基于高沖擊臺的高量程加速度傳感器動態(tài)性能分析*

劉 伊，范錦彪，王 燕

（1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室，太原030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051）

基于高沖擊臺的高量程加速度傳感器動態(tài)性能分析*

劉 伊，范錦彪*，王 燕

（1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室，太原030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051）

高量程傳感器是測試系統(tǒng)核心器件，傳感器性能直接影響測試系統(tǒng)精確度，所以對傳感器的動態(tài)性能分析十分重要。針對高量程加速度傳感器動態(tài)校準(zhǔn)裝置自動化程度不高，提出了基于高沖擊臺的動態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)。試驗采用沖擊比較法，以B&K公司8309傳感器作為標(biāo)準(zhǔn)傳感器對實驗室自制58#壓阻式量程100 000 gn加速度傳感器進(jìn)行動態(tài)校準(zhǔn)，分析傳感器動態(tài)性能，動態(tài)性能不理想，對傳感器進(jìn)行動態(tài)建模，為以后的動態(tài)補(bǔ)償提供依據(jù)。

高量程加速度傳感器；動態(tài)校準(zhǔn)；動態(tài)建模；高沖擊臺；沖擊比較法

高量程加速度傳感器，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于動態(tài)撞擊過程及高速運動過程中沖擊載荷的測量［1］。這種快速瞬變信號的準(zhǔn)確測量前提是對傳感器進(jìn)行動態(tài)校準(zhǔn)［2］。目前國內(nèi)產(chǎn)生高沖擊加速度的測試裝置有馬歇特錘［3］，它是利用杠桿原理，需人力將擺錘轉(zhuǎn)到需要的角度處釋放，使擺錘對氈?jǐn)[產(chǎn)生碰撞，由于只能產(chǎn)生特定分度齒對應(yīng)的沖擊加速度，比如1齒對應(yīng)5 000 gn而2齒對應(yīng)8 000 gn分度較粗，應(yīng)用范圍比較窄［4］。利用霍普金森桿和激光干涉儀組合的校準(zhǔn)系統(tǒng)［5］，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)較為復(fù)雜導(dǎo)致實驗前期準(zhǔn)備工作較長［6］。針對以上問題，實驗采用落體式高沖擊試驗臺來實現(xiàn)沖擊校準(zhǔn)系統(tǒng)的激勵源。高沖擊臺校準(zhǔn)系統(tǒng)可以幫助用戶自動地，精確地完成沖擊實驗，無需人工在實驗現(xiàn)場干預(yù)，精確度較高。

1 高沖擊臺試驗裝置及其校準(zhǔn)原理

1.1 高沖擊臺基本原理

沖擊臺采用全自動氣壓提升沖擊測試系統(tǒng)，由機(jī)架、導(dǎo)軌、高度標(biāo)尺、落錘、提升釋放機(jī)構(gòu)和沖砧等組成。結(jié)構(gòu)如圖1所示，實物如圖2所示。

圖1 高沖擊臺結(jié)構(gòu)圖

圖2 高沖擊臺實驗

機(jī)架：由機(jī)座、立柱和上蓋等組成；導(dǎo)軌：落錘提升和下落時起導(dǎo)向作用；落錘：產(chǎn)生沖擊的主要部分，由錘身和錘頭組成。錘身經(jīng)過改進(jìn)為實心的45#鋼，兩側(cè)固定有塑料導(dǎo)槽。標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器和被校加速度傳感器背靠背地安裝在其頂部。當(dāng)落錘提升到某一高度后自由下落，就與沖砧碰撞，產(chǎn)生沖擊加速度，并回跳，完成一次沖擊；提升釋放機(jī)構(gòu)：把落錘提升和固定在某一高度，由電磁力釋放落錘，使其自由下落；高度標(biāo)尺：指示落錘落下的高度；沖砧：落錘與其碰撞后產(chǎn)生不同的沖擊加速度。

沖擊臺提升高度范圍在0～1 500 mm，高度的改變相應(yīng)沖擊加速度值也在改變，一般在1 400 mm時沖擊加速度就可超過100 000 gn。改變氈墊薄厚就能改變沖擊脈沖的脈寬，半正弦波形脈沖寬度范圍在20μs～100μs。

