气动活塞式冲击加速度校准装置研制

倪 博 田芳怡 沙 江 毛志勇 翁 俊 罗晓平

(上海精密计量测试研究所，上海201109)

1 引言

为考核航天器产品的结构是否能够满足要求，暴露设计或制造上的缺陷，提高航天器产品的可靠性，航天器在研制中必须进行冲击环境试验，模拟航天器在运输、装卸、起落、发射、飞行、分离、着陆、返回等过程中所经受的各类冲击环境。

在冲击环境模拟试验中最主要的测试设备为冲击测量仪(由冲击加速度传感器、信号适调器、信号采集处理部分组成)以及冲击加速度传感器套组，用于测量冲击环境试验中所产生的冲击加速度，或者得到冲击试验设备输出的冲击加速度幅值和冲击持续时间[1，2]。为此，冲击测量仪以及冲击加速度传感器套组的技术指标直接影响冲击试验设备技术性能，在实际使用前必须对其冲击灵敏度、幅值线性度等参数进行校准，以确保试验中使用设备的技术指标符合试验要求。校准所用仪器设备应经过计量技术机构检定合格，并在有效期内，以确保其计量技术性能指标稳定可靠，能够满足军工产品冲击环境模拟试验要求[3～8]。

本文根据冲击加速度的计量保障需求，结合航天领域冲击试验设备的结构特点，开展冲击加速度传感器校准技术研究，建立冲击加速度校准装置，形成冲击加速度传感器、冲击测量仪校准技术能力，为国防军工产品冲击试验提供冲击加速度参数的量值溯源。

2 冲击加速度传感器校准技术研究

与振动激励信号不同，冲击激励信号是一个与脉冲宽度相关的冲击波形，近似于半正弦脉冲信号，可视为两个正弦信号的叠加，其加速度表达方式为

式中：a——冲击加速度；A——冲击加速度峰值；t——脉冲时间；——脉冲宽度。

将冲击激励信号进行快速傅立叶(FFT)变换，即将其信号从时域信号转变为频域信号。

冲击加速度比较校准既可以在时域进行，也可以在频域进行。因此，冲击比较校准具有相应的两种方法，一种是时域相应峰值比较校准，一种是频域响应和相位比较校准。

2.1 时域比较法校准

比较参考加速度传感器与被校加速度传感器对同一冲击激励a(t)的响应输出

式中：Vr(t)，Vc(t)——分别为参考和被校加速度传感器与配套信号适调器的响应输出电压；Sshr，Sshc——分别为参考和被校加速度传感器的冲击灵敏度。

式中：Vrp和Vcp——分别为参考和被校加速度传感器与配套信号适调器的响应输出电压峰值。

2.2 频域比较法校准

应用快速傅里叶变换(FFT)，可将复现的时域冲击加速度量值，和被校冲击加速度传感器响应输出转换到频域，通过取变换的幅值比和相位差，来校准冲击加速度传感器，实现比较法频域校准。

设复现的冲击加速度—时间历程为x(t)，被校传感器对冲击激励的时域响应输出电压—时间历程为y(t)，用傅里叶变换，采用其绝对值和相位角表示为指数形式

由上公式(4)可得

利用公式(5)可以对被校冲击加速度传感器进行频域的加速度量值的冲击比较校准和相位差校准

3 冲击加速度校准装置研制

冲击加速度校准装置由冲击激励发生装置(含砧子和衬垫等)、参考冲击加速度传感器、电荷放大器和数据采集分析系统组成，如图1所示。

图1 冲击加速度校准装置组成框图Fig.1 Diagram of impact acceleration calibration device

图1中虚框内的是冲击加速度校准装置总体框图。本文对冲击加速度传感器(或冲击测量仪)校准采用比较法，即将被校冲击加速度传感器和参考加速度传感器以“背靠背”方式安装在一起，即被校冲击传感器直接安装在参考加速度传感器的顶端，两者承受完全相同的加速度运动[2]。选取 GB/T 20485.22-2008中推荐的气动活塞式校准法，利用基于pop式气动抛射原理的冲击激励源作为冲击发生装置，产生一个标准冲击激励。被校冲击传感器和参考加速度传感器同时接入数据采集系统得到在此冲击激励下的电荷或电压输出量。经数据采集系统处理后，实现对被校冲击加速度传感器灵敏度幅值、示值误差、线性度等计量参数的校准。

冲击激励发生装置采用的是基于压缩空气推动活塞(弹体)发生碰撞的冲击激励装置，如图2所示。该装置利用一个向上运动的气动活塞提供简单、可控和可重复的冲击激励信号源。射出的活塞(弹体)撞击在砧子上，可产生冲击峰值幅度在200m/s2～100km/s2(20g～10000g)，脉冲持续时间约 100μs～3ms的半正弦脉冲，典型的砧子材料为钢和铝。

