多分量高沖擊試驗校準(zhǔn)測試裝置

劉 明,張振海,何 光,牛蘭杰,田中旺,孫浩琳,楊 軍,胡紅波

(1.北京理工大學(xué),北京 100081;2.西安機電信息技術(shù)研究所,陜西 西安 710065;3.航空工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所,北京 100095;4. 中國計量科學(xué)研究院,北京 100029)

0 引言

高沖擊加速度傳感器是侵徹武器獲取侵徹過程信息、實現(xiàn)層數(shù)識別與智能起爆控制,以及炮彈內(nèi)彈道加速度測試、彈道終點效應(yīng)沖擊測試的核心器件。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,三軸高沖擊加速度傳感器在軍事領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。三軸高沖擊傳感器在使用過程中,其各項性能參數(shù)會發(fā)生改變,需定期對傳感器進(jìn)行校準(zhǔn),以確定傳感器的各項性能參數(shù)是否滿足實際應(yīng)用需求,因此三軸高沖擊傳感器多分量試驗、測試與校準(zhǔn)是其應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)。

三軸加速度傳感器多分量沖擊校準(zhǔn)是指對傳感器三個軸向施加沖擊載荷進(jìn)行校準(zhǔn)的過程[1]。目前,國內(nèi)外對三軸高沖擊加速度傳感器的多分量校準(zhǔn)研究還比較少,主要是參照單軸高沖擊加速度傳感器校準(zhǔn)方法,依次對三軸向分別施加沖擊進(jìn)行校準(zhǔn)。文獻(xiàn)[2—3]均采用單軸霍普金森桿沖擊試驗裝置,在入射桿的端面上分別安裝相同材質(zhì)的“L”型轉(zhuǎn)接砧體對傳感器的X和Y軸方向進(jìn)行校準(zhǔn),安裝圓柱形砧體對Z軸方向進(jìn)行校準(zhǔn),通過對每一個校準(zhǔn)軸向的測試信號進(jìn)行解算,得到三軸高沖擊加速度傳感器的主向沖擊靈敏度、橫向靈敏度比等主要參數(shù)指標(biāo)。文獻(xiàn)[4]采用空氣炮沖擊加載裝置,設(shè)計了校準(zhǔn)轉(zhuǎn)接砧體,分別對三個軸向進(jìn)行沖擊加載,解算出主向靈敏度、橫向靈敏度,同時給出了橫向靈敏度比的計算方法。文獻(xiàn)[5]設(shè)計了三種不同角度的砧體,用于安裝三軸高沖擊加速度傳感器,采用馬歇特錘沖擊加載裝置對傳感器沖擊靈敏度進(jìn)行校準(zhǔn)。文獻(xiàn)[6]基于一維霍普金森桿沖擊校準(zhǔn)原理,將鈦合金桿端面加工成一定角度的斜面,將傳感器按斜面角度安裝,基于矢量分解方法實現(xiàn)三軸高沖擊加速度傳感器的三軸向校準(zhǔn)。

采用不同的轉(zhuǎn)接砧體依次進(jìn)行三個軸向沖擊校準(zhǔn)的方法,操作繁瑣且效率低,由于不能同時同步對三軸傳感器的三個軸向進(jìn)行沖擊加載,測試校準(zhǔn)結(jié)果不易應(yīng)用于實際工況。采用安裝端面為斜面霍普金森桿或者轉(zhuǎn)接砧體為斜面,這類基于矢量分解的方法雖然可以滿足同時進(jìn)行三個軸向沖擊加載的要求,但斜面角度固定,無法調(diào)節(jié),如果改變斜面角度只能重新加工,成本高。仿真模擬結(jié)果表明,不同斜面角度對試驗結(jié)果產(chǎn)生一定的誤差。同時現(xiàn)有的校準(zhǔn)裝置只能實現(xiàn)單次沖擊加載,很難快速施加連續(xù)多次沖擊加載。多次沖擊加載方式每次都需要重新安裝調(diào)整,效率低且操作繁瑣。如何提高校準(zhǔn)效率,實現(xiàn)快速沖擊加載校準(zhǔn),是需要解決的實際問題。本文針對上述難點,開展多分量高沖擊試驗校準(zhǔn)測試裝置的研究工作。

