氣動活塞式沖擊加速度校準裝置研制

倪 博 田芳怡 沙 江 毛志勇 翁 俊 羅曉平

(上海精密計量測試研究所，上海201109)

1 引言

為考核航天器產品的結構是否能夠滿足要求，暴露設計或制造上的缺陷，提高航天器產品的可靠性，航天器在研制中必須進行沖擊環境試驗，模擬航天器在運輸、裝卸、起落、發射、飛行、分離、著陸、返回等過程中所經受的各類沖擊環境。

在沖擊環境模擬試驗中最主要的測試設備為沖擊測量儀(由沖擊加速度傳感器、信號適調器、信號采集處理部分組成)以及沖擊加速度傳感器套組，用于測量沖擊環境試驗中所產生的沖擊加速度，或者得到沖擊試驗設備輸出的沖擊加速度幅值和沖擊持續時間[1，2]。為此，沖擊測量儀以及沖擊加速度傳感器套組的技術指標直接影響沖擊試驗設備技術性能，在實際使用前必須對其沖擊靈敏度、幅值線性度等參數進行校準，以確保試驗中使用設備的技術指標符合試驗要求。校準所用儀器設備應經過計量技術機構檢定合格，并在有效期內，以確保其計量技術性能指標穩定可靠，能夠滿足軍工產品沖擊環境模擬試驗要求[3～8]。

本文根據沖擊加速度的計量保障需求，結合航天領域沖擊試驗設備的結構特點，開展沖擊加速度傳感器校準技術研究，建立沖擊加速度校準裝置，形成沖擊加速度傳感器、沖擊測量儀校準技術能力，為國防軍工產品沖擊試驗提供沖擊加速度參數的量值溯源。

2 沖擊加速度傳感器校準技術研究

與振動激勵信號不同，沖擊激勵信號是一個與脈沖寬度相關的沖擊波形，近似于半正弦脈沖信號，可視為兩個正弦信號的疊加，其加速度表達方式為

式中：a——沖擊加速度；A——沖擊加速度峰值；t——脈沖時間；——脈沖寬度。

將沖擊激勵信號進行快速傅立葉(FFT)變換，即將其信號從時域信號轉變為頻域信號。

沖擊加速度比較校準既可以在時域進行，也可以在頻域進行。因此，沖擊比較校準具有相應的兩種方法，一種是時域相應峰值比較校準，一種是頻域響應和相位比較校準。

2.1 時域比較法校準

比較參考加速度傳感器與被校加速度傳感器對同一沖擊激勵a(t)的響應輸出

式中：Vr(t)，Vc(t)——分別為參考和被校加速度傳感器與配套信號適調器的響應輸出電壓；Sshr，Sshc——分別為參考和被校加速度傳感器的沖擊靈敏度。

式中：Vrp和Vcp——分別為參考和被校加速度傳感器與配套信號適調器的響應輸出電壓峰值。

2.2 頻域比較法校準

應用快速傅里葉變換(FFT)，可將復現的時域沖擊加速度量值，和被校沖擊加速度傳感器響應輸出轉換到頻域，通過取變換的幅值比和相位差，來校準沖擊加速度傳感器，實現比較法頻域校準。

設復現的沖擊加速度—時間歷程為x(t)，被校傳感器對沖擊激勵的時域響應輸出電壓—時間歷程為y(t)，用傅里葉變換，采用其絕對值和相位角表示為指數形式

由上公式(4)可得

利用公式(5)可以對被校沖擊加速度傳感器進行頻域的加速度量值的沖擊比較校準和相位差校準

3 沖擊加速度校準裝置研制

沖擊加速度校準裝置由沖擊激勵發生裝置(含砧子和襯墊等)、參考沖擊加速度傳感器、電荷放大器和數據采集分析系統組成，如圖1所示。

圖1 沖擊加速度校準裝置組成框圖Fig.1 Diagram of impact acceleration calibration device

圖1中虛框內的是沖擊加速度校準裝置總體框圖。本文對沖擊加速度傳感器(或沖擊測量儀)校準采用比較法，即將被校沖擊加速度傳感器和參考加速度傳感器以“背靠背”方式安裝在一起，即被校沖擊傳感器直接安裝在參考加速度傳感器的頂端，兩者承受完全相同的加速度運動[2]。選取 GB/T 20485.22-2008中推薦的氣動活塞式校準法，利用基于pop式氣動拋射原理的沖擊激勵源作為沖擊發生裝置，產生一個標準沖擊激勵。被校沖擊傳感器和參考加速度傳感器同時接入數據采集系統得到在此沖擊激勵下的電荷或電壓輸出量。經數據采集系統處理后，實現對被校沖擊加速度傳感器靈敏度幅值、示值誤差、線性度等計量參數的校準。

沖擊激勵發生裝置采用的是基于壓縮空氣推動活塞(彈體)發生碰撞的沖擊激勵裝置，如圖2所示。該裝置利用一個向上運動的氣動活塞提供簡單、可控和可重復的沖擊激勵信號源。射出的活塞(彈體)撞擊在砧子上，可產生沖擊峰值幅度在200m/s2～100km/s2(20g～10000g)，脈沖持續時間約 100μs～3ms的半正弦脈沖，典型的砧子材料為鋼和鋁。

