低g值碰撞式沖擊加速度計量標準裝置研究與建立

2015-12-30 03:23:37孫橋,王建林,胡紅波等

振動與沖擊 2015年10期

第一作者孫橋男，博士生，研究員，1972年生

通信作者王建林男，博士，教授，1965年生

孫橋1,2，王建林1，胡紅波2，于梅2，白杰2(1.北京化工大學，北京100029； 2. 中國計量科學研究院，北京100029)

摘要：研究建立低g值碰撞式沖擊加速度計量標準裝置，在沖擊加速度峰值20～10 000 m/s2及脈沖持時0.5～10 ms內實現基于碰撞式激勵半正弦平方波形的加速度計沖擊靈敏度激光干涉法高精度校準。校準不確定度為1%，k=2。介紹裝置的結構組成及解決的關鍵技術，描述波形發生的材料種類，給出校準的實驗數據及不確定度評估。低g值碰撞式沖擊加速度計量標準裝置為主導亞太計量規劃組織沖擊加速度研究性國際比對APMP.AUV.V-P1的主要測量裝置。

關鍵詞：計量學；激光干涉法沖擊校準；沖擊加速度靈敏度；測量不確定度；國際比對

基金項目：國家質檢總局質量安全與量值傳遞項目(ALC1201)

收稿日期：2014-02-28修改稿收到日期：2014-05-20

中圖分類號:TB936文獻標志碼：A

Development of a low-g shock standard device based on rigid body collision for shock acceleration calibration

SUNQiao1,2,WANGJian-lin1,HUHong-bo2,YUMei2,BAIJie2(1. Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China; 2. National Institute of Metrology, Beijing 100029, China)

Abstract:A low-g shock standard device based on rigid body collision for shock acceleration calibration was investigated and established within a half-sine squared acceleration wave shape range from 20m/s2 to 10000 m/s2 and a pulse duration from 0.5 ms to 10 ms. The expanded calibration uncertainty for sensitivity of shock accelerometers with laser interferometry was 1%, k=2. The structure of the device and key technology involved were introduced． The waveform generation materials were described. The calibration results and uncertainty evaluation were provided．This low-g shock standard device was used to lead the international shock comparison APMP.AUV.V-P1.

Key words:metrology; shock calibration with laser interferometry; shock acceleration sensitivity; measurement of uncertainty; international comparison

機械沖擊指能激起機械系統瞬態擾動的力、位置、速度或加速度突然變化。在航空航天、軍事科學、交通運輸、汽車工業、建筑業及日常生活眾多領域廣泛存在各類沖擊現象。機械沖擊大小由經沖擊校準的加速度計準確測量獲得[1]。激光干涉法沖擊校準的國際標準ISO16063-13[2]及國家標準GB/T 20485.13規定兩類典型的沖擊激勵系統為：①基于剛體碰撞的沖擊激勵源，沖擊加速度峰值范圍100～5 000 m/s2，脈寬一般小于10 ms；②基于Hopkinson桿的沖擊激勵源，其沖擊加速度范圍可超過105m/s2，脈寬一般小于300 μs。基于Hopkinson桿激勵的新一代沖擊加速度國家基準，已在中國計量科學研究院建立[3]。基于剛體碰撞的沖擊激勵源，主要用于低g值的沖擊加速度激光干涉法校準，在汽車安全、人員防護等領域具有重要意義，典型范例為汽車碰撞試驗加速度計的實驗室校準。

沖擊加速度峰值范圍100～5 000 m/s2的沖擊加速度激光干涉法校準技術，在國際計量領域，由德國物理技術研究院(PTB)最早研究[4]。PTB采用基于剛體碰撞原理產生沖擊加速度激勵，沖擊脈寬為1～10 ms；采用激光干涉法測量，在整個測量范圍內校準結果擴展不確定度為0.5%(k=2)；采用的沖擊激勵器為機械彈簧機構，而沖擊錘及砧體均系高精密機械加工而成，與高精密空氣軸承部件配合，有效減小橫向運動及其它干擾成分，獲得較小的測量不確定度。在亞太計量規劃組織內，日本國家計量院(NMIJ)積極開展該領域研究[5]。參考PTB低g值沖擊標準裝置，NMIJ研制出采用壓縮空氣為激勵源的碰撞式沖擊裝置，產生的沖擊加速度峰值范圍為200～5 000 m/s2，沖擊脈寬為1～3 ms，用激光干涉法測量，整個測量范圍內校準結果擴展不確定度為1.0%(k=2)。

中國計量科學院已建立低g值碰撞式沖擊加速度計量標準裝置[6]，沖擊加速度峰值20～10 000 m/s2及脈沖持續時間0.5～10 ms范圍內，實現基于剛體碰撞激勵的加速度計沖擊靈敏度激光干涉法高精度校準，校準不確定度1.0%(k=2)。基于該裝置研究、建立，中國計量科學研究院目前正主導亞太計量規劃組織沖擊加速度研究性國際比對APMP.AUV.V-P1。

