微小型Hopkinson桿的動態校準系統*

李 璽,范錦彪,王 燕,李婉蓉

(中北大學電子測試技術國家重點實驗室,儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,太原 030051)

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微小型Hopkinson桿的動態校準系統*

李 璽,范錦彪*,王 燕,李婉蓉

(中北大學電子測試技術國家重點實驗室,儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,太原 030051)

針對常用Hopkinson桿動態校準系統進行高安裝諧振頻率高g值加速度計動態校準時激勵脈寬不能滿足要求,且幅頻特性曲線工作頻帶內不平直的問題,本文提出了微小型Hopkinson桿的動態校準系統,該系統采用微小尺寸精密校準桿,并對傳感器安裝結構進行了改進,且實驗證明該系統對高安裝諧振頻率的高g值壓阻加速度計和B&K 8309高g值壓電加速度計進行動態校準得到的幅頻特性曲線較為理想。

測試計量技術及儀器;幅頻特性;窄脈沖;微小型Hopkinson桿;高安裝諧振頻率;高g值加速度計

目前,利用Hopkinson桿沖擊校準技術進行高g值加速度計靜態靈敏度校準的理論已趨于成熟,然而動態特性尤其是高安裝諧振頻率(高于100 kHz)高g值加速度計(50 000gn～100 000gn左右)的動態幅頻特性校準,國內外均缺乏有效的研究成果。

1 600 mm×Ф16 mm為常用尺寸的Hopkinson桿,日本國家計量技術研究室采用常用Hopkinson桿對B&K 4393型壓電加速度計的頻率響應特性進行了研究[1],美國Sandia國家實驗室也對Endevco 7270A系列沖擊加速度計的頻率響應特性進行了校準[2]。然而常用Hopkinson桿可校準頻率一般在50 kHz以內,校準幅值在10 000gn以下[3],實際應用中產生的激勵脈寬一般在20 μs～250 μs范圍內,而高安裝諧振頻率加速度計(高于100 kHz)要求的激勵脈寬應小于15 μs,因而常用Hopkinson桿不能滿足要求。中北大學在該方面也進行了大量研究[4-8],采用常用Hopkinson桿對B&K 8309進行動態校準,出現了幅頻特性曲線工作頻帶內不平直等問題。

本文提出了一種微小型Hopkinson桿動態校準系統來進行高安裝諧振頻率高g值加速度計的幅頻特性校準,并進行了實際的校準實驗。

1 常用Hopkinson桿校準技術

Hopkinson桿裝置主要由Hopkinson桿、橫向差動激光干涉儀、數字示波器、計算機系統組成[9]。彈丸在壓縮空氣作用下撞擊Hopkinson桿,桿內產生半正弦彈性應力波脈沖,通過安裝座安裝在桿另一端的被校加速度計由于撞擊而隨著安裝座飛離。將加速度計輸出信號與干涉儀測得的Doppler信號處理所得加速度激勵信號進行FFT變換,處理獲得傳感器的動態特性參數[10-11]及幅頻特性曲線。

2 小尺寸Hopkinson桿校準系統

2.1 窄脈寬激勵問題

動態校準要求盡量將被校準加速度計的全部模態頻率激發出來,從而得到被校加速度計完整的動態響應。根據窄脈沖校準準則[12]:

τ<1.5/fx

(1)

式中τ為動態校準所需的最大脈寬,fx為加速度計的安裝諧振頻率。安裝頻率高于100 kHz的高g值加速度計,需要脈寬小于15 μs的激勵信號才能激起其諧振分量。

Hopkinson桿校準裝置中,激勵脈寬τ與桿的尺寸L和D存在以下關系[13]:

(2)

其中,C為桿中應力波波速,D為桿的直徑,L為桿長。依據該公式,C是定值,D和L越小,激勵脈寬就越窄。但實際中由于受到傳感器與桿端連接方式和桿中彌散效應的約束,因而D和L的值不能太小,由此設計了小尺寸精密校準桿600×Ф10 mm、300×Ф8 mm、300×Ф5 mm,分別可以產生10 μs～15 μs、7.5 μs～10 μs、5 μs～7.5 μs的激勵窄脈沖信號。

由于橫向差動激光干涉儀的精度有限,系統采用軸向激光干涉儀進行改進,以此來測量Doppler激勵信號,并通過時頻分析法解調得到激勵加速度信號。由此來解決高安裝諧振頻率所需的窄脈寬激勵問題,系統框圖如圖1所示。

圖1 動態校準系統框圖

2.2 工作頻帶不平直問題

常用Hopkinson桿校準系統不能充分激起高安裝諧振頻率高g值加速度計(如B&K 8309)的高階諧振分量,且校準得到的幅頻特性曲線工作頻帶內不平直。根據上文2.1的分析可知,小尺寸精密桿改進型系統可以充分激起其高階諧振分量,但實驗分析發現該系統仍不能解決幅頻特性曲線工作頻帶內不平直的問題。

