應變傳感器動態特性激光絕對法沖擊校準裝置

金 冉 呂 翔 陳 偉 王偉偉

(貴州航天計量測試技術研究所，貴州貴陽 550009)

1 引 言

隨著科技的發展，應變傳感器在航空航天領域、在工程建設領域和儀器儀表領域都有大量的應用[1,2]。目前，應變傳感器一般采用等強度懸臂梁[3]或振弦式應變傳感器校準裝置進行校準[4]，這兩類校準裝置只能校準應變傳感器的靈敏度、線性度、重復性等靜態指標，經靜態校準的應變傳感器可用在應變量隨時間變化不明顯的場合，若測量快速變化的應變量，則其準確度不能保證。

霍普金森桿和激光測速儀在動態力學參數校準方面有廣泛的應用。北京長城計量測試技術研究所利用激光測速儀對沖擊傳感器進行校準[5]，李玉龍、郭偉國等利用霍普金森桿和應變片對高g值加速度傳感器進行校準[6]，王燕、范錦彪等學者應用霍普金森桿和激光測速儀對高g值加速度傳感器進行校準[7,8]。霍普金森桿和激光測速儀在應變傳感器動態特性校準方面的應用尚無文獻報道。

本文提出一種激光絕對法沖擊校準裝置，對應變傳感器的動態特性進行校準。該裝置采用霍普金森桿作為動態應變發生裝置，用衍射光柵和激光測速儀對動態應變量進行測量，用Hilbert變換技術[9]對測量數據進行計算，可完成對應變傳感器動態特性的校準。

2 校準裝置原理

2.1 激光測速儀原理

系統使用的激光測速儀采用雙光路雙散射的外差檢測光路模式，光路結構如圖1所示。激光測速儀采用分束比為1:1的分束鏡，將激光器射出的光分成等強的兩束，其中一束通過反射鏡1與另一束形成平行光，通過凸透鏡1在其焦點形成聚焦，若聚焦點正位于衍射光柵的表面，則兩束入射光線發生衍射，且兩束入射光線形成的衍射光線重合，選取一束衍射光線，通過透鏡4匯聚，反射鏡2改變光束方向，再通過凸透鏡2匯聚后在光電探測器APD感光面上發生干涉，光電探測器將光信號轉換成電信號。若光柵移動，則光電探測器輸出多普勒頻移信號，用高速數據采集分析系統對多普勒頻移信號進行采樣，并對采樣數據進行計算，可得到霍普金森桿表面質點運動的速度信號波形和霍普金森桿上產生的應變波形。

圖1 激光測速儀光路結構圖

由文獻[3]可知，光柵運動速度v與多普勒頻移fD之間的關系為

(1)

式中：θ——兩束入射光線之間的夾角；λ——入射光的波長。

光柵運動時，每一束衍射光均發生多普勒頻移，根據激光干涉理論與光柵方程，有

(2)

式中：m1,m2——兩路干涉光束所對應的光柵衍射級。

由式(1)和式(2)可得

(3)

測量時調整激光測速儀，選取相應衍射光斑，即可確定m1與m2的值，通過對激光測速儀輸出信號進行Hilbert變換，得到信號的實時相位φ(t)，根據式

(4)

計算衍射光產生的多普勒頻移，將式(4)代入式(3)，可以得到光柵運動的速度變化波形。

2.2 校準裝置原理

應變傳感器動態特性激光絕對法沖擊校準裝置主要由空氣炮、發射管、子彈、霍普金森桿、衍射光柵、激光測速儀、緩沖器、數字示波器和數據分析儀組成。校準裝置原理如圖2所示。

圖2 應變傳感器動態特性校準裝置原理圖

空氣炮釋放高壓氣體，推動子彈加速射出發射管，子彈撞擊霍普金森桿后，產生的一維應力波在霍普金森桿中傳播，產生的應變ε(t)與霍普金森桿中質點傳播的速度v(t)成正比為

v(t)=2ε(t)c0

(5)

式中：v(t)——霍普金森桿中質點運動的瞬時速度；ε(t)——霍普金森桿端面的瞬時應變；c0——一維應力波在霍普金森桿中的傳播速度。

衍射光柵安裝于霍普金森桿端面，激光多普勒測速儀將霍普金森桿質點運動速度v(t)轉化為模擬電信號，數字示波器采集激光多普勒測速儀的輸出信號并保存，數據分析儀對保存數據進行分析，得到霍普金森桿動態應變的波形。

校準前，根據預計測試脈沖持續時間選擇相應長度的子彈，子彈長度與脈沖持續時間符合式(6)

τ=2L/c0

(6)

式中：τ——動態應變波形的脈沖持續時間；L——子彈長度。

本系統中采用的光柵柵距為1/150mm，有效長度10mm，測量光選取±1級衍射光，激光測速儀光電探測器的帶寬為100MHz，光源波長為632.8nm，光柵移動時，激光測速儀輸出電壓信號的峰值為100mV。系統采用的霍普金森桿直徑為20mm、長度為6m，子彈的直徑與Hopkinson桿相同，其長度為2.5m，霍普金森桿動態應變激勵裝置整體長度為12m，空氣炮的氣源為高壓氮氣，通過減壓閥進行降壓后進入空氣炮，發射氣壓不大于1.5MPa。