圖2 沖擊激勵發生裝置Fig.2 Impact excitation device

參考沖擊加速度傳感器和配套的電荷放大器分別采用美國Endevco公司的2270型壓電式加速度傳感器和丹麥B＆K公司的2626型電荷放大器。其作為計量校準級儀器，工作性能優異，穩定性良好，可以用作沖擊加速度傳感器校準裝置的參考標準。

數據采集分析系統采用基于PXI總線技術的PXI控制系統。PXI控制系統由三個基本部分組成：機箱、系統控制器和板卡模塊。機箱為系統提供了堅固的模塊化封裝結構，具有高性能PXI背板，它包括PCI總線、定時和觸發總線，可以開發出需要精確同步的應用系統。板卡模塊(數據采集卡)選用美國NI公司的PXI-4464數據采集卡，方便與基于LABVIEW軟件編制的測試軟件通訊，采集卡的主要性能參數如下：

(1)差分通道：4個；模擬輸入分辨率：24bits；

(2)電流設置：4mA/10mA/20mA；電壓輸入范圍：±316mV～±42.4V

(3)動態范圍：119dB；采樣率 204.8kS/s；

圖3為沖擊加速度校準裝置實物圖。

圖3 沖擊加速度校準裝置實物圖Fig.3 Physical diagram of impact acceleration calibration device

4 校準軟件設計

采用NI公司的LabVIEW語言開發沖擊加速度傳感器校準裝置的分析軟件。LabVIEW是一種圖形化的編程語言，不但能有效地實現與多種軟硬件模塊的交互，而且還提供了功能齊全的信號處理模塊，用戶可以通過調用強大的信號采集、處理和保存的函數庫及模塊準確、高效地完成多種數據處理功能。

圖4 軟件結構設計原理圖Fig.4 Schematic diagram of software structure design principle

校準軟件主要結構設計如圖4所示。測試軟件啟動后先進行基本參數設置，然后根據沖擊加速度傳感器相應的檢定規程及校準規范，采用相應的參數校準模塊，進行沖擊加速度靈敏度、沖擊加速度示值誤差、脈沖持續時間示值誤差、沖擊加速度幅值線性度、相位差(視需要)等參數的校準。參數校準中產生的測量結果，通過數據處理進行數據計算，采用報表生成模塊形成相應的原始記錄等電子文件。

本項目校準軟件有若干校準項目。首先設置每項校準項目的參數(沖擊加速度量程、脈沖時間等)，根據被校沖擊加速度傳感器量程或使用范圍，依據校準規范選定若干校準點。然后開啟數據采集卡，通過沖擊激勵發生裝置產生預設的沖擊激勵，讀取參考和被校沖擊加速度傳感器的輸出信號。重復上述步驟直至所有校準點完成，校準數據將通過校準軟件數據處理完成相應的校準工作。

5 校準裝置測量不確定度評定

沖擊加速度測量模型為

式中：a'——校準裝置測量的加速度峰值，m/s2；V——參考加速度計的輸出值，mV；D——電荷放大器設定的歸一化檔讀數，pC/Unit；G——電荷放大器設定的增益檔讀數，mV/Unit；S——參考加速度計的靈敏度，pC/(m/s2)。

按照不確定度傳遞率，a'的相對合成標準不確定度為

通過對各分量的分析計算，匯總數據如表1所示。

表1 沖擊加速度測量不確定度一覽表Tab.1 Summary of uncertainty in impact acceleration Measurement

根據以上不確定度評定數據可知，校準裝置沖擊加速度的擴展不確定度為3.0% ～3.6%(k=2)，滿足軍工沖擊測量儀及沖擊加速度傳感器的溯源要求。

對校準裝置開展性能驗證，采用傳遞比較法，用中航304所的沖擊加速度標準裝置和本校準裝置對同一個沖擊測量儀進行測量，其分別為y0和y，應滿足式(6)

式中：y——本裝置沖擊加速度示值誤差；y0——上級標準裝置沖擊加速度示值誤差；Urel——本裝置擴展不確定度；U0rel——上級標準裝置擴展不確定度。其中，20g：U0rel=1.0%，10000g：U0rel=2.0%(k=2)。

性能驗證數據見表2。

表2 性能驗證數據Tab.2 Datasheet of performance verification

根據以上數據可知，本裝置驗證結果符合預期性能指標。

6 校準測試實例

本文選取2270沖擊加速度傳感器，作為沖擊加速度校準裝置的測試實驗對象，校準數據見表3。實驗數據表明，研究建立的沖擊加速度校準裝置可以開展20g～10000g測量范圍、(0.1～3)ms脈沖持續時間的校準。

表3 傳感器靈敏度、持續時間校準Tab.3 Calibration result of transducer sensitivity and duration

7 結束語

本文采用傳感器比較法，開展沖擊加速度校準方法研究，采用氣動活塞式沖擊激勵發生技術和PXI總線數據采集分析技術，完成了沖擊加速度校準裝置研究。通過不確定度分析及試驗驗證表明，該裝置可為國防軍工型號產品沖擊試驗提供沖擊加速度參數的量值溯源。