1.2 沖擊比較法原理

將B&K公司8309標(biāo)準(zhǔn)傳感器和實驗室自制58#壓阻式加速度傳感器背靠背剛性安裝在沖擊臺工藝板內(nèi)，將8309傳感器信號線接到電荷放大器上，經(jīng)電荷放大器將電荷信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，由32通道邏輯分析儀采集顯示和保存?zhèn)鞲衅餍盘?。被校?zhǔn)的58#壓阻式加速度傳感器，供電電壓3.3 V，輸出基線0.76 V。用3.3 V鋰電池給58#傳感器供電，信號輸出經(jīng)電壓放大器放大，再將其接到邏輯分析儀上（見圖3）。沖擊臺下放5張厚氈墊使得觸發(fā)波形脈寬保持在50μs左右。當(dāng)沖擊臺從一定高度下落與氈墊發(fā)生沖擊時，邏輯分析儀讀取標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器和被校準(zhǔn)加速度傳感器的峰值電壓。因沖擊產(chǎn)生時安裝在沖擊臺工藝板內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被校加速度傳感器受同一沖擊加速度脈沖的激勵，其響應(yīng)分別為x(t)和y(t)，如圖4所示。

圖3 校準(zhǔn)傳感器簡略原理圖

圖4 沖擊比較校準(zhǔn)法說明圖

圖4中，A為標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器；B為被校加速度傳感器；C1、C2為前置放大器

將傳感器系統(tǒng)看作線性定常環(huán)節(jié)，設(shè)其傳遞函數(shù)分別為Wb(s)和Wa(s)，則有

若x(t)與y(t)的傅里葉變換存在，分別為X(jω)與Y(jω)，令

由式（1）可見，若標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器的頻率特性已知，則可由x(t)與y(t)的頻譜之比，求得被校傳感器的頻率特性Wb(jω )［7］。

2 實驗結(jié)果及分析

采用丹麥B&K壓電式8309加速度傳感器作為標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器，其頻域技術(shù)指標(biāo)中諧振頻率為180 kHz，工作頻帶在100 kHz以上。而被校準(zhǔn)傳感器有意義的頻帶在50 kHz以內(nèi)，完全滿足沖擊比較的條件。因此用B&K8309型傳感器在沖擊比較校準(zhǔn)系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)傳感器是可以滿足校準(zhǔn)精度要求。

實驗室自制壓阻式58#加速度傳感器。經(jīng)過多次實驗，以下是其中一次實驗數(shù)據(jù)圖，圖5是標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器8309原始信號，圖6是被校的58#壓阻式加速度傳感器原始信號，8309壓電傳感器經(jīng)過電荷放大器的歸一化放大靈敏度為0.1 mV/gn，58#傳感器通過電壓放大器，對應(yīng)1 V相當(dāng)10 000 gn。將數(shù)據(jù)在MATLAB中進(jìn)行分析，對數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變化，圖7是實驗室自制傳感器頻譜信號，計算分析58#傳感器頻域內(nèi)的動態(tài)性能指標(biāo)，如圖8所示。

由圖8頻率特性曲線可以看出實驗室自制58#壓阻式加速度傳感器的頻域動態(tài)性能指標(biāo)為：幅值誤差為±10%的工作頻帶為ωg1=8.385 kHz，幅值誤差為±5%的工作頻帶為ωg2=5.989 kHz，諧振頻率為ωx= 25.25 kHz，諧振峰值為Am=10.83 dB。由于工作頻帶較窄，不能適應(yīng)各種動態(tài)測試條件，對實驗室自制傳感器進(jìn)行動態(tài)建模。

圖5 8309原始信號

圖6 被校58#加速度傳感器原始信號

圖7 被校傳感器頻譜

圖8 58#壓阻式加速度傳感器頻率特性

3 加速度傳感器動態(tài)建模

加速度傳感器可以看成單輸入單輸出線性定常系統(tǒng)，差分方程模型為［8］：

式中：u(k)為系統(tǒng)輸入觀測量；z(k)為系統(tǒng)輸出觀測量；ε(k)為殘差。

試驗中標(biāo)準(zhǔn)傳感器輸出值和被校傳感器輸出值最為系統(tǒng)輸入觀測量和輸出觀測量。指標(biāo)函數(shù)提供的信息可以確定合適的模型階次，指標(biāo)函數(shù)的定義為，確定模型階次后運用遞推最小二乘法進(jìn)行參數(shù)辨識。圖9為N=5 000，n=8時指標(biāo)函數(shù)運算結(jié)果。