1裝置構成

低g值碰撞式沖擊加速度計量標準裝置主要包括三部分：產生半正弦平方波形沖擊激勵的沖擊機、激光干涉儀測量部分及基于虛擬儀器的數據采集處理部分，見圖1。該裝置工作過程為：主控電腦通過控制器給機械系統動力源，即電磁錘或空氣錘指令，設定激勵能量大小并開始擊打，動力源擊打部分向前運動撞擊空氣軸承支撐錘體，錘體加速向前運動撞擊空氣軸承支撐的砧體，錘體被限位，安裝在砧體另一端的加速度計受機械加速度信號激勵輸出電信號，由激光干涉儀測量輸出的激光干涉信號；高速數據采集卡同步采集激光干涉信號與加速度計輸出的電信號，并通過PXI總線將數據傳輸至主控電腦，軟件系統完成激光信號解算獲得測量結果。

圖1　采用外差激光干涉儀的低g值標準裝置結構簡圖 Fig.1 Schematic diagram of low-g shock standard device with heterodyne laser interferometer

2關鍵技術解決

2.1沖擊激勵機

沖擊激勵機基于ISO標準的剛體碰撞形式，錘體與砧體利用空氣軸承懸浮支撐，加工、安裝精度直接決定機械部分產生沖擊激勵加速度波形質量。綜合考慮國外同類裝置，即德國PTB采用圓弧型安裝面，日本NMIJ采用V型槽。為保證錘體、砧體同軸度及日常維護方便，本裝置采用V型槽結構。因此，只要確保V型槽加工精度滿足要求，即能保證沖擊機運動部分的安裝精度，整個沖擊激勵機械部分結構示意圖見圖2。

圖2　沖擊激勵機結構示意圖 Fig.2 Diagram of shock excitation machine

2.1.1動力源

沖擊激勵機動力源作為整個碰撞式機械系統能量供給部分，提供的撞擊能量大小直接決定產生沖擊加速度波形峰值高低與脈寬大小。另外，動力源的可控性與重復性則決定產生沖擊加速度峰值的重復性，由于受砧體、錘體本身結構一階諧振頻率影響，砧體與錘體碰撞產生沖擊加速度脈寬有其本身局限性。

綜上考慮，本裝置采用兩種形式動力源，即以電磁力為激勵的電磁錘與以壓縮空氣為激勵的空氣錘。電磁錘主要優點為可控性、重復性好。其提供動力原理為利用電磁方式產生推力，即在強力永久磁鐵磁場下對驅動線圈施加一定電壓及電流，產生一定大小洛倫茲力。實際測試數據表明，在某設定電壓下，電磁錘擊打產生的沖擊速度重復性優于1%，可為整個機械系統產生可控沖擊加速度波形提供保證。由于電磁錘激勵電壓有限，能提供的沖擊能量大小受限，從而導致在產生滿足一定脈寬條件下的沖擊加速度峰值范圍有限，空氣錘則可彌補該不足。壓縮空氣能量較高，且隨氣壓升高，其提供的能量更大，可滿足產生較高沖擊加速度峰值要求。空氣錘利用電磁閥控制氣壓閥門開閉，當電磁閥打開時，高壓倉壓縮空氣便推動活塞運動，帶動與連接活塞的撞擊桿向前加速，實現擊打。

本裝置沖擊機機械系統動力源部分，通過電機驅動的精密絲杠完成電磁力激勵錘與空氣動力錘自動切換，實現較寬的加速度、脈寬測量范圍(圖2)。

2.1.2運動部分

為保證產生較理想的沖擊加速度波形，須保證錘體、砧體對心自由碰撞，兩者中心線相對偏差應在±0.2 mm以內。為避免其它機械結構對運動部分不利影響(如外界擾動、機械部分諧振及其它干擾運動等)，沖擊機運動部分支撐利用高精密空氣軸承，既可減小摩擦又能與其它部分隔離，亦能保證砧體受對稱力作用，防止在其運動中因非對稱力影響導致轉動或非軸向運動。