1 試驗測試裝置總體設(shè)計

1.1 多分量沖擊加載裝置設(shè)計

多分量沖擊加載校準(zhǔn)測試裝置,是基于霍普金森桿應(yīng)力波沖擊加載方法,以Z軸向霍普金森桿作為主向沖擊激勵載體,產(chǎn)生的應(yīng)力波脈沖通過轉(zhuǎn)接砧體時,產(chǎn)生顯著的橫向效應(yīng)使其激勵起正交方向的應(yīng)力波脈沖對傳感器的X軸向、Y軸向進(jìn)行同步加載,同理可將X、Y軸向霍普金森桿作為主向沖擊激勵載體;將Z軸向、Y軸向、X軸向三根霍普金森桿傾斜安裝成正交對稱結(jié)構(gòu),每次沖擊加載擊發(fā)完成后,試驗?zāi)M彈丸能夠在重力作用下自動落回到原位,從而為實現(xiàn)快速連續(xù)多次沖擊加載擊發(fā)奠定基礎(chǔ)。由粘貼在霍普金森桿中間位置的電阻應(yīng)變片,與動態(tài)應(yīng)變儀構(gòu)成的應(yīng)力波測試系統(tǒng),可以實現(xiàn)對模擬彈丸碰撞霍普金森桿產(chǎn)生的應(yīng)力波進(jìn)行動態(tài)測試。搭建多通道信號采集系統(tǒng),設(shè)計LabVIEW控制程序模塊與數(shù)據(jù)采集程序模塊,基于Matlab軟件設(shè)計數(shù)據(jù)處理模塊,對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理和解算,實現(xiàn)傳感器多分量沖擊加載及測試校準(zhǔn)。

圖1所示為霍普金森桿多分量高沖擊試驗校準(zhǔn)測試裝置組成及框圖,圖2為該裝置實物圖。該裝置主要由三軸正交沖擊加載主體裝置、測控系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)等部分組成。

圖1 校準(zhǔn)測試裝置系統(tǒng)框圖Fig.1 Calibration test system diagram

圖2 多分量校準(zhǔn)測試裝置實物圖Fig.2 Multi-component calibration test device

校準(zhǔn)裝置主體包括三軸正交沖擊加載校準(zhǔn)平臺和氣動控制回路。校準(zhǔn)平臺由裝置支架、鈦合金桿、應(yīng)變片和轉(zhuǎn)接砧體組成。設(shè)計搭建鋁合金型材構(gòu)成正直角四面體結(jié)構(gòu)裝置支架作為校準(zhǔn)裝置的主體框架,長2 m、直徑12 mm的鈦合金霍普金森桿固定在三個直角邊框架上,作為X軸向、Y軸向、Z軸向沖擊加載的軸線,三根鈦合金霍普金森桿中間位置的對稱表面粘貼有一對電阻應(yīng)變片,與動態(tài)應(yīng)變儀組成惠斯通半橋應(yīng)變傳感測試系統(tǒng),測量模擬彈丸碰撞霍普金森桿產(chǎn)生的半正弦應(yīng)力波信號。轉(zhuǎn)接砧體位于校準(zhǔn)裝置的正交頂點位置,通過螺紋方式與三根霍普金森桿端面連接,被校傳感器通過螺紋安裝方式固定在轉(zhuǎn)接砧體正交中心位置。

氣壓加載發(fā)射腔位于校準(zhǔn)裝置支架的底部,為模擬彈丸沖擊發(fā)射輸入端,發(fā)射腔內(nèi)有圓柱形氣腔孔,試驗?zāi)M彈丸與發(fā)射腔內(nèi)壁為間隙配合,發(fā)射腔底部為模擬彈丸的原位位置,通過氣動控制回路擊發(fā)試驗?zāi)M彈丸,使其沿軸線方向運動,與霍普金森桿下端面發(fā)生碰撞,產(chǎn)生的應(yīng)力波為半正弦脈沖信號,碰撞完成以后試驗?zāi)M彈丸回彈,在重力作用下回到初始擊發(fā)的發(fā)射腔底部的原位位置。

