低g值碰撞式?jīng)_擊加速度計量標(biāo)準(zhǔn)裝置研究與建立

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

低g值碰撞式?jīng)_擊加速度計量標(biāo)準(zhǔn)裝置研究與建立

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(xué)，北京100029； 2. 中國計量科學(xué)研究院，北京100029)

摘要：研究建立低g值碰撞式?jīng)_擊加速度計量標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)實現(xiàn)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(zhǔn)。校準(zhǔn)不確定度為1%，k=2。介紹裝置的結(jié)構(gòu)組成及解決的關(guān)鍵技術(shù)，描述波形發(fā)生的材料種類，給出校準(zhǔn)的實驗數(shù)據(jù)及不確定度評估。低g值碰撞式?jīng)_擊加速度計量標(biāo)準(zhǔn)裝置為主導(dǎo)亞太計量規(guī)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(guān)鍵詞：計量學(xué)；激光干涉法沖擊校準(zhǔn)；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(zhì)檢總局質(zhì)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(xiàn)標(biāo)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(jī)械沖擊指能激起機(jī)械系統(tǒng)瞬態(tài)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(xué)、交通運(yùn)輸、汽車工業(yè)、建筑業(yè)及日常生活眾多領(lǐng)域廣泛存在各類沖擊現(xiàn)象。機(jī)械沖擊大小由經(jīng)沖擊校準(zhǔn)的加速度計準(zhǔn)確測量獲得[1]。激光干涉法沖擊校準(zhǔn)的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO16063-13[2]及國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20485.13規(guī)定兩類典型的沖擊激勵系統(tǒng)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?；贖opkinson桿激勵的新一代沖擊加速度國家基準(zhǔn)，已在中國計量科學(xué)研究院建立[3]?；趧傮w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(zhǔn)，在汽車安全、人員防護(hù)等領(lǐng)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(zhǔn)。

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(zhǔn)技術(shù)，在國際計量領(lǐng)域，由德國物理技術(shù)研究院(PTB)最早研究[4]。PTB采用基于剛體碰撞原理產(chǎn)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(nèi)校準(zhǔn)結(jié)果擴(kuò)展不確定度為0.5%(k=2)；采用的沖擊激勵器為機(jī)械彈簧機(jī)構(gòu)，而沖擊錘及砧體均系高精密機(jī)械加工而成，與高精密空氣軸承部件配合，有效減小橫向運(yùn)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(guī)劃組織內(nèi)，日本國家計量院(NMIJ)積極開展該領(lǐng)域研究[5]。參考PTB低g值沖擊標(biāo)準(zhǔn)裝置，NMIJ研制出采用壓縮空氣為激勵源的碰撞式?jīng)_擊裝置，產(chǎn)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(nèi)校準(zhǔn)結(jié)果擴(kuò)展不確定度為1.0%(k=2)。

中國計量科學(xué)院已建立低g值碰撞式?jīng)_擊加速度計量標(biāo)準(zhǔn)裝置[6]，沖擊加速度峰值20～10 000 m/s2及脈沖持續(xù)時間0.5～10 ms范圍內(nèi)，實現(xiàn)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(zhǔn)，校準(zhǔn)不確定度1.0%(k=2)。基于該裝置研究、建立，中國計量科學(xué)研究院目前正主導(dǎo)亞太計量規(guī)劃組織沖擊加速度研究性國際比對APMP.AUV.V-P1。

1裝置構(gòu)成

低g值碰撞式?jīng)_擊加速度計量標(biāo)準(zhǔn)裝置主要包括三部分：產(chǎn)生半正弦平方波形沖擊激勵的沖擊機(jī)、激光干涉儀測量部分及基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)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(jī)械系統(tǒng)動力源，即電磁錘或空氣錘指令，設(shè)定激勵能量大小并開始擊打，動力源擊打部分向前運(yùn)動撞擊空氣軸承支撐錘體，錘體加速向前運(yùn)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(jī)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸至主控電腦，軟件系統(tǒng)完成激光信號解算獲得測量結(jié)果。

圖1　采用外差激光干涉儀的低g值標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)簡圖 Fig.1 Schematic diagram of low-g shock standard device with heterodyne laser interferometer

2關(guān)鍵技術(shù)解決

2.1沖擊激勵機(jī)

沖擊激勵機(jī)基于ISO標(biāo)準(zhǔn)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(jī)械部分產(chǎn)生沖擊激勵加速度波形質(zhì)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(hù)方便，本裝置采用V型槽結(jié)構(gòu)。因此，只要確保V型槽加工精度滿足要求，即能保證沖擊機(jī)運(yùn)動部分的安裝精度，整個沖擊激勵機(jī)械部分結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2　沖擊激勵機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.2 Diagram of shock excitation machine

