基于雙彈頭Hopkinson桿的高g值加速度傳感器的動態線性分析*

楊志才，石云波*，董勝飛，陳艷香，智 丹

（1.中北大學電子測試技術國防科技重點試驗室，太原 030051；2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點試驗室，太原 030051；）

基于雙彈頭Hopkinson桿的高g值加速度傳感器的動態線性分析*

楊志才1，2，石云波1，2*，董勝飛1，2，陳艷香1，2，智 丹1，2

（1.中北大學電子測試技術國防科技重點試驗室，太原 030051；2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點試驗室，太原 030051；）

分析了高g值加速度傳感器動態線性的測試原理并對雙彈頭Hopkinson桿的可靠性進行了驗證；同時利用雙彈頭Hopkinson桿激光干涉沖擊試驗裝置測量了高g值加速度傳感器的動態線性。該方法是將雙彈頭Hopkinson桿作為沖擊加速度發生器，用雙膛沖擊發生器發射兩個子彈（分別為內、外彈），當兩子彈分別單獨與雙彈頭Hopkinson桿相撞時，通過控制沖擊加速度發生器，使產生的加速度脈沖頻率相同且峰值分別為a外、a內，測得加速度傳感器對應輸出加速度峰值分別記為A外、A內；保持相同的發射條件，當內外彈同時與Hopkinson桿相撞時，使兩子彈作用于細桿上的沖擊加速度脈沖的頻率相同且峰值仍分別為a外、a內；根據應力波疊加原理，則疊加后產生的加速度峰值為a總=a外+a內，測得加速度傳感器對應輸出的加速度峰值記為A總；從而可以求出ΔY=（A外+A內）-A總，通過分析ΔY是否在所要求的范圍內來說明被測加速度計的動態線性。

加速度傳感器；高g值；雙彈頭Hopkinson桿技術；激光多普勒干涉儀；動態線性；測量

高g值加速度計作為一種重要的元件，已廣泛應用于動態撞擊及高速運動過程中過載的測量［1-3］，在軍事領域當中具有非常重要的應用價值，是MEMS技術在軍事武器裝備，尤其在引信侵徹過程的慣性測試和控制應用中的關鍵技術之一［4-5］。由于工藝技術及微機電系統設計的快速發展，微加速度計在研究制造方面取得了顯著進步。但微加速度計的有關性能參數的標定和校準［6］以及通過相關的性能參數對微加速度傳感器質量的評定卻相對落后。其中幅值線性度、動態靈敏度、動態線性等是評價加速度計動態特性的指標。然而，到目前為止，在國內動態線性卻還沒有被用作衡量微加速度計優劣的一項性能指標，而動態線性又是頻率響應的基礎，研究動態響應都是在滿足一定要求的動態線性范圍內進行的［7-8］。同時，微加速度計動態線性這一測量方法在國內外都還處于空白階段。因此，本文主要針對動態線性這一性能參數，提出了一種基于雙彈頭Hopkinson桿技術對高g值加速度計動態線性分析的方法，具體的測量方法將在下面部分詳細論述。

1 試驗測試裝置

雙彈頭Hopkinson桿沖擊測量裝置原理圖，如圖1所示。

圖1 沖擊測量系統原理圖

實物圖，如圖2所示。

圖2 沖擊測量系統實物圖

本方案主要由雙彈頭Hopkinson桿也稱沖擊加速度發生器（包含彈膛、平頭彈體、細長桿）、差動式激光多普勒干涉儀、電壓放大器、超高速數據采集器、計算機等系統組成。

2 雙彈頭Hopkinson桿沖擊測試原理

2.1 加速度計動態線性定義

若目標加速度計的輸入加速度分別為X1（t）和X2（t）時，來自加速度計的輸出信號分別記為Y1（t）和Y2（t）。如果當加速度計的輸入加速度是aX1（t）+ bX2（t）時，其中a和b是任意常數，來自加速度計的輸出aY1（t）+bY2（t），那么該加速度計是動態線性的［9］。