1.2 電氣控制模塊設(shè)計

多分量高沖擊試驗校準(zhǔn)測試裝置的電氣控制圖如圖3所示,包括電源開關(guān)模塊、電控回路模塊和氣動回路模塊。

計算機通過串口向單片機下達(dá)控制指令,氣動回路模塊通過控制電磁閥、單向閥,使儲氣罐容器內(nèi)的壓縮空氣突然釋放,推動模擬彈丸沿軸向運動,與霍普金森桿發(fā)生碰撞,實現(xiàn)彈丸擊發(fā)功能。電控回路模塊以單片機為控制器核心,通過串口接收計算機的控制指令,LabVIEW上位機程序發(fā)送命令給單片機,單片機接收控制指令,通過控制電磁閥的動作次序和通斷,可實現(xiàn)氣壓調(diào)整和試驗?zāi)M彈丸的順序擊發(fā),進(jìn)而控制校準(zhǔn)測試裝置的運行。

圖3 多分量高沖擊校準(zhǔn)測試裝置電氣控制圖Fig.3 Electrical control diagram of multi-component calibration and test device

1.3 軟件模塊設(shè)計

1.3.1上位機程序設(shè)計

上位機軟件基于LabVIEW開發(fā)環(huán)境進(jìn)行控制界面程序設(shè)計,向單片機發(fā)送操作命令,對多分量高沖擊試驗校準(zhǔn)測試裝置進(jìn)行控制。LabVIEW上位機軟件界面如圖4所示,單片機與上位機通過USB口進(jìn)行供電和串口通信,下位機系統(tǒng)上電。接口信號建立流程為：點擊主界面中的下位機端口下拉菜單欄,選擇與主機連接的下位機端口號,系統(tǒng)上電指示燈亮,下位機反饋字符處反饋99代表與下位機建立通訊,主機與下位機連接成功。

主要操作流程為：選擇需要的工作模式進(jìn)行操作。系統(tǒng)默認(rèn)工作模式為Z軸向霍普金森桿,同時顯示當(dāng)前工作模式。手動輸入試驗所需的擊發(fā)次數(shù)和每一次擊發(fā)的時間間隔。設(shè)定完畢后,開始試驗準(zhǔn)備。點擊“進(jìn)氣”按鈕,上位機發(fā)送進(jìn)氣命令,儲氣罐開始充氣,下位機反饋字顯示“EE”,同時“充壓中”指示燈亮,到達(dá)預(yù)定氣壓之后,點擊“停止進(jìn)氣”按鈕,“沖壓中”指示燈滅,下位機反饋字顯示“DD”,儲氣罐停止進(jìn)氣。開始進(jìn)行沖擊加載試驗,點擊“擊發(fā)”按鈕,上位機向下位機發(fā)送擊發(fā)命令,同時通信字符串處顯示的即為發(fā)送的命令格式。下位機受到擊發(fā)命令,“擊發(fā)中”指示燈亮,待擊發(fā)完成后,下位機反饋字符“AA”,同時“擊發(fā)中”指示燈滅。Y軸向霍普金森桿、X軸向霍普金森桿工作模式和與Z軸向霍普金森桿工作模式一致,只改變了沖擊加載工作軸向。完成一次擊發(fā)試驗后,NI主機同步采集測試數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)顯示在主機界面,并將數(shù)據(jù)文件自動儲存到計算機硬盤指定文件位置。

圖4 LabVIEW上位機軟件Fig.4 LabVIEW PC software

1.3.2單片機程序設(shè)計

單片機程序流程如圖5所示。主要操作流程為：與上位機建立連接,上電完成后,上位機對單片機I/O口、定時器和串口自動進(jìn)行初始化,下位機向上位機持續(xù)發(fā)送反饋字符串99,待主機接收反饋字符串并發(fā)送命令字符串9A,表示通信建立成功。之后單片機將會接收來自上位機的命令控制,并執(zhí)行響應(yīng)的動作。

圖5 單片機程序流程圖Fig.5 Program flow chart of MCU

2 多分量沖擊加載裝置原理分析

2.1 應(yīng)力波傳遞與橫向效應(yīng)分析

利用霍普金森桿校準(zhǔn)高沖擊加速度傳感器,即模擬彈丸撞擊霍普金森彈性桿,產(chǎn)生半正弦應(yīng)力波,沿桿軸向高速傳播,對安裝于霍普金森桿另一端面的被校傳感器產(chǎn)生加速度激勵加載。目前基于霍普金森桿的單軸沖擊傳感器校準(zhǔn)研究相對成熟,本文在單軸沖擊校準(zhǔn)原理基礎(chǔ)上,利用彈性體的泊松效應(yīng),提出了一種新的三軸校準(zhǔn)裝置模型。