2.1.1動力源

沖擊激勵機(jī)動力源作為整個碰撞式機(jī)械系統(tǒng)能量供給部分，提供的撞擊能量大小直接決定產(chǎn)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(fù)性則決定產(chǎn)生沖擊加速度峰值的重復(fù)性，由于受砧體、錘體本身結(jié)構(gòu)一階諧振頻率影響，砧體與錘體碰撞產(chǎn)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(yōu)點為可控性、重復(fù)性好。其提供動力原理為利用電磁方式產(chǎn)生推力，即在強(qiáng)力永久磁鐵磁場下對驅(qū)動線圈施加一定電壓及電流，產(chǎn)生一定大小洛倫茲力。實際測試數(shù)據(jù)表明，在某設(shè)定電壓下，電磁錘擊打產(chǎn)生的沖擊速度重復(fù)性優(yōu)于1%，可為整個機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)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(dǎo)致在產(chǎn)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(bǔ)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(chǎn)生較高沖擊加速度峰值要求?？諝忮N利用電磁閥控制氣壓閥門開閉，當(dāng)電磁閥打開時，高壓倉壓縮空氣便推動活塞運(yùn)動，帶動與連接活塞的撞擊桿向前加速，實現(xiàn)擊打。

本裝置沖擊機(jī)機(jī)械系統(tǒng)動力源部分，通過電機(jī)驅(qū)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(xiàn)較寬的加速度、脈寬測量范圍(圖2)。

2.1.2運(yùn)動部分

為保證產(chǎn)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(yīng)在±0.2 mm以內(nèi)。為避免其它機(jī)械結(jié)構(gòu)對運(yùn)動部分不利影響(如外界擾動、機(jī)械部分諧振及其它干擾運(yùn)動等)，沖擊機(jī)運(yùn)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(yùn)動中因非對稱力影響導(dǎo)致轉(zhuǎn)動或非軸向運(yùn)動。

空氣軸承部分采用美國NewWay公司內(nèi)徑30 mm的高性能空氣軸承，用于安放產(chǎn)生沖擊激勵的錘體及砧體?？諝廨S承安裝于軸承套中，為保證空氣軸承進(jìn)氣暢通，在軸承套內(nèi)壁對應(yīng)位置設(shè)計進(jìn)氣槽，以保證氣流能順利進(jìn)入。錘體、砧體安裝在空氣軸承中，通過自由運(yùn)動的機(jī)械碰撞實現(xiàn)沖擊加速度激勵。作為沖擊激勵機(jī)中關(guān)鍵運(yùn)動部分，加工質(zhì)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(jié)果直接相關(guān)。參考國際標(biāo)準(zhǔn)，錘體、砧體尺寸一般取直徑30 mm，長度200 mm，運(yùn)動限位部采用一體化法蘭設(shè)計，避免通過其它附加方式設(shè)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(zhì)量較輕較硬的鋁合金材料與性能更穩(wěn)定的鈦合金材料。鈦合金的錘體、砧體質(zhì)量共1.27 kg，利用加速度計對砧體軸向諧振頻率進(jìn)行測試，典型頻域測試結(jié)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(jié)果基本一致。該諧振頻率決定沖擊激勵機(jī)產(chǎn)生沖擊加速度的脈寬范圍。在對應(yīng)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(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求，對應(yīng)一階諧振頻率應(yīng)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(jié)合后續(xù)低通濾波信號處理，對0.5 ms脈寬的沖擊加速度計校準(zhǔn)，影響較小，引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量小于2×10-3。

圖3　砧體軸向諧振頻率測試結(jié)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(yōu)先選用外差激光干涉儀進(jìn)行校準(zhǔn)。基于正交輸出的改進(jìn)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(jī)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(guān)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(dāng)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(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(dāng)方法調(diào)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(zhuǎn)換方式產(chǎn)生兩路干涉信號，故其誤差主要來源為數(shù)據(jù)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(zhǔn)結(jié)果不確定度更小[7]。

2.3數(shù)據(jù)采集處理部分

利用虛擬儀器技術(shù)，采用高性能模塊化硬件結(jié)合靈活軟件編程實現(xiàn)沖擊校準(zhǔn)的信號采集及數(shù)據(jù)處理[8]。本裝置數(shù)據(jù)采集處理部分基于LabVIEW虛擬儀器環(huán)境，以相應(yīng)的PXI硬件為基礎(chǔ)，實現(xiàn)激光干涉絕對法低g值碰撞式?jīng)_擊校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)處理。選擇PXI1073控制機(jī)箱作為硬件平臺，將兩塊采集卡同步控制，實現(xiàn)信號采集。

