測量微小量級沖擊加速度的傳感器溯源方法研究

張毅文

（中國空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽471000）

0 引言

空空導(dǎo)彈在全壽命周期內(nèi)的運(yùn)輸、裝卸、掛飛、發(fā)射、著陸等階段經(jīng)受機(jī)械沖擊的作用，例如，著陸時垂向加速度量值在15 m/s2左右，持續(xù)時間為30～50 ms；發(fā)射時加速度變化范圍為15～150 m/s2，一般在30 m/s2左右。為了充分驗證導(dǎo)彈壽命周期內(nèi)的力學(xué)沖擊效應(yīng)對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、強(qiáng)度以及絕緣等電性能的影響，需配套沖擊加速度傳感器對此類沖擊試驗過程中產(chǎn)品各部位的沖擊加速度量值進(jìn)行監(jiān)測。但參照國家計量檢定系統(tǒng)表JJG 2072-2016《沖擊加速度計量器具》，空空導(dǎo)彈著陸、發(fā)射時的沖擊試驗量級低于國家和國防的沖擊加速度量傳范圍，采用沖擊校準(zhǔn)無法滿足試驗監(jiān)測用傳感器的量值溯源要求。而依據(jù)國家計量檢定系統(tǒng)表JJG 2054-2015《振動計量器具》，采用振動校準(zhǔn)進(jìn)行溯源，又無法確定使用振動靈敏度幅值設(shè)定傳感器參數(shù)，也無法將其應(yīng)用在沖擊信號的實際測量誤差上。因此，本文基于產(chǎn)品量值溯源的需求，針對產(chǎn)品試驗的實際情況及軍工試驗標(biāo)準(zhǔn)要求，研究用于監(jiān)測微小量級沖擊加速度傳感器的溯源鏈，以及確定其實際測量誤差的方法，從而解決產(chǎn)品研制過程中微小沖擊加速度量值無法溯源的問題。

1 加速度傳感器

1.1 加速度傳感器特性

加速度傳感器具有有限的工作范圍，其靈敏度的幅值隨頻率和加速度的變化不斷地變化。

1）傳感器靈敏度隨頻率變化

靈敏度隨頻率的變化表現(xiàn)為：傳感器具有一定的工作頻率范圍，當(dāng)傳感器工作頻率超出一定范圍后，隨著頻率的增加，靈敏度幅值呈非線性急劇增加，不同頻率點靈敏度幅值的最大誤差可能達(dá)到20%甚至更高。圖1為某公司某型傳感器的靈敏度幅頻響應(yīng)曲線。

圖1 某型加速度傳感器的幅頻響應(yīng)曲線

2）傳感器靈敏度隨加速度變化

理想情況下，加速度傳感器為單自由度系統(tǒng)，在其工作加速度范圍內(nèi)應(yīng)具有相同的靈敏度。但實際上，一個典型的加速度傳感器是多自由度系統(tǒng)，影響系統(tǒng)加速度傳遞的因素很多，如傳感器結(jié)構(gòu)，預(yù)緊彈簧、慣性質(zhì)量、敏感元件、連接件、基座等。這些因素決定了加速度傳感器在感受加速度運(yùn)動時，其傳遞特性并非線性，傳感器的電輸出與輸入的加速度信號之比會隨著加速度的大小而變化，傳感器靈敏度具有幅值線性度。

1.2 加速度傳感器校準(zhǔn)

針對加速度傳感器的固有特性，校準(zhǔn)工作主要是在一定的頻率和加速度范圍內(nèi)，對傳感器靈敏度幅值進(jìn)行確定。目前國內(nèi)外針對加速度傳感器的計量校準(zhǔn)包括振動校準(zhǔn)和沖擊校準(zhǔn)［1-2］。

1）振動校準(zhǔn)

以單一頻率的正弦運(yùn)動信號作為激勵輸入，作用于被校傳感器，通過比較傳感器電輸出峰值和沖擊加速度峰值獲得該頻率點的靈敏度幅值；繪制不同頻率點的靈敏度幅值與頻率點的關(guān)系曲線，從而獲取傳感器的幅頻響應(yīng)曲線。標(biāo)準(zhǔn)正弦信號是連續(xù)的周期過程，在頻域上表現(xiàn)為離散頻譜，即單一頻率點的沖擊信號。

2）沖擊校準(zhǔn)

主要以傳感器的時域峰值靈敏度校準(zhǔn)為主，校準(zhǔn)方法是用近似半正弦的沖擊加速度脈沖作為校準(zhǔn)波形，作用于被校傳感器，通過比較傳感器電輸出峰值和沖擊加速度峰值獲得靈敏度。標(biāo)準(zhǔn)半正弦的沖擊加速度脈沖是具有明確起點和終點的非周期過程，在頻域上表現(xiàn)為從DC開始的具有無限帶寬的連續(xù)頻譜。

3）振動、沖擊校準(zhǔn)結(jié)果的區(qū)別及應(yīng)用

沖擊校準(zhǔn)時，由于施加給傳感器的沖擊信號為具有無限帶寬的連續(xù)頻譜，會引入圖1中傳感器高頻段的靈敏度非線性上翹段。因此，加速度傳感器經(jīng)過振動校準(zhǔn)的靈敏度幅值與經(jīng)過沖擊校準(zhǔn)的靈敏度幅值具有一定的偏差。

為了獲得更為準(zhǔn)確的測量結(jié)果，選取通常用于測量周期性振動信號的加速度傳感器，對其進(jìn)行振動校準(zhǔn)獲得振動靈敏度幅值；選取用于測量單次非周期信號的加速度傳感器，對其進(jìn)行沖擊校準(zhǔn)獲得沖擊靈敏度幅值。［3-4］