應(yīng)力波在等截面均勻桿中傳遞時,一維縱波的波動方程為

(1)

式(1)中,取桿的軸向為x向;質(zhì)點位移為u;桿中軸向應(yīng)力沿截面均勻分布,則應(yīng)變ε=?u/?x、質(zhì)點速度v=?u/?t均為坐標(biāo)x和時間t的函數(shù);c為縱波的波速。

由發(fā)射裝置快速釋放壓縮空氣,推動模擬彈丸沿軸線運動,同軸撞擊一根彈性長桿,產(chǎn)生類似于半正弦的應(yīng)變脈沖,作為激勵信號沿長桿縱向傳播,長桿中間位置粘貼應(yīng)變片,與動態(tài)應(yīng)變儀組成應(yīng)變傳感測試系統(tǒng),對此激勵信號進(jìn)行動態(tài)測試。該激勵信號傳播到被校傳感器與彈性長桿的界面時,若不計傳感器質(zhì)量,由波動方程得到界面質(zhì)點速度和應(yīng)變的關(guān)系：

v=2cε(t)。

(2)

質(zhì)點加速度為

a=v′=2cε′(t)。

(3)

由于彈性長桿端面的轉(zhuǎn)接砧體的存在,應(yīng)力波會有一個變截面?zhèn)鬟f的過程,此時兩截面面積A1≠A2,轉(zhuǎn)接砧體與霍普金森選擇同一種鈦合金材料,避免了波阻抗不匹配,只研究界面變化因素對應(yīng)力波的影響,由文獻(xiàn)[7]可知,應(yīng)力波在變截面中傳播,透射波與入射波具有相同的性質(zhì),即壓縮波在變截面?zhèn)鞑ズ笕詾閴嚎s波,拉伸波仍為拉伸波。當(dāng)R′>1,即A1>A2時,應(yīng)力波小截面面積界面進(jìn)入大截面,此時透射波的應(yīng)力值將小于入射波的應(yīng)力值。

桿的橫向效應(yīng)是指桿中質(zhì)點橫向運動的慣性作用,桿產(chǎn)生橫向收縮或者膨脹。研究表明,桿長度大于20倍桿直徑時,桿的橫向效應(yīng)可以忽略[2]。前面所討論的一維桿縱波傳遞方程忽略了桿的橫向效應(yīng),是一種近似理論。應(yīng)力波在進(jìn)入轉(zhuǎn)接砧體時,轉(zhuǎn)接砧體的橫向效應(yīng)無法忽略,即應(yīng)力波在轉(zhuǎn)接砧體中傳播時會產(chǎn)生顯著橫向應(yīng)力波。應(yīng)力波的衰減表現(xiàn)為沖擊方向上應(yīng)力波峰值減小,橫向效應(yīng)表現(xiàn)為兩個正交方向上的應(yīng)力波輸出,這兩個輸出的大小均與桿中的應(yīng)力波大小成比例,可分別用主向輸出系數(shù)和橫向輸出系數(shù)表示這種比例關(guān)系。Z軸向受到?jīng)_擊時,轉(zhuǎn)接砧體中的應(yīng)力波可表示為

(4)

式(4)中,αzz為主向輸出系數(shù),αxz和αyz分別為橫向輸出系數(shù),其余兩軸受到?jīng)_擊時同理。

在對三軸沖擊校準(zhǔn)測試裝置進(jìn)行應(yīng)力波傳遞分析時,三軸裝置的每一個單軸方向分量可以近似為長圓截面桿和短方形桿的組合,三軸向分別正交對稱,因此,其余兩軸向作為主向時,主向衰減系數(shù)和橫向效應(yīng)系數(shù)都與Z軸向主向時一致,利用此原理,可以實現(xiàn)對三軸加速度傳感器的多分量校準(zhǔn)。

