2法激光測速法。由于測量技術和方法落后、裝置擴展不確定度［3% ～5%(k=2)］大，該基準已遠不能滿足國內量值溯源的需要，并嚴重制約了沖擊測量技術的發展。中國計量科學研究院研究建立的新一代沖擊加速度激光絕對法基準裝置采用國際最新測量方法，在沖擊加速度峰值20～1 000 000 m/s2和脈沖持續時間20～200 μs范圍內，實現了加速度計沖擊靈敏度的絕對法校準。裝置拓展了ISO 16063-13國際標準規定的沖擊加速度峰值絕對法測量范圍，測量結果的不確定度在可比范圍內(200～100 000 m/s2)滿足國際標準的要求。

1 裝置的構成

沖擊加速度基準主要由沖擊激勵系統(包括沖擊激勵源、產生沖擊信號的Hopkinson桿和墊層)、激光測量系統(包括激光干涉儀、信號調理單元、數據采集處理系統)組成，高沖擊裝置和中小沖擊裝置結構原理圖如圖1、圖2所示。

圖1 高沖擊裝置結構原理圖Fig.1 Diagram of high shock device

圖2 中小沖擊裝置結構原理圖Fig.2 Diagram of small-medium shock device

高沖擊裝置的激勵系統由高壓氣室、電磁控制單元、步進電機、加速管、彈丸、墊層和Hopkinson桿組成。通過步進電機控制加速桿位置，當彈丸在加速管中被加速，撞擊安裝有緩沖墊層的Hopkinson桿的一端后，撞擊產生的應力波沿桿傳遞并在桿的另一端反射從而產生沖擊加速度波形［5］。中小沖擊裝置的沖擊激勵源由壓電疊堆激勵器、反作用質量塊、功率放大器和Hopkinson桿等組成，利用壓電晶體的逆壓電效應(即軸向極化的壓電陶瓷疊堆在交變電場中產生軸向交變形變)，給壓電疊堆激勵器輸入一經功率放大器放大后的給定信號，此時壓電疊堆產生形變而作用于Hopkinson桿的一端從而產生與機械碰撞一樣的應力波。

利用自主研制的外差激光干涉儀測量Hopkinson桿安裝被測傳感器端面的位移。采用虛擬儀器技術，利用NI的PXI儀器模塊和LabView圖形化軟件平臺，編制沖擊數據采集處理軟件，構建沖擊加速度激光絕對法測量系統。采集卡同步采集激光干涉信號與被校傳感器的輸出信號，測量軟件完成信號的分析及處理，從而實現沖擊加速度峰值、脈寬持續時間和沖擊靈敏度的絕對法測量。

2 解決的關鍵技術

2.1 沖擊激勵系統

高沖擊采用德國SPEKTRA公司生產的CS18PHS高精度沖擊激勵器，可輸出沖擊加速度峰值5 000～1 000 000 m/s2、脈沖持續時間 20 ～200 μs的沖擊加速度。通過編制高沖擊激勵驅動控制軟件，構建了高沖擊激勵控制系統。該裝置產生類正弦(一個周期)的沖擊加速度波形，見圖3。

圖3 高沖擊系統輸出的沖擊加速度波形Fig.3 Acceleration waveform of high shock system output

中小沖擊采用壓電疊堆激勵器激勵Hopkinson桿，可輸出沖擊加速度峰值20～30 000 m/s2、脈沖持續時間30～200 μs的沖擊加速度。通過設計和編制中小沖擊激勵驅動控制軟件，構建了中小沖擊激勵控制系統。輸入壓電疊堆激勵器的激勵信號是由3個周期一定的正弦信號通過 Hanning窗(升余弦窗)函數整形后獲得。

由于壓電疊堆激勵器的激勵能力有限，5 000 m/s2以上需通過測算和設置Hopkinson桿應力波的反射時間，采用應力波波形疊加方式(如10個)提高Hopkinson桿末端輸出的加速度，使之加速度輸出峰值達到30 000 m/s2以上。見圖4。

2.2 激光測量系統

采用自主研制的外差馬赫-澤德激光干涉儀與ISO 16063-13推薦的數據處理方法相結合的技術方案［1，3］。

圖4 波形疊加激勵Fig.4 Excited by superposition of waves

2.2.1 外差馬赫-澤德激光干涉儀

多普勒干涉法是將安裝有被測傳感器的Hopkinson桿端面作為激光多普勒測量系統的運動反射體，該表面受到沖擊作用發生位移時，激光信號發生多普勒頻移。通過測量激光的頻率變化，即可確定位移隨時間的變化量。

