李 玺,范锦彪,王 燕,李婉蓉

(中北大学电子测试技术国家重点实验室,仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051)



微小型Hopkinson杆的动态校准系统*

李 玺,范锦彪*,王 燕,李婉蓉

(中北大学电子测试技术国家重点实验室,仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051)

针对常用Hopkinson杆动态校准系统进行高安装谐振频率高g值加速度计动态校准时激励脉宽不能满足要求,且幅频特性曲线工作频带内不平直的问题,本文提出了微小型Hopkinson杆的动态校准系统,该系统采用微小尺寸精密校准杆,并对传感器安装结构进行了改进,且实验证明该系统对高安装谐振频率的高g值压阻加速度计和B&K 8309高g值压电加速度计进行动态校准得到的幅频特性曲线较为理想。

测试计量技术及仪器;幅频特性;窄脉冲;微小型Hopkinson杆;高安装谐振频率;高g值加速度计

目前,利用Hopkinson杆冲击校准技术进行高g值加速度计静态灵敏度校准的理论已趋于成熟,然而动态特性尤其是高安装谐振频率(高于100 kHz)高g值加速度计(50 000gn～100 000gn左右)的动态幅频特性校准,国内外均缺乏有效的研究成果。

1 600 mm×Ф16 mm为常用尺寸的Hopkinson杆,日本国家计量技术研究室采用常用Hopkinson杆对B&K 4393型压电加速度计的频率响应特性进行了研究[1],美国Sandia国家实验室也对Endevco 7270A系列冲击加速度计的频率响应特性进行了校准[2]。然而常用Hopkinson杆可校准频率一般在50 kHz以内,校准幅值在10 000gn以下[3],实际应用中产生的激励脉宽一般在20 μs～250 μs范围内,而高安装谐振频率加速度计(高于100 kHz)要求的激励脉宽应小于15 μs,因而常用Hopkinson杆不能满足要求。中北大学在该方面也进行了大量研究[4-8],采用常用Hopkinson杆对B&K 8309进行动态校准,出现了幅频特性曲线工作频带内不平直等问题。

本文提出了一种微小型Hopkinson杆动态校准系统来进行高安装谐振频率高g值加速度计的幅频特性校准,并进行了实际的校准实验。

1 常用Hopkinson杆校准技术

Hopkinson杆装置主要由Hopkinson杆、横向差动激光干涉仪、数字示波器、计算机系统组成[9]。弹丸在压缩空气作用下撞击Hopkinson杆,杆内产生半正弦弹性应力波脉冲,通过安装座安装在杆另一端的被校加速度计由于撞击而随着安装座飞离。将加速度计输出信号与干涉仪测得的Doppler信号处理所得加速度激励信号进行FFT变换,处理获得传感器的动态特性参数[10-11]及幅频特性曲线。

2 小尺寸Hopkinson杆校准系统

2.1 窄脉宽激励问题

动态校准要求尽量将被校准加速度计的全部模态频率激发出来,从而得到被校加速度计完整的动态响应。根据窄脉冲校准准则[12]:

τ<1.5/fx

(1)

式中τ为动态校准所需的最大脉宽,fx为加速度计的安装谐振频率。安装频率高于100 kHz的高g值加速度计,需要脉宽小于15 μs的激励信号才能激起其谐振分量。

Hopkinson杆校准装置中,激励脉宽τ与杆的尺寸L和D存在以下关系[13]:

(2)

其中,C为杆中应力波波速,D为杆的直径,L为杆长。依据该公式,C是定值,D和L越小,激励脉宽就越窄。但实际中由于受到传感器与杆端连接方式和杆中弥散效应的约束,因而D和L的值不能太小,由此设计了小尺寸精密校准杆600×Ф10 mm、300×Ф8 mm、300×Ф5 mm,分别可以产生10 μs～15 μs、7.5 μs～10 μs、5 μs～7.5 μs的激励窄脉冲信号。

由于横向差动激光干涉仪的精度有限,系统采用轴向激光干涉仪进行改进,以此来测量Doppler激励信号,并通过时频分析法解调得到激励加速度信号。由此来解决高安装谐振频率所需的窄脉宽激励问题,系统框图如图1所示。

图1 动态校准系统框图

2.2 工作频带不平直问题

常用Hopkinson杆校准系统不能充分激起高安装谐振频率高g值加速度计(如B&K 8309)的高阶谐振分量,且校准得到的幅频特性曲线工作频带内不平直。根据上文2.1的分析可知,小尺寸精密杆改进型系统可以充分激起其高阶谐振分量,但实验分析发现该系统仍不能解决幅频特性曲线工作频带内不平直的问题。

