基于雙彈頭Hopkinson桿的高g值加速度傳感器的動(dòng)態(tài)線性分析*

楊志才，石云波*，董勝飛，陳艷香，智 丹

（1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國防科技重點(diǎn)試驗(yàn)室，太原 030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，太原 030051；）

基于雙彈頭Hopkinson桿的高g值加速度傳感器的動(dòng)態(tài)線性分析*

楊志才1，2，石云波1，2*，董勝飛1，2，陳艷香1，2，智 丹1，2

（1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國防科技重點(diǎn)試驗(yàn)室，太原 030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，太原 030051；）

分析了高g值加速度傳感器動(dòng)態(tài)線性的測(cè)試原理并對(duì)雙彈頭Hopkinson桿的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證；同時(shí)利用雙彈頭Hopkinson桿激光干涉沖擊試驗(yàn)裝置測(cè)量了高g值加速度傳感器的動(dòng)態(tài)線性。該方法是將雙彈頭Hopkinson桿作為沖擊加速度發(fā)生器，用雙膛沖擊發(fā)生器發(fā)射兩個(gè)子彈（分別為內(nèi)、外彈），當(dāng)兩子彈分別單獨(dú)與雙彈頭Hopkinson桿相撞時(shí)，通過控制沖擊加速度發(fā)生器，使產(chǎn)生的加速度脈沖頻率相同且峰值分別為a外、a內(nèi)，測(cè)得加速度傳感器對(duì)應(yīng)輸出加速度峰值分別記為A外、A內(nèi)；保持相同的發(fā)射條件，當(dāng)內(nèi)外彈同時(shí)與Hopkinson桿相撞時(shí)，使兩子彈作用于細(xì)桿上的沖擊加速度脈沖的頻率相同且峰值仍分別為a外、a內(nèi)；根據(jù)應(yīng)力波疊加原理，則疊加后產(chǎn)生的加速度峰值為a總=a外+a內(nèi)，測(cè)得加速度傳感器對(duì)應(yīng)輸出的加速度峰值記為A總；從而可以求出ΔY=（A外+A內(nèi)）-A總，通過分析ΔY是否在所要求的范圍內(nèi)來說明被測(cè)加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)線性。

加速度傳感器；高g值；雙彈頭Hopkinson桿技術(shù)；激光多普勒干涉儀；動(dòng)態(tài)線性；測(cè)量

高g值加速度計(jì)作為一種重要的元件，已廣泛應(yīng)用于動(dòng)態(tài)撞擊及高速運(yùn)動(dòng)過程中過載的測(cè)量［1-3］，在軍事領(lǐng)域當(dāng)中具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值，是MEMS技術(shù)在軍事武器裝備，尤其在引信侵徹過程的慣性測(cè)試和控制應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)之一［4-5］。由于工藝技術(shù)及微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的快速發(fā)展，微加速度計(jì)在研究制造方面取得了顯著進(jìn)步。但微加速度計(jì)的有關(guān)性能參數(shù)的標(biāo)定和校準(zhǔn)［6］以及通過相關(guān)的性能參數(shù)對(duì)微加速度傳感器質(zhì)量的評(píng)定卻相對(duì)落后。其中幅值線性度、動(dòng)態(tài)靈敏度、動(dòng)態(tài)線性等是評(píng)價(jià)加速度計(jì)動(dòng)態(tài)特性的指標(biāo)。然而，到目前為止，在國內(nèi)動(dòng)態(tài)線性卻還沒有被用作衡量微加速度計(jì)優(yōu)劣的一項(xiàng)性能指標(biāo)，而動(dòng)態(tài)線性又是頻率響應(yīng)的基礎(chǔ)，研究動(dòng)態(tài)響應(yīng)都是在滿足一定要求的動(dòng)態(tài)線性范圍內(nèi)進(jìn)行的［7-8］。同時(shí)，微加速度計(jì)動(dòng)態(tài)線性這一測(cè)量方法在國內(nèi)外都還處于空白階段。因此，本文主要針對(duì)動(dòng)態(tài)線性這一性能參數(shù)，提出了一種基于雙彈頭Hopkinson桿技術(shù)對(duì)高g值加速度計(jì)動(dòng)態(tài)線性分析的方法，具體的測(cè)量方法將在下面部分詳細(xì)論述。

