三軸壓阻加速度計的激光干涉法沖擊校準

康鳳霞　祖　靜　王　燕

摘 要：提出一種利用激光多普勒干涉法對高g值加速度計進行絕對法沖擊校準的方法。本方法采用Hopkinson桿作為沖擊加速度信號發生器，應用激光多普勒干涉儀可以精確地獲得激勵加速度脈沖的波形。對一種三軸壓阻式加速度計的靈敏度校準實驗證實了此方法的準確性，并對其橫向效應進行了研究和討論。

關鍵詞：校準；激光干涉儀；Hopkinson桿；橫向效應

中圖分類號：TM938.82文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)03-069-03

Shock Calibration of Three-Axis Piezoresistive Accelerometer by Laser Interferometer

KANG Fengxia,ZU Jing,WANG Yan

(National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,North University of China,Taiyuan,030051,China)

Abstract：The paper presents a method for calibrating high-g acceleration sensor by using a laser interferometer.In this method,the Hopkinson bar is applied as the shock acceleration generator.To obtain the time history of the input acceleration to the accelerometer with high accuracy,a laser-grating interferometer is introduced.This method has been justified on the ground of high accuracy by lots of experiments with a kind of piezoresistive-type accelerometers,and the transverse effect of accelerometer is discussed.

Keywords：calibration；laser interferometer；Hopkinson bar；transverse effect

0 引 言

高g值加速度計作為一次儀表，已廣泛應用于動態過程中的過載測量，尤其是彈體侵徹測試的研究。加速度計的靈敏度系數和頻率響應這二個參數非常重要，加速度計經過大過載后，其靈敏度可能發生大的變化，而需經常性的校準。自上個世紀60 年代以來,世界各國沖擊校準實驗室相繼開展沖擊校準技術的研究，提出了多種校準測量方法，其中以沖擊力法、速度改變法和激光絕對法應用較為廣泛。這三種方法先后成為國際標準ISO5347/0(1987年)、ISO16063-1(1998年)和ISO16063-13(2001年)規定的校準方法。

沖擊力法的校準不確定度一般難以達到3%，1998年以后的國際標準已不再將其列入絕對法沖擊校準的標準方法。速度改變法在校準原理上存在兩個重大的缺陷：首先，該方法基于被校加速度計頻率響應在校準的幅值和頻率范圍內是線性的假設條件，否則將產生難以評估的測量誤差；其次，將加速度校準變換為速度改變量的測量，不進行加速度量值的絕對復現，校準結果依賴于被校加速度計對沖擊激勵響應的正確程度和它本身固有的非線性。該校準過程不能夠達到沖擊瞬態校準的基本目的。

本文采用的激光多普勒干涉法,是直接借助計量學的基本量和單位(時間和長度) 復現加速度量值與單位的方法。其特點是可以精確給出加速度計激勵的絕對量值和真實波形，在參考加速度峰值為50～10 000 m/s2及12 500～100 000 m/s2，沖擊脈沖持續時間分別為0.3～6 ms 及0.1～0.3 ms的范圍內，實現了對沖擊加速度計的絕對法校準，沖擊加速度靈敏度校準不確定度分別為0.5%和1%。

1 基本原理

加速度計的校準裝置如圖1所示，主要由Hopkinson桿、差動式激光多普勒干涉儀、數字示波器、計算機系統組成。

圖1 加速度計激光干涉法沖擊校準框圖

利用壓力脈沖在Hopkinson桿的自由端面反射成為拉伸脈沖的性質，采取子彈撞擊桿端來產生一右行半正弦壓應力脈沖。被校加速度計通過螺紋連接在安裝座的一端，安裝座表面軸線方向貼有反射光柵，另一端面通過真空夾具緊密吸合于Hopkinson桿末端。壓力脈沖通過界面時不受影響，但幾乎不能承受拉力。壓力脈沖在安裝座自由端面反射為拉伸脈沖，當入射壓力脈沖與反射拉伸脈沖在銜接面處出現凈拉力時，被校加速度計和安裝座將帶著陷入其中的動量飛離而獲得沖擊運動。

被校加速度計的激勵加速度信號通過差動式激光多普勒干涉儀來獲取。差動式激光多普勒干涉儀如圖2所示：He-Ne激光器發出的光束，經透鏡1后由分束棱鏡分成二平行光束，通過透鏡2又匯聚于粘貼在安裝座表面的光柵平面。激勵光柵射出的衍射光束經反射鏡系統到達光電倍增管(PM)的陰極表面,并檢測出由光柵運動產生的多普勒頻移信號。

圖2 差動式激光多普勒干涉儀

根據多普勒原理，被校加速度計承受沖擊運動時，運動速度的時間函數v(t)和所應用的激光干涉儀的多普勒頻移時間函數Δf(t)之間存在確定的數學關系：

v(t)=lm－nΔf(t)

(1)

式中:v(t)為沖擊運動速度；Δf(t)為激光多普勒頻移；m，n為光柵衍射級數；l為光柵常數。對上式v(t)作微分處理可得沖擊運動的加速度a(t)。再根據加速度計電壓的峰值,可以準確得到被校加速度計的加速度沖擊校準靈敏度：