利用改進型系統校準得到的8309傳感器歸一化頻譜在30 kHz左右有一明顯的頻率分量,導致工作頻帶不平直。通過ANSYS-LS-DYNA對改進型系統建立了有限元模型,如圖2所示。傳感器直接擰在安裝座上,套筒將安裝座與Hopkinson桿左端固定,接觸面通過黃油進行真空吸合,應力波通過Hopkinson桿傳播至左端后傳遞給安裝座及傳感器,傳感器隨著安裝座而飛離。采用162軸對稱單元和拉格朗日法則取整體結構進行分析,結果發現有一34 kHz的模態頻率,為加速度計安裝座橫向彎曲振動頻率分量,由此導致的8309幅頻特性曲線40 kHz工作頻帶內不平直。

圖2 套筒安裝座結構圖與實物圖

鑒于安裝座的模態頻率問題,對加速度計套筒安裝方式進行了改進,即在精密校準桿桿端打深6 mm的光孔,傳感器的螺紋直接放進桿端光孔,并通過黃油真空吸合在Hopkinson桿的桿端,如圖3所示。與桿接觸的傳感器受應力波作用后直接分離出光孔,ANSYS模態仿真分析表明,該系統在40 kHz之前沒有結構因素引起的模態分量。

圖3 桿端光孔安裝結構圖與實物圖

3 校準實驗及結果分析

采用不同尺寸、不同安裝方式的3種校準系統,在同等壓強、同樣環境條件下對高安裝諧振頻率的B&K 8309高g值加速度計進行動態校準實驗。實驗數據如表1所示,處理得到的歸一化頻譜及歸一化幅頻特性曲線如圖4～圖6所示。

表1 不同尺寸的校準桿產生的窄脈沖信號

圖4 1#系統得到的傳感器歸一化頻譜

圖5 2#系統得到的8309傳感器頻譜

圖6 3#系統得到的8309傳感器頻譜

實驗結果分析:

(1)由圖4與圖6(a)可知,采用1 600×Ф16 mm的1#系統能激起8309在103k、145k處的諧振頻率,而采用300×Ф8 mm的3#系統還可以充分激起223k、245k等高階諧振頻率。

由圖4與圖5(a)可知,采用安裝座方式的1#、2#系統獲得的傳感器響應信號歸一化頻譜在30 kHz左右都有一峰值,由圖5(b)可見,幅頻特性曲線在工作頻帶內不平直;由圖6(a)可見,采用光孔方式的3#系統沒有該頻率峰值,40 kHz前比較平滑。

(3)由圖6(b)可知,3#系統可以充分激起8309的高階諧振分量,且獲得的幅頻特性曲線在40 kHz的工作頻帶內比較平直,與8309說明書給定的幅頻特性參數相一致?？梢娫撓到y適于用來進行高安裝諧振頻率高g值加速度計動態幅頻特性的校準。

此外,利用3#校準系統對高量程高諧振頻率的壓阻加速度傳感器進行校準實驗,實驗所得幅頻特性曲線如圖7所示。工作頻帶內校準較為平直,幅值誤差在0.5 dB范圍內的工作頻帶為28 kHz。

圖7 3#系統得到的壓阻傳感器幅頻特性曲線

4 結論

本文提出的微小型Hopkinson桿的動態校準系統,可以充分激起高安裝頻率高g值加速度計的高階諧振頻率,且獲得的幅頻特性曲線在工作平帶內較為平直,動態校準效果較為理想。

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李璽(1990-),女,漢族,山西運城人,碩士研究生,主要研究方向為高g值加速度計動態特性校準,lixi_0623@126.com;

范錦彪(1974-),男,博士,副教授,目前主要從事動態參量的校準、全彈道姿態參數的測試、侵徹過載的測試等方面的研究,獲得國防科學技術獎二等獎1項、山西省科學技術獎二等獎1項、國家發明專利2項,在國內外核心期刊和學術會議上發表論文10余篇,其中多篇被SCI、EI、ISTP收錄,fanjinbiao@nuc.edu.cn。

TheDynamicCalibrationSystemofMicro-HopkinsonBar*

LIXi,FANJinbiao*,WANGYan,LIWanrong

(National Key Laboratory For Electronic Measurement Technology,Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement in Ministry of Education,North University of China,Taiyuan 030051,China)

In view of the commonly dynamic calibration system used Hopkinson bar for high resonant frequency and high-gaccelerometer dynamic calibration problem of excitation pulse width can not meet the requirements,and the amplitude frequency characteristic curve in working frequency band is not straight.So put forward the micro small Hopkinson bar dynamic calibration system,the system adopts the tiny size precision calibration bar and the sensor installation structure is improved.The experiment with high-gvalue piezoresistive and B&K 8309 piezoelectric accelerometer proved that the system of dynamic calibration of amplitude frequency characteristic curve is more desirable.

measuring and testing technologies and instruments;amplitude-frequency characteristic;narrow shock pulse excitation;micro-Hopkinson bar;high resonance frequency;high-gaccelerometer

項目來源:山西省青年科技研究基金項目(2008021015)

2013-12-30修改日期:2014-06-02

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.06.014

TB934;TP27;TP21

:A

:1004-1699(2014)06-0781-04