PXI5922雙通道可變分辨率數(shù)字化儀，具有16～24位分辨率，可據(jù)所選采樣頻率自動調(diào)整?？紤]被校加速度計輸出電信號脈寬為毫秒級，而校準(zhǔn)結(jié)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(shù)據(jù)采集卡可滿足該要求，故選擇該數(shù)據(jù)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(shù)字化儀最高采樣頻率達(dá)100 MHz，具有200 mV～ 20 V電壓輸入，并可在板載內(nèi)存中采集超過100萬個波形，為時、頻域分析的理想選擇?？紤]本裝置沖擊激勵機(jī)產(chǎn)生的沖擊加速度脈寬與峰值對應(yīng)關(guān)系，計算得產(chǎn)生的沖擊速度峰值最大不超過5 m/s，按穩(wěn)頻氦-氖激光器作為測量光源多普勒頻移與速度關(guān)系，其對應(yīng)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(zhǔn)確采集激光干涉儀多普勒信號要求。

測量軟件數(shù)據(jù)計算按ISO16063-13規(guī)定，實現(xiàn)沖擊加速度信號復(fù)現(xiàn)，此處不再詳述。

3沖擊波形發(fā)生

沖擊激勵機(jī)基于剛體碰撞產(chǎn)生沖擊加速度激勵，若錘體、砧體直接碰撞則會產(chǎn)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(jié)果。因此，需在碰撞體中間增加墊層，不同材料墊層產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生變形，但外力消除后立刻恢復(fù)原狀，且由于彈性模量較低，故重復(fù)性較好。另外，硅膠具有抗腐蝕，物理性能較穩(wěn)定，為較可靠的沖擊加速度波形發(fā)生器。本裝置選不同硬度的硅膠墊層進(jìn)行實驗，不同硬度的硅膠材料可產(chǎn)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(biāo)尺40度、50度、60度、70度的硅膠墊層及產(chǎn)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(jī)高分子材料，適應(yīng)性強(qiáng)、耐磨性好、機(jī)械性能及彈性較好，廣泛用于輕工、化工、電子、紡織及醫(yī)療等行業(yè)。本裝置選兩種常規(guī)聚氨酯材料，邵氏硬度分別為80 HA與90 HA，用于產(chǎn)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(jī)激勵源。與偏軟硅膠墊層相比，聚氨酯墊層硬度高，產(chǎn)生的脈寬及峰值差異大。如對0.55 ms脈寬，硅膠墊層產(chǎn)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(zhǔn)試驗中，毛氈為常用的波形發(fā)生材料，能產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(zhǔn)，不同材料產(chǎn)生的沖擊加速度波形區(qū)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(fā)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(dǎo)致校準(zhǔn)結(jié)果精度降低。硬度值較低的硅膠適于產(chǎn)生沖擊加速度峰值較低的波形，脈沖寬度較大，且不適合產(chǎn)生脈寬較窄的沖擊加速度波形，與其自身的隔振特性相關(guān)。而若需用較厚的毛氈墊層發(fā)生較高的沖擊加速度峰值，則需沖擊激勵機(jī)動力源提供較大沖擊動能。

4實驗數(shù)據(jù)及不確定度評估

4.1沖擊靈敏度實驗數(shù)據(jù)

對所選標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)要求，用低g值碰撞式?jīng)_擊加速度計量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行校準(zhǔn)。沖擊加速度峰值范圍約20～10000 m/s2，校準(zhǔn)結(jié)果見表1。

表1　沖擊靈敏度測量結(jié)果

4.2校準(zhǔn)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(zhǔn)方法 第13部分：激光干涉法沖擊加速度絕對校準(zhǔn)及對表1中校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行不確定度評估，獲得沖擊靈敏度校準(zhǔn)的擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)有所區(qū)別。

4.3沖擊靈敏度國際比對

低g值碰撞式?jīng)_擊加速度計量標(biāo)準(zhǔn)裝置建立使中國計量科學(xué)研究院具備低g值碰撞式激光干涉絕對法校準(zhǔn)加速度計沖擊靈敏度的技術(shù)能力，為主導(dǎo)亞太計量規(guī)劃組織沖擊加速度研究性國際比對APMP.AUV.V-P1奠定技術(shù)基礎(chǔ)。APMP.AUV.V-P1國際比對技術(shù)協(xié)議規(guī)定的比對量為沖擊靈敏度，比對依據(jù)的主要技術(shù)文件為ISO16063-13。比對技術(shù)協(xié)議嚴(yán)格規(guī)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(nèi)。因此對同種形式的激勵系統(tǒng)，理論上已具備可比性。中國計量科學(xué)研究院實驗室擔(dān)任比對主導(dǎo)，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(zhǔn)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(jié)論

碰撞式?jīng)_擊加速度計量標(biāo)準(zhǔn)裝置的建立實現(xiàn)與德國、日本在低g值沖擊校準(zhǔn)方法及計量能力的接軌，可滿足我國民經(jīng)濟(jì)相關(guān)領(lǐng)域?qū)_擊計量提出的寬脈寬、高準(zhǔn)確度的量值溯源需求。目前該項成果已用于中國計量科學(xué)研究院主導(dǎo)亞太計量規(guī)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(rèn)的3項低g值沖擊最高校準(zhǔn)能力(CMCs)脈寬范圍提供重要技術(shù)支持。

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