基于Hopkinson桿的高g值沖擊傳感器校準

1 引言
微加速度計是MEMS(Micro Electromeclaanical System)的一個(gè)重要分支，在航空航天、汽車(chē)、國防等領(lǐng)域有著(zhù)廣泛應用。高g值加速度傳感器作為一次儀表被廣泛應用于撞擊及高速運動(dòng)過(guò)程中高過(guò)載測量，在深侵徹武器設計中，它可用于識別目標，也可用于測量飛機抗墜毀實(shí)驗中和汽車(chē)碰撞試驗中的過(guò)載川。高g值加速度傳感器靈敏度系數的精度直接影響測量精度。由于高g值加速度傳感器在很多場(chǎng)合都可以重復使用，在使用過(guò)程中，由于所承受高過(guò)載作用，其靈敏度系數可能發(fā)生變化，需經(jīng)常校準。因此高g值加速度傳感器靈敏度的測量不僅在研制高g值加速度傳感器中扮演著(zhù)重要角色，而且在抗高過(guò)載測量中起著(zhù)重要作用。主要介紹微型霍普金森(Hopkinson)桿技術(shù)，采用激光多普勒原理，用衍射光柵做合作目標，使用調頻信號的一種數字化解調方法實(shí)現多普勒頻移數據處理，時(shí)間分辨率為一個(gè)采樣間隔。該技術(shù)具有魯棒性好、過(guò)程收斂、結果精確等特點(diǎn)。應用滑動(dòng)最小二乘擬合直線(xiàn)段的方法實(shí)現微分運算，獲得沖擊速度和加速度的瞬時(shí)測量值，并給出實(shí)驗結果。

2 加速度傳感器校準裝置及工作過(guò)程
圖1為高g值加速度沖擊傳感器校準裝置，是由Hop-kinson桿、差動(dòng)式激光多普勒干涉儀、數字示波器和計算機系統組成。

霍普金森(Hopkinson)激光干涉沖擊試驗臺是加速度傳感器沖擊標準專(zhuān)用差動(dòng)激光多普勒測速儀和小型空氣炮加載系統，主要用于高g值測量，使用 Hopkinson棒，在桿中產(chǎn)生應力波，在距離端面幾倍棒直徑處，應力波的波振面實(shí)際上變成平面波，只要棒的長(cháng)度與直徑之比充分大，用Hop- kinson沖擊機，在校準端面可獲得波形良好及橫向運動(dòng)很小的沖擊過(guò)程。差動(dòng)式激光多普勒測速儀是測量通過(guò)激光探頭示蹤粒子的多普勒信號，再根據速度與多普勒頻率的關(guān)系得到速度。由于是激光測量，對于流場(chǎng)沒(méi)有干擾．測速范圍寬，而且由于多普勒頻率與速度是線(xiàn)性關(guān)系。和該點(diǎn)的溫度、壓力沒(méi)有關(guān)系，是目前世界上速度測量精度最高的儀器，其工作過(guò)程如圖1所示，使用Hopkinson沖擊機對Hopkinson棒發(fā)射彈體，產(chǎn)生沖擊加速度，同時(shí)作用于光柵和被測加速度傳感器，被測加速度傳感器測得的信號經(jīng)信號適調儀后被動(dòng)態(tài)信號分析儀采集，光柵位移經(jīng)多普勒激光干涉儀產(chǎn)生具有多普勒效應的調頻信號，該信號被數字示波器采集，對該調頻信號進(jìn)行頻率解調后，可獲得作用于加速度傳感器的加速度值。