2 驗證方案及原理

2.1 技術(shù)要求

參照GJB 150.18A-2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第18部分：沖擊試驗》中對沖擊試驗脈沖波形容差的規(guī)定，試驗時施加給產(chǎn)品的沖擊加速度峰值誤差在±15%以內(nèi)；按照量傳關(guān)系，監(jiān)測用傳感器的測量誤差應(yīng)不超過±5%。

產(chǎn)品試驗要求為加速度峰值15～30 m/s2，脈沖持續(xù)時間為30～50 ms，近似半正弦試驗波形。

通常沖擊測量系統(tǒng)的工作頻率下限不高于0.008/T，上限不低于10/T，T為脈沖持續(xù)時間。按照產(chǎn)品試驗要求，試驗波形覆蓋的主要頻率范圍在0.16～333 Hz內(nèi)。

2.2 驗證方案原理

由于試驗量級過小，低于目前國內(nèi)沖擊加速度校準(zhǔn)范圍的最小值，因此考慮結(jié)合沖擊及振動兩種校準(zhǔn)方式進(jìn)行驗證，從時域和頻域分別驗證傳感器靈敏度幅值隨加速度和頻率變化的范圍。驗證思路如下：

基于振動、沖擊國家計量檢定系統(tǒng)表，利用振動與沖擊校準(zhǔn)方法分別進(jìn)行傳感器靈敏度幅值的校準(zhǔn)，并由此驗證當(dāng)產(chǎn)品試驗加速度和頻率在一定的范圍內(nèi)變化時，傳感器靈敏度幅值也在其技術(shù)要求的范圍內(nèi)。

1）振動靈敏度幅值與沖擊靈敏度幅值的偏差在±5%以內(nèi)。

比較振動靈敏度幅值與沖擊靈敏度幅值的偏差，比較經(jīng)振動校準(zhǔn)的傳感器靈敏度幅值線性度及經(jīng)沖擊校準(zhǔn)的靈敏度幅值線性度。

2）傳感器工作頻率范圍內(nèi)振動靈敏度幅值變化在±5%以內(nèi)。

利用振動頻域校準(zhǔn)方法對傳感器在0.5～333 Hz頻率范圍內(nèi)繪制幅頻曲線，獲得傳感器在不同頻率點的靈敏度相對偏差；在10～150 m/s2范圍內(nèi)進(jìn)行幅值線性度的校準(zhǔn)，確定傳感器靈敏度幅值的變化范圍。

3）傳感器工作頻率范圍內(nèi)沖擊靈敏度幅值變化在±5%以內(nèi)。

利用施加沖擊激勵的頻域測試方法對傳感器在DC～333 Hz頻率范圍內(nèi)繪制幅頻曲線，并采用系統(tǒng)辨識的方法進(jìn)行驗證，確定傳感器靈敏度幅值的變化范圍。

3 實施過程及結(jié)果

使用某計量機(jī)構(gòu)提供的加速度傳感器進(jìn)行測試，結(jié)果如下：

1）振動靈敏度幅值與沖擊靈敏度幅值的偏差

傳感器振動靈敏度幅值校準(zhǔn)結(jié)果（160 Hz）為0.903 pC/（m·s-2），傳感器沖擊靈敏度幅值校準(zhǔn)結(jié)果為0.898 pC/（m·s-2），兩種校準(zhǔn)方法的靈敏度幅值偏差為-0.55%。傳感器振動靈敏度幅值線性度在10～150 m/s2范圍內(nèi)為0.00%，沖擊靈敏度幅值線性度在40～10000 m/s2范圍內(nèi)（最大加速度為 10000 m/s2）為-0.68%。

2）傳感器工作頻率范圍內(nèi)的振動靈敏度幅值變化

利用掃頻的方法，在10～150 m/s2加速度范圍內(nèi)和0.5～1000 Hz頻率范圍內(nèi)，對傳感器施加不同頻率點的正弦振動信號，繪制其幅頻響應(yīng)曲線，校準(zhǔn)結(jié)果為：頻率范圍內(nèi)傳感器靈敏度幅值最大變化為3.54%，校準(zhǔn)不確定度為3%。

3）傳感器工作頻率范圍內(nèi)的沖擊靈敏度幅值變化

利用10000 m/s2的沖擊加速度激勵作為傳感器的輸入信號，采用實驗建模法（也稱為系統(tǒng)辨識的方法），對采集到的輸入沖擊加速度激勵和傳感器系統(tǒng)的輸出電壓數(shù)據(jù)提取信息，從而確定出一個與所測系統(tǒng)等價的差分方程模型。通過對傳感器系統(tǒng)差分模型的辨識，繪制傳感器幅頻響應(yīng)曲線［5-7］。校準(zhǔn)結(jié)果為：在DC～5000 Hz頻率范圍內(nèi)，傳感器靈敏度幅值最大變化為2.53%，校準(zhǔn)不確定度為5.2%。

4 結(jié)論

以上校準(zhǔn)結(jié)果說明：傳感器在10～150 m/s2加速度范圍內(nèi)和0.5～1000 Hz頻率范圍內(nèi)，經(jīng)過振動校準(zhǔn)，靈敏度幅值變化最大為3.54%；傳感器在40～10000 m/s2加速度范圍內(nèi)和DC～5000 Hz頻率范圍內(nèi)，經(jīng)過沖擊校準(zhǔn)，靈敏度幅值變化最大為2.53%。其中振動校準(zhǔn)和沖擊校準(zhǔn)在加速度和頻率范圍內(nèi)有部分范圍重疊，可確定傳感器在實際應(yīng)用加速度和頻率范圍內(nèi)的靈敏度幅值變化范圍在±5%以內(nèi)，滿足產(chǎn)品試驗監(jiān)測應(yīng)用的性能指標(biāo)要求。