图2 冲击激励发生装置Fig.2 Impact excitation device

参考冲击加速度传感器和配套的电荷放大器分别采用美国Endevco公司的2270型压电式加速度传感器和丹麦B＆K公司的2626型电荷放大器。其作为计量校准级仪器，工作性能优异，稳定性良好，可以用作冲击加速度传感器校准装置的参考标准。

数据采集分析系统采用基于PXI总线技术的PXI控制系统。PXI控制系统由三个基本部分组成：机箱、系统控制器和板卡模块。机箱为系统提供了坚固的模块化封装结构，具有高性能PXI背板，它包括PCI总线、定时和触发总线，可以开发出需要精确同步的应用系统。板卡模块(数据采集卡)选用美国NI公司的PXI-4464数据采集卡，方便与基于LABVIEW软件编制的测试软件通讯，采集卡的主要性能参数如下：

(1)差分通道：4个；模拟输入分辨率：24bits；

(2)电流设置：4mA/10mA/20mA；电压输入范围：±316mV～±42.4V

(3)动态范围：119dB；采样率 204.8kS/s；

图3为冲击加速度校准装置实物图。

图3 冲击加速度校准装置实物图Fig.3 Physical diagram of impact acceleration calibration device

4 校准软件设计

采用NI公司的LabVIEW语言开发冲击加速度传感器校准装置的分析软件。LabVIEW是一种图形化的编程语言，不但能有效地实现与多种软硬件模块的交互，而且还提供了功能齐全的信号处理模块，用户可以通过调用强大的信号采集、处理和保存的函数库及模块准确、高效地完成多种数据处理功能。

图4 软件结构设计原理图Fig.4 Schematic diagram of software structure design principle

校准软件主要结构设计如图4所示。测试软件启动后先进行基本参数设置，然后根据冲击加速度传感器相应的检定规程及校准规范，采用相应的参数校准模块，进行冲击加速度灵敏度、冲击加速度示值误差、脉冲持续时间示值误差、冲击加速度幅值线性度、相位差(视需要)等参数的校准。参数校准中产生的测量结果，通过数据处理进行数据计算，采用报表生成模块形成相应的原始记录等电子文件。

本项目校准软件有若干校准项目。首先设置每项校准项目的参数(冲击加速度量程、脉冲时间等)，根据被校冲击加速度传感器量程或使用范围，依据校准规范选定若干校准点。然后开启数据采集卡，通过冲击激励发生装置产生预设的冲击激励，读取参考和被校冲击加速度传感器的输出信号。重复上述步骤直至所有校准点完成，校准数据将通过校准软件数据处理完成相应的校准工作。

5 校准装置测量不确定度评定

冲击加速度测量模型为

式中：a'——校准装置测量的加速度峰值，m/s2；V——参考加速度计的输出值，mV；D——电荷放大器设定的归一化档读数，pC/Unit；G——电荷放大器设定的增益档读数，mV/Unit；S——参考加速度计的灵敏度，pC/(m/s2)。

按照不确定度传递率，a'的相对合成标准不确定度为

通过对各分量的分析计算，汇总数据如表1所示。

表1 冲击加速度测量不确定度一览表Tab.1 Summary of uncertainty in impact acceleration Measurement

根据以上不确定度评定数据可知，校准装置冲击加速度的扩展不确定度为3.0% ～3.6%(k=2)，满足军工冲击测量仪及冲击加速度传感器的溯源要求。

对校准装置开展性能验证，采用传递比较法，用中航304所的冲击加速度标准装置和本校准装置对同一个冲击测量仪进行测量，其分别为y0和y，应满足式(6)

式中：y——本装置冲击加速度示值误差；y0——上级标准装置冲击加速度示值误差；Urel——本装置扩展不确定度；U0rel——上级标准装置扩展不确定度。其中，20g：U0rel=1.0%，10000g：U0rel=2.0%(k=2)。

性能验证数据见表2。

表2 性能验证数据Tab.2 Datasheet of performance verification

根据以上数据可知，本装置验证结果符合预期性能指标。

6 校准测试实例

本文选取2270冲击加速度传感器，作为冲击加速度校准装置的测试实验对象，校准数据见表3。实验数据表明，研究建立的冲击加速度校准装置可以开展20g～10000g测量范围、(0.1～3)ms脉冲持续时间的校准。

表3 传感器灵敏度、持续时间校准Tab.3 Calibration result of transducer sensitivity and duration

7 结束语

本文采用传感器比较法，开展冲击加速度校准方法研究，采用气动活塞式冲击激励发生技术和PXI总线数据采集分析技术，完成了冲击加速度校准装置研究。通过不确定度分析及试验验证表明，该装置可为国防军工型号产品冲击试验提供冲击加速度参数的量值溯源。