2.2 數(shù)據(jù)處理原理分析

2.2.1單軸向沖擊測試與數(shù)據(jù)處理

模擬彈丸撞擊霍普金森桿,產(chǎn)生半正弦應(yīng)力波,沿桿軸向高速傳播,傳播至桿中間位置時,由應(yīng)變傳感測試系統(tǒng)獲取得到激勵輸出信號;傳播至桿端面時,由被校傳感器獲取得到激勵輸出信號。應(yīng)變傳感測度系統(tǒng)中的應(yīng)變片,出廠前已經(jīng)由廠家進(jìn)行標(biāo)定。超動態(tài)應(yīng)變儀設(shè)定應(yīng)變靈敏度為Sc,應(yīng)變片靈敏度系數(shù)為K=2.0,當(dāng)使用出廠標(biāo)定的靈敏度系數(shù)為Kp的應(yīng)變片進(jìn)行測量時,對應(yīng)變靈敏度進(jìn)行修正,修正后的應(yīng)變靈敏度值Sp為

(5)

加入應(yīng)變片靈敏度修正系數(shù)后的實際應(yīng)變值εp為

(6)

式(6)中,εp為實際應(yīng)變值,U為應(yīng)變片的輸出電壓值。

結(jié)合應(yīng)力波傳播公式,傳感器所受到的速度值為

(7)

加速度值為

(8)

參考文獻(xiàn)[8—9],基于最小二乘法擬合得到單軸傳感器校準(zhǔn)模型為

Uo=Sa+B,

(9)

式(9)中,Uo為傳感器輸出電壓幅值,S表示擬合靈敏度值,B表示擬合零點偏差。

假設(shè)放大器增益為Ka,建立三軸傳感器輸入輸出關(guān)系線性模型為

(10)

式(10)中,[Sij]3×3為三軸傳感器的靈敏度系數(shù)矩陣,當(dāng)i=j表示主向靈敏度,i≠j時,表示j軸對i軸的橫向靈敏度。

利用單軸向沖擊加載霍普金森桿裝置對三軸傳感器靈敏度系數(shù)進(jìn)行測試,沿著主軸方向為Z軸向、Y軸向、X軸向,分別對三個軸向進(jìn)行沖擊試驗,即可得到三個主軸方向的試驗數(shù)據(jù),最后解算出該三軸傳感器在單軸向沖擊測試下的靈敏度系數(shù)矩陣[Sij]3×3。

2.2.2多分量沖擊測試與數(shù)據(jù)處理

傳感器通過螺紋安裝方式固定在轉(zhuǎn)接砧體正交中心位置,應(yīng)力波通過轉(zhuǎn)接砧體時在此位置的輸出系數(shù)可表示為

(11)

以Z軸向作為主沖擊方向時,三軸傳感器在此位置受到的沖擊加速度可表示為

(12)

三軸傳感器的輸出可表示為

(13)

對多只傳感器進(jìn)行多組三軸沖擊試驗,得到裝置的輸出系數(shù)矩陣,利用該輸出系數(shù)矩陣測試解算出其他同型號三軸傳感器的主向靈敏度系數(shù),將得到的結(jié)果與單軸向沖擊測試得到的三軸傳感器主向靈敏度系數(shù)進(jìn)行比較,通過分析誤差大小,驗證該方法的可行性。

橫向靈敏度比是用來衡量三軸傳感器的橫向效應(yīng)大小的重要參數(shù)指標(biāo)。根據(jù)文獻(xiàn)[4],對于三維加速度傳感器,橫向靈敏度比按側(cè)向和沖擊主方向輸出大小之比計算,更能準(zhǔn)確衡量傳感器橫向性能的優(yōu)劣,三軸傳感器橫向靈敏度比可表示為

(14)

3 多分量沖擊加載建模與仿真

3.1 建立模型

FEM有限元法是一種基于精確3D彈性動力學(xué)理論的空間離散化方法,可用于驗證試驗結(jié)果。

3.1.1仿真模型建立

圖6所示為建立的仿真模型圖,模型按照實際尺寸大小建立,各部分均為彈性體。

圖6 仿真模型示意圖Fig.6 Diagram of simulation model

仿真模型中圓柱形子彈直徑為12 mm,長度為20 mm。霍普金森桿直徑為12 mm,長度為2 000 mm,頂部為轉(zhuǎn)接砧體。為了產(chǎn)生較大的激勵加速度,由模擬彈丸與彈性桿碰撞公式可知,霍普金森桿材料應(yīng)選擇密度和彈性模量都比較低,即波阻較小的鈦合金,模擬彈丸采用彈性模量較大的鋼材料,初始撞擊速度設(shè)為10 m/s,轉(zhuǎn)接砧體與霍普金森桿材料相同,實現(xiàn)阻抗匹配,避免由于材料變化帶來的波型改變。仿真分析各部分材料參數(shù)如表1所示。

