三轴压阻加速度计的激光干涉法冲击校准

康凤霞　祖　静　王　燕

摘 要：提出一种利用激光多普勒干涉法对高g值加速度计进行绝对法冲击校准的方法。本方法采用Hopkinson杆作为冲击加速度信号发生器，应用激光多普勒干涉仪可以精确地获得激励加速度脉冲的波形。对一种三轴压阻式加速度计的灵敏度校准实验证实了此方法的准确性，并对其横向效应进行了研究和讨论。

关键词：校准；激光干涉仪；Hopkinson杆；横向效应

中图分类号：TM938.82文献标识码：B

文章编号：1004-373X(2009)03-069-03

Shock Calibration of Three-Axis Piezoresistive Accelerometer by Laser Interferometer

KANG Fengxia,ZU Jing,WANG Yan

(National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,North University of China,Taiyuan,030051,China)

Abstract：The paper presents a method for calibrating high-g acceleration sensor by using a laser interferometer.In this method,the Hopkinson bar is applied as the shock acceleration generator.To obtain the time history of the input acceleration to the accelerometer with high accuracy,a laser-grating interferometer is introduced.This method has been justified on the ground of high accuracy by lots of experiments with a kind of piezoresistive-type accelerometers,and the transverse effect of accelerometer is discussed.

Keywords：calibration；laser interferometer；Hopkinson bar；transverse effect

0 引 言

高g值加速度计作为一次仪表，已广泛应用于动态过程中的过载测量，尤其是弹体侵彻测试的研究。加速度计的灵敏度系数和频率响应这二个参数非常重要，加速度计经过大过载后，其灵敏度可能发生大的变化，而需经常性的校准。自上个世纪60 年代以来,世界各国冲击校准实验室相继开展冲击校准技术的研究，提出了多种校准测量方法，其中以冲击力法、速度改变法和激光绝对法应用较为广泛。这三种方法先后成为国际标准ISO5347/0(1987年)、ISO16063-1(1998年)和ISO16063-13(2001年)规定的校准方法。

冲击力法的校准不确定度一般难以达到3%，1998年以后的国际标准已不再将其列入绝对法冲击校准的标准方法。速度改变法在校准原理上存在两个重大的缺陷：首先，该方法基于被校加速度计频率响应在校准的幅值和频率范围内是线性的假设条件，否则将产生难以评估的测量误差；其次，将加速度校准变换为速度改变量的测量，不进行加速度量值的绝对复现，校准结果依赖于被校加速度计对冲击激励响应的正确程度和它本身固有的非线性。该校准过程不能够达到冲击瞬态校准的基本目的。

本文采用的激光多普勒干涉法,是直接借助计量学的基本量和单位(时间和长度) 复现加速度量值与单位的方法。其特点是可以精确给出加速度计激励的绝对量值和真实波形，在参考加速度峰值为50～10 000 m/s2及12 500～100 000 m/s2，冲击脉冲持续时间分别为0.3～6 ms 及0.1～0.3 ms的范围内，实现了对冲击加速度计的绝对法校准，冲击加速度灵敏度校准不确定度分别为0.5%和1%。

1 基本原理

加速度计的校准装置如图1所示，主要由Hopkinson杆、差动式激光多普勒干涉仪、数字示波器、计算机系统组成。

图1 加速度计激光干涉法冲击校准框图

利用压力脉冲在Hopkinson杆的自由端面反射成为拉伸脉冲的性质，采取子弹撞击杆端来产生一右行半正弦压应力脉冲。被校加速度计通过螺纹连接在安装座的一端，安装座表面轴线方向贴有反射光栅，另一端面通过真空夹具紧密吸合于Hopkinson杆末端。压力脉冲通过界面时不受影响，但几乎不能承受拉力。压力脉冲在安装座自由端面反射为拉伸脉冲，当入射压力脉冲与反射拉伸脉冲在衔接面处出现净拉力时，被校加速度计和安装座将带着陷入其中的动量飞离而获得冲击运动。

被校加速度计的激励加速度信号通过差动式激光多普勒干涉仪来获取。差动式激光多普勒干涉仪如图2所示：He-Ne激光器发出的光束，经透镜1后由分束棱镜分成二平行光束，通过透镜2又汇聚于粘贴在安装座表面的光栅平面。激励光栅射出的衍射光束经反射镜系统到达光电倍增管(PM)的阴极表面,并检测出由光栅运动产生的多普勒频移信号。

图2 差动式激光多普勒干涉仪

根据多普勒原理，被校加速度计承受冲击运动时，运动速度的时间函数v(t)和所应用的激光干涉仪的多普勒频移时间函数Δf(t)之间存在确定的数学关系：

v(t)=lm－nΔf(t)

(1)

式中:v(t)为冲击运动速度；Δf(t)为激光多普勒频移；m，n为光栅衍射级数；l为光栅常数。对上式v(t)作微分处理可得冲击运动的加速度a(t)。再根据加速度计电压的峰值,可以准确得到被校加速度计的加速度冲击校准灵敏度：