由于沖擊測量時間短，一般都在ms以下量級，因此，外差激光干涉儀的設計思路主要從測量的短時穩定性和準確性考慮。設計采用頻率穩定度達10-9的單模穩頻He-Ne激光器為激光光源，在測量處于靜態平衡位置時，應使光電輸出信號具有較高的信噪比，以確保微小的沖擊速度變化能引起足夠的多普勒頻移從而減小激光頻率的不穩定對微小運動所引起的頻移方向判斷不準的影響。同時由于沖擊過程中有可能產生橫向抖動，將測量光經漫反射以減少橫向干擾，此時經漫反射返回到光電接電器的光強最小為5 μW左右。在精心設計光路系統的同時，選用濱松公司生產的高速寬帶APD為光電接收器，再經低噪聲放大電路放大/調制，使得干涉光電信號動態信噪比達到45 dB以上，確保了沖擊校準的穩定性。

研制的高速外差激光干涉儀能夠滿足1 000 m/s2到1 000 000 m/s2大量程沖擊加速度的精確測量，解決了國內現有大g值沖擊加速度測量用激光干涉儀完全依賴進口的問題。

2.2.2 數據采集處理

基于虛擬儀器技術，分別構建了高和中小沖擊激光測量系統，高沖擊硬件選用PXI接口12位/2通道/200MS/s高速數據采集卡5124和控制卡6251，中沖擊硬件選用PXI接口14位/2通道/100MS/s高速數據采集卡5122和控制卡6151，并分別以GPIB接口卡作為測量系統實現數據采集處理及控制的硬件接口，它們與其它儀器設備連接構成虛擬儀器的硬件系統。在計算機環境中，依托功能強大的處理單元和高速的數據總線，利用NI公司的LabView圖形化軟件平臺，構建了可視化軟面板，使計算機成為具有數據采集、信號控制及分析顯示功能的處理中心。

外差激光干涉絕對法沖擊測量系統框圖見圖5。

圖5 外差激光干涉沖擊絕對法測量系統框圖Fig.5 Block diagram of shock absolute measurement system by heterodyne laser interferometry

在一個測量周期t0＜t＜t0+TMeas中，對激光干涉信號與加速度輸出信號進行同步采樣。在上述測量時間內，采樣得到的一路激光干涉信號，通過90°數字移相，從而得到兩路正交激光信號分別為{u1(ti)}和{u2(ti)}，采樣間隔Δt=ti-ti-1。同時，加速度計輸出值的采樣序列為{u(ti)}。

對于采樣得到干涉儀輸出值u1(ti)和u2(ti)，由下列公式計算調相值序列{φMod(ti)}:

式中:n=0，1，2，…。

通過選擇合適的n，可以得到由于反正切運算而卷折的展開相位信息。對得到的展開的連續相位{φMod(ti)}，用下式計算得到位移序列。

下標D表示受高頻噪聲影響的序列值。對位移序列{sD(ti)}進行“平滑”濾波，得到位移序列{s(ti)}。從位移信號計算得到對應的加速度信號，采用兩種方式，一種是頻域微分法，即將得到的{s(ti)}進行DFT計算，得到位移的復頻譜。再將位移復頻譜乘以(j2πf)2得到加速度的復頻譜。用離散傅里葉逆變換IDFT計算加速度序列{a(ti)}，并將判斷得出的最大值max{a(ti)}作為沖擊加速度峰值apeak;另一種方法是時域微分法，即直接對位移信號進行時域數字微分運算從而得到加速度，但此時需要注意選擇合適的微分器，否則容易將位移信號中的高頻噪聲放大。

對同步采樣獲得的加速度計電壓輸出信號{u(ti)}進行低通濾波操作，取濾波后得到的序列最大值upeak作為加速度計輸出電壓波形的最大值。

最后按照式(3)即可計算得到被校加速度計的沖擊靈敏度Ssh［1，3］。

2.3.3 數字微分器的設計

由于激光干涉測量得到的是位移信號，為了得到對應的加速度信號，必須對位移信號進行微分運算，但微分運算會放大位移信號中的噪聲。為了避免混疊和抑制噪聲，采樣前，對加速度計和干涉儀輸出信號均采用幅頻和相頻響應較為理想的模擬濾波器濾波，抑制高頻信號干擾，以滿足裝置測量不確定度的要求。同時對于數據處理中的微分運算，為了防止減小運算噪聲，采用微分器與數字低通濾波器相結合的方式。微分運算的傳遞函數形式為H(s)=s，對應的幅度響應曲線為圖6中虛線。

圖6 一階微分器和串聯低通濾波器的微分器Fig.6 First-order differentiator(dotted)and differentiator cascaded with low-pass filter(solid)