2.2 沖擊測試原理

利用雙彈頭Hopkinson桿（也稱沖擊加速度發生器）測量加速度計的動態線性。首先，將被測量的加速度計安裝在桿的末端，兩個同心子彈（內、外彈）分別單獨或同時從雙發射膛發射，作用于桿的前端面，從而產生縱向彈性壓縮波，并傳播到細桿另一端對加速度傳感器施加一沖擊加速度，使它產生一個近似半正弦的加速度脈沖。由于激光干涉法有著很高的精度［10-12］，因此末端的運動采用激光干涉儀測定，激光干涉儀測得的多普勒信號由超高速數據采集器采集并進行處理。如果要使兩子彈單獨發射時產生相同脈寬的波形，則應保證兩子彈長度相同。

兩子彈分別單獨與Hopkinson桿相撞，通過控制沖擊加速度發生器使兩子彈作用在桿上的沖擊加速度脈沖信號頻率相同且峰值分別為a外、a內，測得加速度計感知并輸出加速度峰值分別為A外、A內。另外，保持相同的發射條件，當兩子彈同時與Hopkinson桿相撞時，使兩子彈作用在桿上的沖擊加速度脈沖信號頻率相同且峰值分別記為a外、a內，而被測加速度計感知到的沖擊加速度脈沖的峰值應為兩子彈產生加速度峰值之和，即a外+a內，則加速度計對應輸出的加速度峰值記為A總。令A疊=A外+A內，可以求出ΔY=（A外+A內）-A總=A疊-A總。

其中，

表1 彈丸尺寸 單位：mm

表2 彈丸發射方式

根據動態線性定義，如果用符號α表示來自目標加速度計的輸出信號，加速度計的動態線性可以通過下面的表達式來定義：

式中，α1（t）為只有外彈通過外部發射管發射時，傳感器的輸出量，單位為mV；α2（t）為只有外彈通過外部發射管發射時，傳感器的輸出量，單位為mV；α1+2（t）為外彈和內彈同時發射時，傳感器的輸出量，單位為mV；故，加速度計的動態線性可以表示為：

重復測量3～5次，取其平均值作為加速度計的動態線性。

3 試驗結果及分析

本次測量試驗中，采用中北大學自行研制的型號為NCCJ-1-20，量程為150 000 gn，抗過載能力為200 000 gn的高g值壓阻式加速度傳感器進行標定。

為保證測試系統的可靠性，先對其可靠性進行評估，通過處理多普勒信號所得加速度之間的關系來反映系統可靠與否。

3.1 測試系統可靠性驗證

為保證測試系統的可靠性，故對其進行測試驗證，結果如下：

①第一次試驗數據

圖3 多普勒信號處理獲得加速度曲線

圖4 加速度對比曲線

②第二試驗數據

圖5 多普勒信號處理獲得加速度曲線

圖6 加速度對比曲線

③第三次試驗數據

圖7 多普勒信號處理獲得加速度曲線

圖8 加速度對比曲線

圖3中黑色虛線是外彈發射時，激光干涉儀所測多普勒信號經處理得到加速度曲線，記為a外；黑色實線是內彈發射時，激光干涉儀測得多普勒信號處理所得加速度曲線，記為a內。

圖4中黑色虛線是圖3中內外彈經過疊加后所得加速度曲線，記為a疊（a疊=a外+a內）；黑色實線是內外彈同時發射所得加速度曲線，記為a總。

其中圖5、圖7和圖6、圖8分別與圖3、圖4敘述內容相同。

表3 試驗結果

因此，求得雙彈頭Hopkinson桿動態線性的平均值：

結果處理：激光干涉儀測得的多普勒信號經過數據采集卡采集后進行處理。

結果分析：由上述結果可以看出經過三次測量，ρ小于5%，由此證明雙彈頭Hopkinson桿的動態線性良好。因此，采用雙彈頭Hopkinson桿來測量加速度計的動態線性是可靠的。

3.2 加速度計動態線性測量

為驗證高g值加速度計動態線性良好與否，對其進行測量，結果如下：

①第一次試驗數據（加速度計輸出）

圖9 加速度計輸出曲線

圖10 加速度對比曲線

②第二次試驗數據（加速度計輸出）

圖11 加速度計輸出曲線

圖12 加速度對比曲線

③第三次試驗數據（加速度計輸出）

圖13 加速度計輸出曲線

圖14 加速度對比曲線

圖9中黑色虛線是外彈發射時，加速度計輸出加速度曲線，記為A外；黑色實線是內彈發射時加速度計輸出加速度曲線，記為A內。

圖10中黑色虛線是圖9中所得內外彈曲線經疊加后加速度計輸出加速度曲線，記為A疊（A疊=A外+ A內）；黑色實線是內外彈同時發射所得加速度計輸出加速度曲線，記為A總。