表1 仿真材料參數(shù)Tab.1 Material parameters

3.1.2網(wǎng)格劃分

仿真模型各部分均采用一階八節(jié)點六面體單元網(wǎng)格劃分,單元尺寸設(shè)置為2 mm,設(shè)置求解時間1.5 ms,時間步長因子設(shè)為0.9,時間步設(shè)為2 000步,將彈丸與彈性桿接觸表面接觸類型設(shè)置為無摩擦接觸。理論上網(wǎng)格劃分越小越容易減少假彌散現(xiàn)象,但是網(wǎng)格劃分過小帶來的精度效果提升不大,反而增大計算量,綜合考慮,將網(wǎng)格大小設(shè)為2 mm。通過網(wǎng)格質(zhì)量檢查器對劃分網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查,一般來說,好的網(wǎng)格劃分應(yīng)使得平均網(wǎng)格質(zhì)量不小于0.8。將生成的k文件導(dǎo)入Ls-dyna進(jìn)行求解。

3.2 仿真結(jié)果分析

通過后處理軟件Ls-prepost對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

由于仿真模擬是在完全理想的條件中進(jìn)行,材料的粘彈性、接觸面的摩擦以及網(wǎng)格劃分的優(yōu)劣都會使仿真結(jié)構(gòu)與實際數(shù)據(jù)有一定的不同,因此仿真數(shù)據(jù)結(jié)果只能給出定性的分析和參考。

以X軸向作為主沖擊方向,霍普金森桿中心位置應(yīng)力波和轉(zhuǎn)接砧體中心單元的應(yīng)力波仿真結(jié)果如圖7—圖8所示。

由仿真曲線可知,在應(yīng)力波經(jīng)過轉(zhuǎn)接砧體傳遞到砧體中心位置時,產(chǎn)生了衰減和橫向效應(yīng)。對轉(zhuǎn)接砧體中心單元的應(yīng)力波大小進(jìn)行分析,橫向加速度相等,主向加速度值大于橫向加速度值,與理論分析相吻合。轉(zhuǎn)接砧體中心處能同時產(chǎn)生三軸正交方向的加速度激勵脈沖。

圖7 彈性桿與轉(zhuǎn)接砧體中心處的加速度曲線Fig.7 Acceleration curve at the center of rod and base

圖8 截取第一個波峰Fig.8 Intercept the first wave crest

4 試驗驗證

本文的多分量高沖擊試驗校準(zhǔn)測試裝置,實驗過程中使用自研的CCJ-YZ-153Z系列壓阻式強沖擊三軸MEMS傳感器。傳感器、應(yīng)變片與超動態(tài)應(yīng)變儀相連,分別構(gòu)成多分量沖擊測試系統(tǒng)、應(yīng)變測試系統(tǒng),根據(jù)噪聲信號大小,選擇適當(dāng)?shù)墓╇姌驂号c放大倍數(shù)。供電橋壓的選擇,既要保證不產(chǎn)生自激振蕩,又要使輸出測量信號信噪比最大化。由于傳感器量程大、靈敏度低,為使輸出信號較大,供電橋壓選擇10 V,增益放大倍數(shù)為40,應(yīng)變片供電橋壓選擇4 V,增益放大倍數(shù)選擇100。試驗過程中對稱粘貼兩支應(yīng)變片構(gòu)成惠斯通半橋應(yīng)變測試系統(tǒng),霍普金森桿激勵脈寬約為幾十微秒,為了防止濾波造成的信號失真,應(yīng)變儀的所有通道均選擇500 kHz的低截止頻率。