1 試驗(yàn)測(cè)試裝置

雙彈頭Hopkinson桿沖擊測(cè)量裝置原理圖，如圖1所示。

圖1 沖擊測(cè)量系統(tǒng)原理圖

實(shí)物圖，如圖2所示。

圖2 沖擊測(cè)量系統(tǒng)實(shí)物圖

本方案主要由雙彈頭Hopkinson桿也稱沖擊加速度發(fā)生器（包含彈膛、平頭彈體、細(xì)長桿）、差動(dòng)式激光多普勒干涉儀、電壓放大器、超高速數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)等系統(tǒng)組成。

2 雙彈頭Hopkinson桿沖擊測(cè)試原理

2.1 加速度計(jì)動(dòng)態(tài)線性定義

若目標(biāo)加速度計(jì)的輸入加速度分別為X1（t）和X2（t）時(shí)，來自加速度計(jì)的輸出信號(hào)分別記為Y1（t）和Y2（t）。如果當(dāng)加速度計(jì)的輸入加速度是aX1（t）+ bX2（t）時(shí)，其中a和b是任意常數(shù)，來自加速度計(jì)的輸出aY1（t）+bY2（t），那么該加速度計(jì)是動(dòng)態(tài)線性的［9］。

2.2 沖擊測(cè)試原理

利用雙彈頭Hopkinson桿（也稱沖擊加速度發(fā)生器）測(cè)量加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)線性。首先，將被測(cè)量的加速度計(jì)安裝在桿的末端，兩個(gè)同心子彈（內(nèi)、外彈）分別單獨(dú)或同時(shí)從雙發(fā)射膛發(fā)射，作用于桿的前端面，從而產(chǎn)生縱向彈性壓縮波，并傳播到細(xì)桿另一端對(duì)加速度傳感器施加一沖擊加速度，使它產(chǎn)生一個(gè)近似半正弦的加速度脈沖。由于激光干涉法有著很高的精度［10-12］，因此末端的運(yùn)動(dòng)采用激光干涉儀測(cè)定，激光干涉儀測(cè)得的多普勒信號(hào)由超高速數(shù)據(jù)采集器采集并進(jìn)行處理。如果要使兩子彈單獨(dú)發(fā)射時(shí)產(chǎn)生相同脈寬的波形，則應(yīng)保證兩子彈長度相同。

兩子彈分別單獨(dú)與Hopkinson桿相撞，通過控制沖擊加速度發(fā)生器使兩子彈作用在桿上的沖擊加速度脈沖信號(hào)頻率相同且峰值分別為a外、a內(nèi)，測(cè)得加速度計(jì)感知并輸出加速度峰值分別為A外、A內(nèi)。另外，保持相同的發(fā)射條件，當(dāng)兩子彈同時(shí)與Hopkinson桿相撞時(shí)，使兩子彈作用在桿上的沖擊加速度脈沖信號(hào)頻率相同且峰值分別記為a外、a內(nèi)，而被測(cè)加速度計(jì)感知到的沖擊加速度脈沖的峰值應(yīng)為兩子彈產(chǎn)生加速度峰值之和，即a外+a內(nèi)，則加速度計(jì)對(duì)應(yīng)輸出的加速度峰值記為A總。令A(yù)疊=A外+A內(nèi)，可以求出ΔY=（A外+A內(nèi)）-A總=A疊-A總。

其中，

表1 彈丸尺寸 單位：mm

表2 彈丸發(fā)射方式

根據(jù)動(dòng)態(tài)線性定義，如果用符號(hào)α表示來自目標(biāo)加速度計(jì)的輸出信號(hào)，加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)線性可以通過下面的表達(dá)式來定義：

式中，α1（t）為只有外彈通過外部發(fā)射管發(fā)射時(shí)，傳感器的輸出量，單位為mV；α2（t）為只有外彈通過外部發(fā)射管發(fā)射時(shí)，傳感器的輸出量，單位為mV；α1+2（t）為外彈和內(nèi)彈同時(shí)發(fā)射時(shí)，傳感器的輸出量，單位為mV；故，加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)線性可以表示為：

重復(fù)測(cè)量3～5次，取其平均值作為加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)線性。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本次測(cè)量試驗(yàn)中，采用中北大學(xué)自行研制的型號(hào)為NCCJ-1-20，量程為150 000 gn，抗過載能力為200 000 gn的高g值壓阻式加速度傳感器進(jìn)行標(biāo)定。