其中圖11、圖13和圖12、圖14分別與圖9、圖10敘述內容一致。）

表4 試驗結果

從而，求得型號為NCCJ-1-20高g值壓阻式加速度計動態線性的平均值：

結果處理：加速度計獲得的加速度脈沖信號通過電壓放大器放大并由數據采集卡采集后進行處理。

結果分析：通過上述結果說明采用雙彈頭Hopkinson桿可以測出高g值壓阻式加速度計的動態線性。經過三次測量，σ總′小于5%，由此證明高g值壓阻式加速度計的動態線性良好。

4 結論

本文將動態線性作為高g值加速度計的一項重要性能指標，提出了一種利用雙彈頭Hopkinson桿激光干涉沖擊試驗裝置對高g值加速度計進行動態線性的測量方法。在保證沖擊加速度發生器可靠的前提下，利用此方法可以精確地測量出高g值加速度計的動態線性，并以ΔY是否在所要求的精度范圍內，來評價高g值加速度計的動態線性；同時，這一動態性能指標也可作為一項評定高g值加速度計質量優劣的標準。

［1］ 董力科，代月松，陳昌鑫，等.基于Hopkinson的高g值加速度計的標定［J］.電子設計工程，2011，19（15）：86-88.

［2］ 景鵬，馬鐵華，王燕.一種壓阻式三軸高g值加速度傳感器的沖擊校準［J］.傳感器技術學報，2008，21（6）：954-958.

［3］ 屈新芬，蘇偉.侵徹武器用MEMS大g值加速度計［J］.傳感器研究與開發，2002，21（3）：7-10.

［4］ 祈曉瑾.MEMS高g值加速度傳感器研究［D］.太原：中北大學，2007：S.

［5］ 王文軍，胡時勝.高g值加速度傳感器的標定［J］.爆炸與沖擊，2006，26（6）：568-571.

［6］ 李婉蓉，范錦彪，王燕，等.基于小尺寸Hopkinson桿的動態校準系統［J］.傳感技術學報，2013，26（11）：1617-1620.

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楊志才（1989-），男，漢族，碩士研究生，主要從事MEMS傳感器設計，電路設計，傳感器測試等方面研究，1148744272@qq. com；

石云波（1972-），男，漢族，博士，中北大學副教授，目前主要從事MEMS、微慣性器件等方面的研究，參加了國防973、國家863、國家自然基金等多項科研項目，獲得山西省技術發明一等獎1項、高等學校科學技術一等獎2項、國內發明專利4項、發表論文24篇，y.b. shi@126.com。

Dynamic Linear Analysis of High-g Accelerometers Based on Dual Warhead Hopkinson Bar*

YANG Zhicai1，2，SHI Yunbo1，2*，DONG Shefei1，2，CHEN Yanxiang1，2，ZHI Dan1，2
（1.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China）

It analyzes the dynamic linear testing principle of high g acceleration sensor and verifies the reliability of the dual warhead Hopkinson bar.At the same time，using dual warhead Hopkinson bar laser interference impact experiment device measures the high g acceleration sensor of dynamic linearity.This method is taking dual warhead Hopkinson bar as a signal generator.Firing two bullets（inner and outer）with dual chamber signal generator.When two bullets hit the dual warhead Hopkinson bar respectively，by controlling the impact acceleration generator，produce the same acceleration pulse frequency which peaks are aouterand ainner.The measured output peak acceleration are Aouterand Ainner.Keep the same firing conditions，when the inside and outside bullet impact Hopkinson bar at the same time，the acceleration pulse frequency is the same and the peaks are aouterand ainner.According to the stress wave superposition principle，the peak acceleration of the superposition is atotal=aouter+ainner，the measured acceleration sensor acceleration peak corresponding to the output is Atotal.So we get ΔY=（Aouter+Ainner）-Atotal.By analyzing the range of ΔY，evaluates dynamic linearity of accelerometer.

accelerometer；high-g；dual warhead Hopkinson bar technology；laser interferometer；dynamic linearity；measurement EEACC：7230

TP206

A

1004-1699（2015）07-0972-05

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.07.005

項目來源：國家自然科學基金杰出青年項目（51225504）

2015-02-05 修改日期：2015-03-24