3 校準軟件設計

對于包含多個頻率成分的窄脈沖動態應變信號，Hilbert變換法可以保存信號的時間信息，較FFT法有明顯的優勢，數據處理算法主要先對離散數據進行Hilbert變換，得到多普勒信號的相位，對相位信息進行微分后得到多普勒頻率，再根據式對相位信息進行處理得到多普勒頻移值，并式分析得到速度變化波形，最后根據式和式計算霍普金森桿表面的應變量與脈沖持續時間。激光測速儀測得數據處理流程如圖3所示。

圖3 激光測速儀測得數據處理流程圖

應用LabVIEW軟件平臺對動態應變校準軟件進行編寫，LabVIEW軟件在數據采集方面有明顯優勢，在數據處理方面，復雜的圖形模塊不易閱讀和調試，但其內部集成了文本語言指令，且兼容MATLAB語言，故程序的數據采集部分用LabVIEW自帶圖形化語言模塊進行編寫，數據處理部分用軟件自帶的mathscript文本語言進行編寫。動態應變校準軟件界面如圖4所示。

圖4 動態應變校準軟件界面圖

4 校準試驗結果

進行試驗時，選擇120Ω電阻應變片，配套東華測試生產的DH3840動態應變放大器作為被校對象，采用長2.5m的子彈，改變空氣炮發射氣壓，對該動態應變測量裝置進行了5次校準，校準數據見表1。從表1可知，動態應變幅值的值示值誤差最大為-1.31%，脈沖持續時間最大示值誤差為-6.37%。

圖5給出了第3次校準過程中，測得的激光測速儀輸出的多普勒信號波形、對多普勒信號進行Hilbert變換和微分計算后得到的應變波形、經平滑濾波處理的應變波形與應變傳感器測得的霍普金森桿應變激勵波形。如圖5(b)所示，直接計算得到的應變波形含有大量的噪聲，無法進行測量，故采用平滑濾波法對含有噪聲的波形進行降噪處理，降噪處理后的應變波形如圖5(c)所示。比較圖5(c)與圖5(d)，激光測速儀測得波形與應變傳感器測得波形的幅值基本一致，波形近似，但應變傳感器測得波形的上升沿較為平緩，原因是動態應變放大器濾波器的帶寬設置的過小，輸出波形損失了高頻成分，導致最終脈沖時間測量值偏小。

表1 動態應變沖擊校準試驗結果Tab.1 Result of Dynamic strain shock calibration test序號校準值測量值示值誤差動態應變幅值/με脈沖持續時間/ms動態應變幅值/με脈沖持續時間/ms動態應變幅值示值誤差/%脈沖持續時間示值誤差/%1469.540.983463.390.924-1.31-6.002454.080.987450.320.926-0.83-6.183617.180.986612.070.925-0.83-6.194613.580.987609.210.925-0.71-6.285976.520.989971.060.926-0.56-6.37

圖5 動態應變信號測量波形圖

5 不確定度分析

5.1 動態應變幅值測量不確定度評定

動態應變幅值測量不確定度的來源主要包括：激光測速儀引入的標準不確定度分量U1.1；霍普金森桿應變損耗引入的標準不確定度分量U1.2；數據采集分析儀引入的標準不確定度分量U1.3；動態應變傳感器安裝引入的不確定度分量U1.4。動態應變幅值的標準不確定度來源及對應的數值見表2。

根據表2所示的不確定度來源及數值，計算合成標準不確定度為

取包含因子k=2，則擴展不確定度為

Urel=k×U1c=2.24%

取動態應變幅值測量不確定度為

Urel=3%

5.2 動態應變脈沖持續時間測量不確定度評定

脈沖持續時間的測量不確定度來源主要包括：激光測速儀引入的標準不確定度分量U2.1；動態應變傳感器安裝引入的標準不確定度分量U2.2；被校動態應傳感器測量儀分辨力引入的標準不確定度分量U2.3。動態應變脈沖持續時間的標準不確定度來源及對應的數值見表3。

表3 動態應變脈沖持續時間的標準不確定度來源匯總Tab.3 Summary of standard uncertainty sources of dynamic strain pulse duration序號標準不確定度來源符號數值(%)1激光測速儀速度測量不確定度的影響U2.10.252動態應變傳感器安裝介質的濾波效應U2.20.13數據采集分析儀的測量誤差U2.30.72

根據表3所示的不確定度來源及對應的數值，合成標準不確定度為

取包含因子k=2，則擴展不確定度為

Urel=k×U2c=1.54%

取動態應變脈沖持續時間測量不確定度為

Urel=1.6%

6 結束語

本文提出一種應變傳感器動態特性激光絕對法沖擊校準技術，利用霍普金森桿作為動態應變激勵裝置，用激光測速儀作為應變測量裝置，通過設計算法和編制動態應變校準軟件，對數據進行采集和計算，可完成對應變傳感器動態特性的校準。應用該技術，可對應變片式應變傳感器和光纖應變傳感器的動態特性進行校準，保證了工程應用中動態應變參數測試的準確度。