為保證測(cè)試系統(tǒng)的可靠性，先對(duì)其可靠性進(jìn)行評(píng)估，通過處理多普勒信號(hào)所得加速度之間的關(guān)系來反映系統(tǒng)可靠與否。

3.1 測(cè)試系統(tǒng)可靠性驗(yàn)證

為保證測(cè)試系統(tǒng)的可靠性，故對(duì)其進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，結(jié)果如下：

①第一次試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 多普勒信號(hào)處理獲得加速度曲線

圖4 加速度對(duì)比曲線

②第二試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5 多普勒信號(hào)處理獲得加速度曲線

圖6 加速度對(duì)比曲線

③第三次試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖7 多普勒信號(hào)處理獲得加速度曲線

圖8 加速度對(duì)比曲線

圖3中黑色虛線是外彈發(fā)射時(shí)，激光干涉儀所測(cè)多普勒信號(hào)經(jīng)處理得到加速度曲線，記為a外；黑色實(shí)線是內(nèi)彈發(fā)射時(shí)，激光干涉儀測(cè)得多普勒信號(hào)處理所得加速度曲線，記為a內(nèi)。

圖4中黑色虛線是圖3中內(nèi)外彈經(jīng)過疊加后所得加速度曲線，記為a疊（a疊=a外+a內(nèi)）；黑色實(shí)線是內(nèi)外彈同時(shí)發(fā)射所得加速度曲線，記為a總。

其中圖5、圖7和圖6、圖8分別與圖3、圖4敘述內(nèi)容相同。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

因此，求得雙彈頭Hopkinson桿動(dòng)態(tài)線性的平均值：

結(jié)果處理：激光干涉儀測(cè)得的多普勒信號(hào)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡采集后進(jìn)行處理。

結(jié)果分析：由上述結(jié)果可以看出經(jīng)過三次測(cè)量，ρ小于5%，由此證明雙彈頭Hopkinson桿的動(dòng)態(tài)線性良好。因此，采用雙彈頭Hopkinson桿來測(cè)量加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)線性是可靠的。

3.2 加速度計(jì)動(dòng)態(tài)線性測(cè)量

為驗(yàn)證高g值加速度計(jì)動(dòng)態(tài)線性良好與否，對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如下：

①第一次試驗(yàn)數(shù)據(jù)（加速度計(jì)輸出）

圖9 加速度計(jì)輸出曲線

圖10 加速度對(duì)比曲線

②第二次試驗(yàn)數(shù)據(jù)（加速度計(jì)輸出）

圖11 加速度計(jì)輸出曲線

圖12 加速度對(duì)比曲線

③第三次試驗(yàn)數(shù)據(jù)（加速度計(jì)輸出）

圖13 加速度計(jì)輸出曲線

圖14 加速度對(duì)比曲線

圖9中黑色虛線是外彈發(fā)射時(shí)，加速度計(jì)輸出加速度曲線，記為A外；黑色實(shí)線是內(nèi)彈發(fā)射時(shí)加速度計(jì)輸出加速度曲線，記為A內(nèi)。

圖10中黑色虛線是圖9中所得內(nèi)外彈曲線經(jīng)疊加后加速度計(jì)輸出加速度曲線，記為A疊（A疊=A外+ A內(nèi)）；黑色實(shí)線是內(nèi)外彈同時(shí)發(fā)射所得加速度計(jì)輸出加速度曲線，記為A總。

其中圖11、圖13和圖12、圖14分別與圖9、圖10敘述內(nèi)容一致。）

表4 試驗(yàn)結(jié)果

從而，求得型號(hào)為NCCJ-1-20高g值壓阻式加速度計(jì)動(dòng)態(tài)線性的平均值：

結(jié)果處理：加速度計(jì)獲得的加速度脈沖信號(hào)通過電壓放大器放大并由數(shù)據(jù)采集卡采集后進(jìn)行處理。

結(jié)果分析：通過上述結(jié)果說明采用雙彈頭Hopkinson桿可以測(cè)出高g值壓阻式加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)線性。經(jīng)過三次測(cè)量，σ總′小于5%，由此證明高g值壓阻式加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)線性良好。

4 結(jié)論

本文將動(dòng)態(tài)線性作為高g值加速度計(jì)的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，提出了一種利用雙彈頭Hopkinson桿激光干涉沖擊試驗(yàn)裝置對(duì)高g值加速度計(jì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)線性的測(cè)量方法。在保證沖擊加速度發(fā)生器可靠的前提下，利用此方法可以精確地測(cè)量出高g值加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)線性，并以ΔY是否在所要求的精度范圍內(nèi)，來評(píng)價(jià)高g值加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)線性；同時(shí)，這一動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)也可作為一項(xiàng)評(píng)定高g值加速度計(jì)質(zhì)量優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。

［1］ 董力科，代月松，陳昌鑫，等.基于Hopkinson的高g值加速度計(jì)的標(biāo)定［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（15）：86-88.