Sth=Up/ap

(2)

式中:Sth為加速度計沖擊靈敏度；Up為加速度計輸出電壓峰值；ap為激勵加速度峰值。

2 實驗結果及其分析

實驗校準的三軸壓阻式加速度計量程為50 000 g，由中科院上海微系統與信息技術研究所研制。實驗過程中將加速度計各管腳連接至外部檢測電路，在橋壓3.3 V、外部電路放大倍數為50的情況下，分別將其3個敏感軸作為主軸在不同g值下應用上述校準方法在Hopkinson桿上對其靈敏度進行校準，表1給出了其校準結果。

表1 加速度計校準數據比對表

軸向

激光多普勒干涉儀測定數據

沖擊加速度 /g校準的靈敏度系數 /μV/g

x

10 9890.729 0

8 2090.729 9

均值0.729 45

y

922 90.762 5

5 6820.748 3

均值0.755 4

z

11 2070.752 3

12 3420.752 4

均值0.752 35

圖3～圖6為表1對被校加速度計z軸第一次校準測試的實驗曲線。圖3為沖擊過程中激光干涉儀測得的多普勒信號。圖4是由式(1)所得多普勒速度波形曲線，最大速度為Vmax=8.848 m/s。圖5是對速度微分所得的加速度曲線，其峰值加速度為ap=11 207 g，脈寬為136 μs。圖6為沖擊過程中加速度傳感器Z軸輸出波形曲線，其峰值Up=448 mV，用公式(2)即可得其沖擊靈敏度為0.752 3 μV/g。

圖3 沖擊過程中激光多普勒干涉信號

圖4 沖擊過程中產生的速度波形

3 橫向效應

橫向效應是指沖擊過程中加速度計除敏感軸向加速度外，與其軸向垂直的平面內所感受到的一定的加速度響應。對于高量程加速度傳感器，橫向響應一般要求低于軸向的5%。表2為對上述加速度計進行沖擊校準實驗所得的橫向效應比對結果。

圖5 沖擊過程中產生的加速度波形

圖6 沖擊過程中加速度計的Z軸輸出波形

表2 加速度計橫向效應比對表

主軸沖擊加速度 /g橫向效應 /%

xyz

37 393

35 951

37 318

22 279

57 150

41 840

橫向y橫向z

6.484 5 27.544 2

橫向y橫向z

6.546 5 22.076 6

橫向x橫向z

5.625 6 20.589 8

橫向x橫向z

6.369 3 20.930 5

橫向x橫向y

2.142 9 3.189 1

橫向x橫向y

2.375 6 4.385 3

圖7為其中加速度計z軸作主軸時的第二組測試曲線。實驗過程中發現：z軸作主軸時，x軸和y軸的橫向響應很小；而在x軸或y軸作為主軸時，z軸卻有很大的橫向效應，遠大于5%。分析其橫向效應主要包含兩部分：加速度計沖擊過程中橫向拉伸或壓縮引起應力變化;加速度計內部質量塊的質心偏離梁的中平面引起彎矩造成的應力變化。其次，沖擊過程中加速度計安

裝的偏差及該校準方法本身所帶來的不確定度都有

可能對實驗結果造成較大的影響，這一點還需進一步的研究。

圖7 z軸為主軸時三軸加速度計的輸出波形曲線

4 結 語

本文所提出的激光干涉絕對法復現的沖擊加速度量值，直接溯源于激光波長和時間/頻率量，這種復現方法可靠、穩定，并且便于復現。該校準方法，原理完善、結果可靠、精度極高。通過對表1、表2中加速度計校準實驗結果的分析，可以得到如下的結論：

(1) 該加速度計回零特性卓越，有利于數據處理;

(2) 靈敏度系數穩定，重復性好;

(3) 橫向效應：z軸激勵對x,y軸影響小；x,y軸激勵對z軸影響大；x,y軸互相影響較小。

參考文獻

［1］梁志國,李新良.激光干涉法一次沖擊加速度計動態特性校準［J］.測試技術學報,2004,18(2):133-138.

［2］Hans-Jurgen von Martens,Angelika Taubner,Wolfgang Wabinski,et al.Traceability of Vibration and Shock Measurements by Laser Interferometry ［J］.Measurement,2000(28):3-20.

［3］Umeda A,Ueda K.Study on the Dynamic Force Acceleration Measurement ［J］.Sensors and Actuators,1990,A21-A23:285-288.

［4］黃俊欽.測試系統動力學［M］.北京:國防工業出版社,1996.

［5］陸德仁，鮑海飛，宋朝輝,等.高加速度檢測沖擊加速度傳感器的橫向響應［J］.中國計量學院學報,2006(17):1-6.

［6］王成，鄭曉東，過潤秋.慣導系統中加速度計的信號采集.現代電子技術,2007,30(7):124-125,128.

作者簡介 康鳳霞 女,1984年出生，碩士研究生。主要研究方向為高g值加速度傳感器的動態校準技術。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。