4.1 沖擊加載試驗測試

4.1.1單軸向沖擊加載試驗

使用單軸向霍普金森桿沖擊加載試驗裝置對編號為CCJ-YZ-153Z-80K-1026三軸傳感器進(jìn)行沖擊試驗測試,以傳感器的Z軸向作為沖擊主方向時,應(yīng)變片和傳感器原始輸出信號如圖9和圖10所示。同理,重新安裝傳感器,以X軸向,Y軸向為沖擊主方向時,進(jìn)行相同的沖擊加載試驗,應(yīng)變片和傳感器原始輸出信號如圖11—圖14所示。

圖9 Z軸向加載傳感器和應(yīng)變片輸出信號Fig.9 Output signals of accelerometer and strain gauge in Z-axial impact

圖10 Z軸向截取第一個波峰信號Fig.10 Output signals of the accelerometer and strain gauge after the first crest is intercepted

圖11 X軸向加載傳感器和應(yīng)變片輸出信號Fig.11 Output signals of accelerometer and strain gauge in X-axial impact

圖12 X軸向加載截取第一個波峰信號Fig.12 Output signals of the accelerometer and strain gauge after the first crest is intercepted

圖13 Y軸向加載傳感器和應(yīng)變片輸出信號Fig.13 Output signals of accelerometer and strain gauge in Y-axial impact

圖14 Y軸向加載截取第一個波峰后的信號Fig.14 Output signals of the accelerometer and strain gauge after the first crest is intercepted

利用最小二乘線性回歸分析進(jìn)行靈敏度解算,通過擬合得到殘差值最小直線,計算出編號為CCJ-YZ-153Z-80K-1026傳感器靈敏度系數(shù)矩陣為

(15)

由該系數(shù)矩陣可知傳感器的橫向靈敏度具有方向性,Z對X,Y的橫向輸出為負(fù)耦合,X、Y對Z的橫向輸出為負(fù)耦合,X對Y、Y對X均為正耦合。各軸間橫向靈敏度比如表2所示。

表2 編號80K-1026傳感器橫向靈敏度比Tab.2 Transverse sensitivity ratio of No.80K-1026 sensor

對多只三軸沖擊傳感器進(jìn)行沖擊試驗測試。

編號為CCJ-YZ-153Z-80K-1030的三軸傳感器,其靈敏度系數(shù)矩陣為

(16)

編號為CCJ-YZ-153Z-80K-1023的三軸傳感器,其靈敏度系數(shù)矩陣為

(17)

編號CCJ-YZ-153Z-80K-1022三軸傳感器,其靈敏度系數(shù)矩陣為

(18)

編號CCJ-YZ-153Z-80K-1024三軸傳感器,其靈敏度系數(shù)矩陣為

(19)

4.2 多分量沖擊校準(zhǔn)測試裝置輸出系數(shù)測試

將單軸向加載測試完成的編號為80K-1026、80K-1029、80K-1030三只傳感器安裝在多分量沖擊校準(zhǔn)測試裝置上進(jìn)行沖擊試驗,從而得到裝置的輸出系數(shù)。表3給出了三只傳感器測試數(shù)據(jù)的解算結(jié)果。

根據(jù)表3結(jié)果可知,三只傳感器的試驗測試數(shù)據(jù)得到的校準(zhǔn)測試裝置的主向輸出系數(shù)誤差和橫向輸出系數(shù)誤差均小于10%,滿足測試校準(zhǔn)的誤差要求。同時由式(20)知,應(yīng)力波在通過轉(zhuǎn)接砧體時,產(chǎn)生了較大的衰減和橫向效應(yīng)。橫向輸出系數(shù)值明顯小于主向輸出系數(shù)值,與仿真結(jié)果較為吻合。取X軸、Y軸橫向輸出系數(shù)平均值的均值,作為裝置的橫向輸出系數(shù),因此裝置的輸出系數(shù)矩陣可表示為

(20)

表3 校準(zhǔn)測試裝置輸出系數(shù)試驗測試結(jié)果Tab.3 Test results of device output coefficient

4.3 多分量沖擊試驗測試分析

將單軸向沖擊加載測試完的傳感器,安裝在多分量沖擊加載裝置上進(jìn)行三軸向測試校準(zhǔn),80K-1022號三軸傳感器測試解算結(jié)果如圖15—圖17所示。