［2］ 景鵬，馬鐵華，王燕.一種壓阻式三軸高g值加速度傳感器的沖擊校準(zhǔn)［J］.傳感器技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，21（6）：954-958.

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［4］ 祈曉瑾.MEMS高g值加速度傳感器研究［D］.太原：中北大學(xué)，2007：S.

［5］ 王文軍，胡時(shí)勝.高g值加速度傳感器的標(biāo)定［J］.爆炸與沖擊，2006，26（6）：568-571.

［6］ 李婉蓉，范錦彪，王燕，等.基于小尺寸Hopkinson桿的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，26（11）：1617-1620.

［7］ 中北大學(xué).利用沖擊加速度發(fā)生器測(cè)量微加速度計(jì)動(dòng)態(tài)線性的方法［P］.China Patent，No.CN1677113 A.2005-10-05.

［8］ Akira Umeda.Method and Device for Measuring Dynamic Linearity of AccelerationSensor［P］.UnitedStatesPatent：No.US20050160785，2005-07-28.

［9］ IEC/SC47E.IEC 60747-14-4 Semiconductor Devices-Part 14-4：Semiconductor Accelerometers［S］.2011.

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［11］李玉龍，郭偉國，賈德新，等.高g值加速度傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)的研究［J］.爆炸與沖擊，1997，17（1）：90-96.

［12］夏烈芳，高鵬，戰(zhàn)豐豐，等.基于Hopkinson桿的高g值沖擊傳感器校準(zhǔn)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2009，17（8）：68-70.

楊志才（1989-），男，漢族，碩士研究生，主要從事MEMS傳感器設(shè)計(jì)，電路設(shè)計(jì)，傳感器測(cè)試等方面研究，1148744272@qq. com；

石云波（1972-），男，漢族，博士，中北大學(xué)副教授，目前主要從事MEMS、微慣性器件等方面的研究，參加了國防973、國家863、國家自然基金等多項(xiàng)科研項(xiàng)目，獲得山西省技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、國內(nèi)發(fā)明專利4項(xiàng)、發(fā)表論文24篇，y.b. shi@126.com。

Dynamic Linear Analysis of High-g Accelerometers Based on Dual Warhead Hopkinson Bar*

YANG Zhicai1，2，SHI Yunbo1，2*，DONG Shefei1，2，CHEN Yanxiang1，2，ZHI Dan1，2
（1.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China）

It analyzes the dynamic linear testing principle of high g acceleration sensor and verifies the reliability of the dual warhead Hopkinson bar.At the same time，using dual warhead Hopkinson bar laser interference impact experiment device measures the high g acceleration sensor of dynamic linearity.This method is taking dual warhead Hopkinson bar as a signal generator.Firing two bullets（inner and outer）with dual chamber signal generator.When two bullets hit the dual warhead Hopkinson bar respectively，by controlling the impact acceleration generator，produce the same acceleration pulse frequency which peaks are aouterand ainner.The measured output peak acceleration are Aouterand Ainner.Keep the same firing conditions，when the inside and outside bullet impact Hopkinson bar at the same time，the acceleration pulse frequency is the same and the peaks are aouterand ainner.According to the stress wave superposition principle，the peak acceleration of the superposition is atotal=aouter+ainner，the measured acceleration sensor acceleration peak corresponding to the output is Atotal.So we get ΔY=（Aouter+Ainner）-Atotal.By analyzing the range of ΔY，evaluates dynamic linearity of accelerometer.

accelerometer；high-g；dual warhead Hopkinson bar technology；laser interferometer；dynamic linearity；measurement EEACC：7230

TP206

A

1004-1699（2015）07-0972-05

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.07.005

項(xiàng)目來源：國家自然科學(xué)基金杰出青年項(xiàng)目（51225504）

2015-02-05 修改日期：2015-03-24