利用改进型系统校准得到的8309传感器归一化频谱在30 kHz左右有一明显的频率分量,导致工作频带不平直。通过ANSYS-LS-DYNA对改进型系统建立了有限元模型,如图2所示。传感器直接拧在安装座上,套筒将安装座与Hopkinson杆左端固定,接触面通过黄油进行真空吸合,应力波通过Hopkinson杆传播至左端后传递给安装座及传感器,传感器随着安装座而飞离。采用162轴对称单元和拉格朗日法则取整体结构进行分析,结果发现有一34 kHz的模态频率,为加速度计安装座横向弯曲振动频率分量,由此导致的8309幅频特性曲线40 kHz工作频带内不平直。

图2 套筒安装座结构图与实物图

鉴于安装座的模态频率问题,对加速度计套筒安装方式进行了改进,即在精密校准杆杆端打深6 mm的光孔,传感器的螺纹直接放进杆端光孔,并通过黄油真空吸合在Hopkinson杆的杆端,如图3所示。与杆接触的传感器受应力波作用后直接分离出光孔,ANSYS模态仿真分析表明,该系统在40 kHz之前没有结构因素引起的模态分量。

图3 杆端光孔安装结构图与实物图

3 校准实验及结果分析

采用不同尺寸、不同安装方式的3种校准系统,在同等压强、同样环境条件下对高安装谐振频率的B&K 8309高g值加速度计进行动态校准实验。实验数据如表1所示,处理得到的归一化频谱及归一化幅频特性曲线如图4～图6所示。

表1 不同尺寸的校准杆产生的窄脉冲信号

图4 1#系统得到的传感器归一化频谱

图5 2#系统得到的8309传感器频谱

图6 3#系统得到的8309传感器频谱

实验结果分析:

(1)由图4与图6(a)可知,采用1 600×Ф16 mm的1#系统能激起8309在103k、145k处的谐振频率,而采用300×Ф8 mm的3#系统还可以充分激起223k、245k等高阶谐振频率。

由图4与图5(a)可知,采用安装座方式的1#、2#系统获得的传感器响应信号归一化频谱在30 kHz左右都有一峰值,由图5(b)可见,幅频特性曲线在工作频带内不平直;由图6(a)可见,采用光孔方式的3#系统没有该频率峰值,40 kHz前比较平滑。

(3)由图6(b)可知,3#系统可以充分激起8309的高阶谐振分量,且获得的幅频特性曲线在40 kHz的工作频带内比较平直,与8309说明书给定的幅频特性参数相一致。可见该系统适于用来进行高安装谐振频率高g值加速度计动态幅频特性的校准。

此外,利用3#校准系统对高量程高谐振频率的压阻加速度传感器进行校准实验,实验所得幅频特性曲线如图7所示。工作频带内校准较为平直,幅值误差在0.5 dB范围内的工作频带为28 kHz。

图7 3#系统得到的压阻传感器幅频特性曲线

4 结论

本文提出的微小型Hopkinson杆的动态校准系统,可以充分激起高安装频率高g值加速度计的高阶谐振频率,且获得的幅频特性曲线在工作平带内较为平直,动态校准效果较为理想。

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李玺(1990-),女,汉族,山西运城人,硕士研究生,主要研究方向为高g值加速度计动态特性校准,lixi_0623@126.com;

范锦彪(1974-),男,博士,副教授,目前主要从事动态参量的校准、全弹道姿态参数的测试、侵彻过载的测试等方面的研究,获得国防科学技术奖二等奖1项、山西省科学技术奖二等奖1项、国家发明专利2项,在国内外核心期刊和学术会议上发表论文10余篇,其中多篇被SCI、EI、ISTP收录,fanjinbiao@nuc.edu.cn。

TheDynamicCalibrationSystemofMicro-HopkinsonBar*

LIXi,FANJinbiao*,WANGYan,LIWanrong

(National Key Laboratory For Electronic Measurement Technology,Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement in Ministry of Education,North University of China,Taiyuan 030051,China)

In view of the commonly dynamic calibration system used Hopkinson bar for high resonant frequency and high-gaccelerometer dynamic calibration problem of excitation pulse width can not meet the requirements,and the amplitude frequency characteristic curve in working frequency band is not straight.So put forward the micro small Hopkinson bar dynamic calibration system,the system adopts the tiny size precision calibration bar and the sensor installation structure is improved.The experiment with high-gvalue piezoresistive and B&K 8309 piezoelectric accelerometer proved that the system of dynamic calibration of amplitude frequency characteristic curve is more desirable.

measuring and testing technologies and instruments;amplitude-frequency characteristic;narrow shock pulse excitation;micro-Hopkinson bar;high resonance frequency;high-gaccelerometer

项目来源:山西省青年科技研究基金项目(2008021015)

2013-12-30修改日期:2014-06-02

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.06.014

TB934;TP27;TP21

:A

:1004-1699(2014)06-0781-04