Sth=Up/ap

(2)

式中:Sth为加速度计冲击灵敏度；Up为加速度计输出电压峰值；ap为激励加速度峰值。

2 实验结果及其分析

实验校准的三轴压阻式加速度计量程为50 000 g，由中科院上海微系统与信息技术研究所研制。实验过程中将加速度计各管脚连接至外部检测电路，在桥压3.3 V、外部电路放大倍数为50的情况下，分别将其3个敏感轴作为主轴在不同g值下应用上述校准方法在Hopkinson杆上对其灵敏度进行校准，表1给出了其校准结果。

表1 加速度计校准数据比对表

轴向

激光多普勒干涉仪测定数据

冲击加速度 /g校准的灵敏度系数 /μV/g

x

10 9890.729 0

8 2090.729 9

均值0.729 45

y

922 90.762 5

5 6820.748 3

均值0.755 4

z

11 2070.752 3

12 3420.752 4

均值0.752 35

图3～图6为表1对被校加速度计z轴第一次校准测试的实验曲线。图3为冲击过程中激光干涉仪测得的多普勒信号。图4是由式(1)所得多普勒速度波形曲线，最大速度为Vmax=8.848 m/s。图5是对速度微分所得的加速度曲线，其峰值加速度为ap=11 207 g，脉宽为136 μs。图6为冲击过程中加速度传感器Z轴输出波形曲线，其峰值Up=448 mV，用公式(2)即可得其冲击灵敏度为0.752 3 μV/g。

图3 冲击过程中激光多普勒干涉信号

图4 冲击过程中产生的速度波形

3 横向效应

横向效应是指冲击过程中加速度计除敏感轴向加速度外，与其轴向垂直的平面内所感受到的一定的加速度响应。对于高量程加速度传感器，横向响应一般要求低于轴向的5%。表2为对上述加速度计进行冲击校准实验所得的横向效应比对结果。

图5 冲击过程中产生的加速度波形

图6 冲击过程中加速度计的Z轴输出波形

表2 加速度计横向效应比对表

主轴冲击加速度 /g横向效应 /%

xyz

37 393

35 951

37 318

22 279

57 150

41 840

横向y横向z

6.484 5 27.544 2

横向y横向z

6.546 5 22.076 6

横向x横向z

5.625 6 20.589 8

横向x横向z

6.369 3 20.930 5

横向x横向y

2.142 9 3.189 1

横向x横向y

2.375 6 4.385 3

图7为其中加速度计z轴作主轴时的第二组测试曲线。实验过程中发现：z轴作主轴时，x轴和y轴的横向响应很小；而在x轴或y轴作为主轴时，z轴却有很大的横向效应，远大于5%。分析其横向效应主要包含两部分：加速度计冲击过程中横向拉伸或压缩引起应力变化;加速度计内部质量块的质心偏离梁的中平面引起弯矩造成的应力变化。其次，冲击过程中加速度计安

装的偏差及该校准方法本身所带来的不确定度都有

可能对实验结果造成较大的影响，这一点还需进一步的研究。

图7 z轴为主轴时三轴加速度计的输出波形曲线

4 结 语

本文所提出的激光干涉绝对法复现的冲击加速度量值，直接溯源于激光波长和时间/频率量，这种复现方法可靠、稳定，并且便于复现。该校准方法，原理完善、结果可靠、精度极高。通过对表1、表2中加速度计校准实验结果的分析，可以得到如下的结论：

(1) 该加速度计回零特性卓越，有利于数据处理;

(2) 灵敏度系数稳定，重复性好;

(3) 横向效应：z轴激励对x,y轴影响小；x,y轴激励对z轴影响大；x,y轴互相影响较小。

参考文献

［1］梁志国,李新良.激光干涉法一次冲击加速度计动态特性校准［J］.测试技术学报,2004,18(2):133-138.

［2］Hans-Jurgen von Martens,Angelika Taubner,Wolfgang Wabinski,et al.Traceability of Vibration and Shock Measurements by Laser Interferometry ［J］.Measurement,2000(28):3-20.

［3］Umeda A,Ueda K.Study on the Dynamic Force Acceleration Measurement ［J］.Sensors and Actuators,1990,A21-A23:285-288.

［4］黄俊钦.测试系统动力学［M］.北京:国防工业出版社,1996.

［5］陆德仁，鲍海飞，宋朝辉,等.高加速度检测冲击加速度传感器的横向响应［J］.中国计量学院学报,2006(17):1-6.

［6］王成，郑晓东，过润秋.惯导系统中加速度计的信号采集.现代电子技术,2007,30(7):124-125,128.

作者简介 康凤霞 女,1984年出生，硕士研究生。主要研究方向为高g值加速度传感器的动态校准技术。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。