圖15 應(yīng)變片與傳感器三軸向輸出信號Fig.15 Output signal of strain gauge and accelerometer

圖16 截取第一個波峰后的信號Fig.16 Output signals after the first crest is intercepted

通過分析圖16曲線可以看出,同一沖擊加載激勵條件下,應(yīng)變傳感測試系統(tǒng)輸出信號與傳感器輸出信號波形一致性良好,證明了此方法的可行性。

進(jìn)行多組試驗,得到不同峰值大小沖擊下傳感器的輸出結(jié)果如表4所示,對測試結(jié)果進(jìn)行最小二乘線性回歸分析,如圖17所示,橫坐標(biāo)表示激勵加速度,縱坐標(biāo)表示三軸傳感器的輸出電壓值。擬合直線表明,最小二乘法較好地擬合出了傳感器三個軸向的輸入輸出特性。

表4 多分量沖擊試驗測試結(jié)果Tab.4 Multi-component impact test results

圖17 沖擊擬合直線Fig.17 Fitting line

對三軸傳感器校準(zhǔn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算,利用式(13)和式(20)得到多只三軸傳感器的主向靈敏度校準(zhǔn)結(jié)果,將三軸多分量測試校準(zhǔn)的結(jié)果與單軸方法沖擊加載測試得到的結(jié)果進(jìn)行對比,如表5—表6所示。

通過對比單軸向試驗測試結(jié)果可知,采用多分量校準(zhǔn)測試的方法,兩只同型號的三軸傳感器的三軸向主向靈敏度系數(shù)的校準(zhǔn)誤差均低于10%,滿足沖擊校準(zhǔn)測試要求,在沖擊校準(zhǔn)允許的范圍之內(nèi),驗證了多分量高沖擊試驗校準(zhǔn)測試裝置的可行性。

表5 編號80K-1022傳感器靈敏度系數(shù)校準(zhǔn)對比Tab.5 Comparison of multi-component sensitivity coefficients of No.80K-1022 accelerometer

表6 編號80K-1024傳感器靈敏度系數(shù)校準(zhǔn)對比Tab.6 Comparison of multi-component sensitivity coefficients of No.80K-1024 accelerometer

由表5和表6測試結(jié)果可知,多分量校準(zhǔn)測試結(jié)果與單向軸校準(zhǔn)實驗結(jié)果存在一定的誤差,分析誤差產(chǎn)生的原因,多分量校準(zhǔn)測試裝置輸出系數(shù)根據(jù)三只傳感器的平均值計算得到,只能作為裝置本身的輸出系數(shù)在校準(zhǔn)誤差允許范圍的相對值;單軸向測試校準(zhǔn)的結(jié)果表明,部分傳感器在產(chǎn)生橫向輸出時,橫向輸出峰值與主向輸出峰值非同時出現(xiàn),采用峰值靈敏度進(jìn)行計算時,導(dǎo)致橫向靈敏度值產(chǎn)生偏差,從而對多分量校準(zhǔn)的結(jié)果造成一定的影響。加速度傳感器在實際工作狀態(tài),多數(shù)情況同時受到來自三個方向的加速度激勵,因此相較于單軸依次校準(zhǔn)的結(jié)果,多分量校準(zhǔn)得到的三軸傳感器靈敏度系數(shù)更具有可靠性。

5 結(jié)論

針對單軸向校準(zhǔn)裝置效率低且操作繁瑣的問題,本文設(shè)計并搭建了一種多分量高沖擊試驗校準(zhǔn)測試裝置。該裝置通過產(chǎn)生三軸向同步應(yīng)力波脈沖加載,能夠快速、高效地對三軸加速度傳感器進(jìn)行多分量沖擊校準(zhǔn),提高了傳感器的校準(zhǔn)效率,并且通過程序運算能夠快速準(zhǔn)確地解算出三軸傳感器的三軸向靈敏度指標(biāo),通過測試多只傳感器對該校準(zhǔn)裝置的可行性進(jìn)行驗證,與單軸沖擊加載校準(zhǔn)測試的方法相比,該校準(zhǔn)裝置的測試結(jié)果誤差在10%以內(nèi),滿足沖擊校準(zhǔn)要求。該試驗校準(zhǔn)裝置對三軸高沖擊加速度傳感器的多分量校準(zhǔn)與應(yīng)用具有一定的參考價值。