空氣軸承部分采用美國NewWay公司內徑30 mm的高性能空氣軸承，用于安放產生沖擊激勵的錘體及砧體。空氣軸承安裝于軸承套中，為保證空氣軸承進氣暢通，在軸承套內壁對應位置設計進氣槽，以保證氣流能順利進入。錘體、砧體安裝在空氣軸承中，通過自由運動的機械碰撞實現沖擊加速度激勵。作為沖擊激勵機中關鍵運動部分，加工質量、與空氣軸承配合程度及安裝精度均與沖擊加速度波形結果直接相關。參考國際標準，錘體、砧體尺寸一般取直徑30 mm，長度200 mm，運動限位部采用一體化法蘭設計，避免通過其它附加方式設置限位板，以提高諧振頻率。本裝置配備由不同金屬材料加工成的錘體及砧體：即質量較輕較硬的鋁合金材料與性能更穩定的鈦合金材料。鈦合金的錘體、砧體質量共1.27 kg，利用加速度計對砧體軸向諧振頻率進行測試，典型頻域測試結果見圖3。由圖3看出，砧體軸向一階諧振頻率約12 kHz，與有限元分析方法結果基本一致。該諧振頻率決定沖擊激勵機產生沖擊加速度的脈寬范圍。在對應沖擊加速度波形峰值10%處、沖擊脈沖寬度0.5 ms時，沖擊脈沖波形的完整持時約0.8 ms。據國際標準相關要求，對應一階諧振頻率應大于12.5 kHz。另外，由于該脈沖主要能量成分分布在低頻，8 kHz以上能量成分較少。結合后續低通濾波信號處理，對0.5 ms脈寬的沖擊加速度計校準，影響較小，引入的標準不確定度分量小于2×10-3。

圖3　砧體軸向諧振頻率測試結果 Fig.3 Measurement result of axial resonant frequency of anvil

2.2激光干涉儀

本裝置配有零差及外差兩套激光干涉儀，優先選用外差激光干涉儀進行校準。基于正交輸出的改進型邁克爾遜激光干涉儀用于旁證實驗。零差激光干涉儀測量機械沖擊特點為：①因正交相位誤差引入的位移測量誤差最大值為與被測位移量大小、頻率及沖擊波形無關的量；②由于正交相位誤差引入的測量位移誤差為一個周期的量，不會積累；③通過采用適當相位修正法，可有效減小測量位移誤差。對零差激光干涉儀，為保證測量精度達到標準規定要求，需保證兩路輸出信號幅度差小于±5%，相對偏移量小于±5%，正交信號與90°名義角度偏差小于±5°。須采用適當方法調整兩路干涉信號偏移量、幅值大小及相角。

由于外差激光干涉儀未采用光電轉換方式產生兩路干涉信號，故其誤差主要來源為數據采集卡的量化誤差，通過選擇合適的低通濾波器能有效抑制量化噪聲，故采用外差激光干涉儀校準結果不確定度更小[7]。

2.3數據采集處理部分

利用虛擬儀器技術，采用高性能模塊化硬件結合靈活軟件編程實現沖擊校準的信號采集及數據處理[8]。本裝置數據采集處理部分基于LabVIEW虛擬儀器環境，以相應的PXI硬件為基礎，實現激光干涉絕對法低g值碰撞式沖擊校準的數據處理。選擇PXI1073控制機箱作為硬件平臺，將兩塊采集卡同步控制，實現信號采集。

PXI5922雙通道可變分辨率數字化儀，具有16～24位分辨率，可據所選采樣頻率自動調整。考慮被校加速度計輸出電信號脈寬為毫秒級，而校準結果所得沖擊靈敏度即以電壓峰值與加速度峰值比值描述，故帶寬雖不寬但對采樣精度要求較高。PXI5922高分辨率數據采集卡可滿足該要求，故選擇該數據采集卡作為被校加速度計輸出電信號采集硬件。PXI5122高速率數字化儀最高采樣頻率達100 MHz，具有200 mV～ 20 V電壓輸入，并可在板載內存中采集超過100萬個波形，為時、頻域分析的理想選擇。考慮本裝置沖擊激勵機產生的沖擊加速度脈寬與峰值對應關系，計算得產生的沖擊速度峰值最大不超過5 m/s，按穩頻氦-氖激光器作為測量光源多普勒頻移與速度關系，其對應的最高頻率成分不超過16 MHz，PXI5122采集卡最高采樣頻率完全滿足準確采集激光干涉儀多普勒信號要求。

測量軟件數據計算按ISO16063-13規定，實現沖擊加速度信號復現，此處不再詳述。

3沖擊波形發生

沖擊激勵機基于剛體碰撞產生沖擊加速度激勵，若錘體、砧體直接碰撞則會產生較大諧振，安裝在砧體端面的加速度計會受安裝體諧振影響造成不可靠測量結果。因此，需在碰撞體中間增加墊層，不同材料墊層產生不同的沖擊加速度波形。墊層作用類似阻尼隔振器，可將不需要的高頻分量濾掉，保證產生較理想的沖擊加速度波形。