針對微分器在高頻段增益大，對噪聲有放大作用的問題，選用微分器與低通濾波器串聯的方式。例如需對25 kHz以內的信號進行微分運算，則采用串聯FIR低通濾波器的微分器，且設置低通濾波器的截止頻率為25 kHz，見圖6。在選擇的頻率范圍內與理想的一階微分器吻合很好;但在高頻部分則產生很大的衰減，從而達到了抑制高頻噪聲的效果。

3 裝置主要技術指標

裝置的測量范圍:沖擊加速度峰值20～1 000 000 m/s2、脈沖持續時間 20 ～200 μs。

沖擊靈敏度測量的重復性:10 000 m/s2參考條件下優于0.2%;300 000 m/s2參考條件下優于1.0%。

沖擊靈敏度測量的不確定度(k=2):1%(50～20 000 m/s2，30 ～200 μs);2%(＞20 000 ～100 000 m/s2，50 ～200 μs);5%(＞100 000 ～1 000 000 m/s2，20 ～100 μs)。

4 加速度峰值和脈沖持續時間控制特性

采用壓電激勵器激勵方式的中小沖擊裝置沖擊加速度峰值測量下限可達20 m/s2，并且能夠通過設定不同的沖擊激勵信號從而產生特定的沖擊加速度波形，精確控制加速度峰值和脈沖持續時間的特性，可實現對沖擊波形和其頻率分布較為理想的控制，達到抑制高頻分量，避免由于加速度計諧振影響造成輸出信號失真過大。

在中小沖擊激勵裝置上，對Endevco公司2270壓電加速度計和B＆K公司2635電荷放大器組成的沖擊加速度計套組進行給定加速度500 m/s2下改變脈寬的沖擊靈敏度校準，校準結果見圖7。

圖7顯示，激勵波形脈寬不一樣，得到的沖擊加速度靈敏度也不相同。由此可知，沖擊校準所得到的沖擊靈敏度是一個與激勵波形有關的量。描述加速度計沖擊激勵特性所用的典型沖擊靈敏度主要取決于沖擊波形和激勵的頻譜分量，因此不能只用沖擊靈敏度去描述一只特定加速度計的特性［7-9］。實驗分析可知，沖擊靈敏度與激勵系統的特性(加速度峰值、沖擊脈沖持續時間和沖擊脈沖形狀)有關，不具有唯一性。沖擊靈敏度主要取決于沖擊脈沖持續時間，但是如果加速度計與理想的幅值線性發生偏離時，它還取決于加速度的峰值［10-11］。

圖7 給定加速度500 m/s2下改變脈寬的沖擊靈敏度校準曲線Fig.7 The shock sensitivity calibration curve of changed the pulse width in given acceleration(500 m/s2)

5 實驗數據

在中小沖擊裝置上，對2270/2635沖擊加速度計套組進行中小沖擊靈敏度的校準，校準數據見表1。沖擊靈敏度校準的不確定度(k=2):1%(50～20 000 m/s2);2%(其他)［12-13］。

表1 2270/2635校準數據Tab.1 Calibration data of 2270/2635

在高沖擊裝置上，對B＆K公司8309壓電加速度計和2635電荷放大器組成的沖擊加速度計套組進行高沖擊靈敏度的校準，校準數據見表2。沖擊靈敏度校準的不確定度(k=2):2%(30 000～100 000 m/s2);5%(其他)［12-13］。

實驗結果表明:研究建立的新一代沖擊加速度激光絕對法基準裝置，采用當前國際最先進的激光干涉沖擊絕對校準方法，在沖擊加速度峰值20～1 000 000 m/s2和脈沖持續時間20～200 μs范圍內，實現了沖擊加速度峰值和沖擊靈敏度的絕對法測量。拓展了國際標準規定的沖擊加速度峰值絕對法測量范圍，測量結果的不確定度在可比范圍內(200～100 000 m/s2)滿足ISO 16063-13:2001“激光干涉法沖擊絕對校準”國際標準的要求［1］。

表2 8309/2635校準數據Tab.2 Calibration data of 8309/2635

需要說明的是，本裝置采用ISO 16063-13“激光干涉法沖擊絕對校準”最新的校準方法，即通過激光干涉法測量沖擊過程時間-位移信號實現對直線加速度計的絕對法沖擊校準。此方法從根本上有別于速度改變沖擊校準方法，其得到的沖擊靈敏度也與后者的沖擊校準因子不同［1］。

6 結論

新一代沖擊加速度國家基準裝置的建立實現了與發達國家在沖擊校準方法和計量技術上的接軌，可解決我國國民經濟各領域對沖擊計量提出的寬量程、高準確度的量值溯源需求問題。目前項目科研成果已為我國獲得國際互認的6項沖擊最高校準能力(CMCs)的確認提供了重要的技術支撐;為亞太區域沖擊國際關鍵比對的方法研究奠定了堅實基礎。

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