圖9 指標(biāo)函數(shù)對應(yīng)階次圖

運用simulink仿真，進(jìn)行模型回歸效果驗證。圖10是模型回歸值與實驗值比較。由于傳感器工作頻帶較窄，且平直段不夠平滑，導(dǎo)致測試范圍較小，動態(tài)模型的建立為以后的動態(tài)性能補(bǔ)償提供了有力依據(jù)。

圖10 實驗數(shù)據(jù)與模型回歸效果檢驗

4 結(jié)束語

利用高沖擊臺裝置，應(yīng)用沖擊比較法基本原理，對實驗室自制58#壓阻式加速度傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，運用MATLAB軟件對數(shù)據(jù)在頻域上進(jìn)行處理并分析動態(tài)性能，并對被校傳感器進(jìn)行動態(tài)建模。與其傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)相比，高沖擊臺校準(zhǔn)更加方便準(zhǔn)確地得到傳感器動態(tài)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，為準(zhǔn)確地分析傳感器動態(tài)性能提供了有力的依據(jù)，精確的數(shù)據(jù)為傳感器的動態(tài)建模提供了有力保障，為以后的提高傳感器動態(tài)性能提供了依據(jù)。

［1］李璽，范錦彪，王燕.微小型Hopkinson桿的動態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2014，27（6）：781-784.

［2］楊志才，石云波，董勝飛.基于雙彈頭Hopkinson桿的高g值加速度傳感器的動態(tài)線性分析［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2015，28（7）：972-976.

［3］李芝絨，王勝強(qiáng)，潘文.基于激光多普勒測速法的2×106m/s2高沖擊校準(zhǔn)技術(shù)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2012，25（12）：1673-1677.

［4］朱杰，王靜.傳感器的低頻特性對高沖擊測試的影響研究［J］.電子器件，2015，38（3）：639-642.

［5］潘龍麗，石云波，周智君，等.MEMS高量程加速度傳感器的動態(tài)特性分析［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2012，25（10）：1392-1394.

［6］劉愛莉.壓阻式高g值加速度傳感器的動態(tài)特性研究［D］.太原：中北學(xué)，2013.

［7］張志勇，辛長宇，朱玉龍.pt100溫度傳感器非線性的補(bǔ)償方法與電路實現(xiàn)［J］.電子器件，2007，30（6）：2189-2191.

［8］毛建東，華燈鑫.基于模型參考和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的傳感器動態(tài)補(bǔ)償器的設(shè)計［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2007，20（10）：2284-2287.

劉 伊（1990-），女，漢族，山西定襄人，碩士研究生，主要研究方向為高量程加速度計校準(zhǔn)和補(bǔ)償，582453221@qq.com；

范錦彪（1974-），男，博士，教授，目前從事動態(tài)參量校準(zhǔn)、全彈道姿態(tài)參數(shù)的測試、侵徹過載測試等，獲國防科學(xué)技術(shù)獎二等獎1項、山西省科學(xué)技術(shù)獎二等獎1項、國家發(fā)明專利2項、在國內(nèi)外核心期刊和學(xué)術(shù)會議發(fā)表論文10余篇，其中多篇被SCI、EI、ISTP收錄，fanjinbiao @nuc.edu.cn。

Based on High Impact Accelerometer the Dynamic Performance Analysis of High-Level Acceleration Sensors

LIU Yi，F(xiàn)AN Jinbiao*，WANG Yan
（1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Instrument Science and Dynamic Test Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China）

High range sensor is the core device in the test system，the sensor performance directly affects the accura?cy of the test system，so the dynamic performance of the sensor analysis is very important.Aiming at the disadvan?tage that the degree of automation of the dynamic calibration device of high scale acceleration sensor is not to be ad?equately high，a dynamic calibration system based on high impact table is proposed.Using the basic principle of im?pact comparison method，the dynamic calibration of the 100 000 gnsensor with B&K 8309 sensor as the standard sensor is used to calibrate the 58#sensor，and to analyse dynamic performances of sensors.The dynamic perfor?mance is not satisfactory，the sensor dynamic modeling provides the future basis for dynamic compensation.

high range acceleration sensor；dynamic calibration；dynamic modeling；high shock machine；impact of comparison method

TP212.12

A

1005-9490（2016）06-1445-04

7230；7320E

10.3969/j.issn.1005-9490.2016.06.032

2015-12-18 修改日期：2016-02-09