3.1硅膠墊層

硅膠材料具有彈性與粘性，受外力作用會產生變形，但外力消除后立刻恢復原狀，且由于彈性模量較低，故重復性較好。另外，硅膠具有抗腐蝕，物理性能較穩定，為較可靠的沖擊加速度波形發生器。本裝置選不同硬度的硅膠墊層進行實驗，不同硬度的硅膠材料可產生不同脈沖持時及不同峰值范圍的沖擊加速度波形。邵氏硬度A標尺40度、50度、60度、70度的硅膠墊層及產生的典型波形見圖4。

圖4　硅膠墊層及波形 Fig.4 Silica gel of different hardness and acceleration pulses generated

3.2聚氨酯墊層

聚氨酯為新型有機高分子材料，適應性強、耐磨性好、機械性能及彈性較好，廣泛用于輕工、化工、電子、紡織及醫療等行業。本裝置選兩種常規聚氨酯材料，邵氏硬度分別為80 HA與90 HA，用于產生加速度峰值超過5 000 m/s2的沖擊激勵。為獲得較高沖擊加速度峰值，改用氣壓錘作為沖擊機激勵源。與偏軟硅膠墊層相比，聚氨酯墊層硬度高，產生的脈寬及峰值差異大。如對0.55 ms脈寬，硅膠墊層產生的沖擊加速度峰值僅5 000 m/s2，而聚氨酯墊層卻超過10 000 m/s2。

3.3毛氈墊層

毛氈由羊毛加工粘合而成，富有彈性、伸縮性能良好，廣泛用于隔振防震。在沖擊加速度校準試驗中，毛氈為常用的波形發生材料，能產生類似高斯分布的波形。本裝置選厚度4 mm、6 mm、8 mm毛氈墊層，分別用于產生不同峰值加速度范圍的沖擊波形。通常較厚毛氈墊層適用于產生脈寬較寬、峰值較低的沖擊加速度波形。

3.4不同材料墊層比較

對沖擊加速度校準，不同材料產生的沖擊加速度波形區別較大，不同種類或不同硬度材料均有自身的阻尼特性，因此每種墊層均有用于發生沖擊加速度峰值的合適范圍，超過該范圍則沖擊加速度波形可能明顯失真，導致校準結果精度降低。硬度值較低的硅膠適于產生沖擊加速度峰值較低的波形，脈沖寬度較大，且不適合產生脈寬較窄的沖擊加速度波形，與其自身的隔振特性相關。而若需用較厚的毛氈墊層發生較高的沖擊加速度峰值，則需沖擊激勵機動力源提供較大沖擊動能。

4實驗數據及不確定度評估

4.1沖擊靈敏度實驗數據

對所選標準壓電加速度傳感器(型號ENDEVCO 2270)及配套丹麥B&K公司的放大器(型號2692)，按ISO16063-13激光干涉絕對法沖擊校準要求，用低g值碰撞式沖擊加速度計量標準裝置進行校準。沖擊加速度峰值范圍約20～10000 m/s2，校準結果見表1。

表1　沖擊靈敏度測量結果

4.2校準不確定度評估

參考GB/T20485.13-2007/ISO16063-13：2001振動與沖擊傳感器校準方法第13部分：激光干涉法沖擊加速度絕對校準及對表1中校準結果進行不確定度評估，獲得沖擊靈敏度校準的擴展不確定度為1%，k=2，不確定度分量表見表2。值得注意的是，因采用外差激光干涉儀，標準不確定度分量來源中由干涉儀引入的分量未列入，與國際標準有所區別。

4.3沖擊靈敏度國際比對

低g值碰撞式沖擊加速度計量標準裝置建立使中國計量科學研究院具備低g值碰撞式激光干涉絕對法校準加速度計沖擊靈敏度的技術能力，為主導亞太計量規劃組織沖擊加速度研究性國際比對APMP.AUV.V-P1奠定技術基礎。APMP.AUV.V-P1國際比對技術協議規定的比對量為沖擊靈敏度，比對依據的主要技術文件為ISO16063-13。比對技術協議嚴格規定沖擊激勵波形的峰值加速度、時域脈寬與波形，以保證激勵波形頻率成分在加速度計線性工作頻帶內。因此對同種形式的激勵系統，理論上已具備可比性。中國計量科學研究院實驗室擔任比對主導，泰國國家計量院、臺灣工研院量測中心、德國DKD沖擊絕對法校準實驗室參加，完成時間為2015年。

表2　沖擊靈敏度不確定度分量表

5結論

碰撞式沖擊加速度計量標準裝置的建立實現與德國、日本在低g值沖擊校準方法及計量能力的接軌，可滿足我國民經濟相關領域對沖擊計量提出的寬脈寬、高準確度的量值溯源需求。目前該項成果已用于中國計量科學研究院主導亞太計量規劃組織沖擊加速度研究性國際比對，將為拓展我國獲得國際互認的3項低g值沖擊最高校準能力(CMCs)脈寬范圍提供重要技術支持。

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