低g值碰撞式冲击加速度计量标准装置研究与建立

2015-12-30孙桥,王建林,胡红波等

振动与冲击 2015年10期

第一作者孙桥男，博士生，研究员，1972年生

通信作者王建林男，博士，教授，1965年生

孙桥1,2，王建林1，胡红波2，于梅2，白杰2(1.北京化工大学，北京100029； 2. 中国计量科学研究院，北京100029)

摘要：研究建立低g值碰撞式冲击加速度计量标准装置，在冲击加速度峰值20～10 000 m/s2及脉冲持时0.5～10 ms内实现基于碰撞式激励半正弦平方波形的加速度计冲击灵敏度激光干涉法高精度校准。校准不确定度为1%，k=2。介绍装置的结构组成及解决的关键技术，描述波形发生的材料种类，给出校准的实验数据及不确定度评估。低g值碰撞式冲击加速度计量标准装置为主导亚太计量规划组织冲击加速度研究性国际比对APMP.AUV.V-P1的主要测量装置。

关键词：计量学；激光干涉法冲击校准；冲击加速度灵敏度；测量不确定度；国际比对

基金项目：国家质检总局质量安全与量值传递项目(ALC1201)

收稿日期：2014-02-28修改稿收到日期：2014-05-20

中图分类号:TB936文献标志码：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

机械冲击指能激起机械系统瞬态扰动的力、位置、速度或加速度突然变化。在航空航天、军事科学、交通运输、汽车工业、建筑业及日常生活众多领域广泛存在各类冲击现象。机械冲击大小由经冲击校准的加速度计准确测量获得[1]。激光干涉法冲击校准的国际标准ISO16063-13[2]及国家标准GB/T 20485.13规定两类典型的冲击激励系统为：①基于刚体碰撞的冲击激励源，冲击加速度峰值范围100～5 000 m/s2，脉宽一般小于10 ms；②基于Hopkinson杆的冲击激励源，其冲击加速度范围可超过105m/s2，脉宽一般小于300 μs。基于Hopkinson杆激励的新一代冲击加速度国家基准，已在中国计量科学研究院建立[3]。基于刚体碰撞的冲击激励源，主要用于低g值的冲击加速度激光干涉法校准，在汽车安全、人员防护等领域具有重要意义，典型范例为汽车碰撞试验加速度计的实验室校准。

冲击加速度峰值范围100～5 000 m/s2的冲击加速度激光干涉法校准技术，在国际计量领域，由德国物理技术研究院(PTB)最早研究[4]。PTB采用基于刚体碰撞原理产生冲击加速度激励，冲击脉宽为1～10 ms；采用激光干涉法测量，在整个测量范围内校准结果扩展不确定度为0.5%(k=2)；采用的冲击激励器为机械弹簧机构，而冲击锤及砧体均系高精密机械加工而成，与高精密空气轴承部件配合，有效减小横向运动及其它干扰成分，获得较小的测量不确定度。在亚太计量规划组织内，日本国家计量院(NMIJ)积极开展该领域研究[5]。参考PTB低g值冲击标准装置，NMIJ研制出采用压缩空气为激励源的碰撞式冲击装置，产生的冲击加速度峰值范围为200～5 000 m/s2，冲击脉宽为1～3 ms，用激光干涉法测量，整个测量范围内校准结果扩展不确定度为1.0%(k=2)。

中国计量科学院已建立低g值碰撞式冲击加速度计量标准装置[6]，冲击加速度峰值20～10 000 m/s2及脉冲持续时间0.5～10 ms范围内，实现基于刚体碰撞激励的加速度计冲击灵敏度激光干涉法高精度校准，校准不确定度1.0%(k=2)。基于该装置研究、建立，中国计量科学研究院目前正主导亚太计量规划组织冲击加速度研究性国际比对APMP.AUV.V-P1。

1装置构成

低g值碰撞式冲击加速度计量标准装置主要包括三部分：产生半正弦平方波形冲击激励的冲击机、激光干涉仪测量部分及基于虚拟仪器的数据采集处理部分，见图1。该装置工作过程为：主控电脑通过控制器给机械系统动力源，即电磁锤或空气锤指令，设定激励能量大小并开始击打，动力源击打部分向前运动撞击空气轴承支撑锤体，锤体加速向前运动撞击空气轴承支撑的砧体，锤体被限位，安装在砧体另一端的加速度计受机械加速度信号激励输出电信号，由激光干涉仪测量输出的激光干涉信号；高速数据采集卡同步采集激光干涉信号与加速度计输出的电信号，并通过PXI总线将数据传输至主控电脑，软件系统完成激光信号解算获得测量结果。

图1　采用外差激光干涉仪的低g值标准装置结构简图 Fig.1 Schematic diagram of low-g shock standard device with heterodyne laser interferometer

2关键技术解决

2.1冲击激励机

冲击激励机基于ISO标准的刚体碰撞形式，锤体与砧体利用空气轴承悬浮支撑，加工、安装精度直接决定机械部分产生冲击激励加速度波形质量。综合考虑国外同类装置，即德国PTB采用圆弧型安装面，日本NMIJ采用V型槽。为保证锤体、砧体同轴度及日常维护方便，本装置采用V型槽结构。因此，只要确保V型槽加工精度满足要求，即能保证冲击机运动部分的安装精度，整个冲击激励机械部分结构示意图见图2。

图2　冲击激励机结构示意图 Fig.2 Diagram of shock excitation machine

2.1.1动力源

冲击激励机动力源作为整个碰撞式机械系统能量供给部分，提供的撞击能量大小直接决定产生冲击加速度波形峰值高低与脉宽大小。另外，动力源的可控性与重复性则决定产生冲击加速度峰值的重复性，由于受砧体、锤体本身结构一阶谐振频率影响，砧体与锤体碰撞产生冲击加速度脉宽有其本身局限性。

综上考虑，本装置采用两种形式动力源，即以电磁力为激励的电磁锤与以压缩空气为激励的空气锤。电磁锤主要优点为可控性、重复性好。其提供动力原理为利用电磁方式产生推力，即在强力永久磁铁磁场下对驱动线圈施加一定电压及电流，产生一定大小洛伦兹力。实际测试数据表明，在某设定电压下，电磁锤击打产生的冲击速度重复性优于1%，可为整个机械系统产生可控冲击加速度波形提供保证。由于电磁锤激励电压有限，能提供的冲击能量大小受限，从而导致在产生满足一定脉宽条件下的冲击加速度峰值范围有限，空气锤则可弥补该不足。压缩空气能量较高，且随气压升高，其提供的能量更大，可满足产生较高冲击加速度峰值要求。空气锤利用电磁阀控制气压阀门开闭，当电磁阀打开时，高压仓压缩空气便推动活塞运动，带动与连接活塞的撞击杆向前加速，实现击打。

本装置冲击机机械系统动力源部分，通过电机驱动的精密丝杠完成电磁力激励锤与空气动力锤自动切换，实现较宽的加速度、脉宽测量范围(图2)。

2.1.2运动部分

为保证产生较理想的冲击加速度波形，须保证锤体、砧体对心自由碰撞，两者中心线相对偏差应在±0.2 mm以内。为避免其它机械结构对运动部分不利影响(如外界扰动、机械部分谐振及其它干扰运动等)，冲击机运动部分支撑利用高精密空气轴承，既可减小摩擦又能与其它部分隔离，亦能保证砧体受对称力作用，防止在其运动中因非对称力影响导致转动或非轴向运动。

空气轴承部分采用美国NewWay公司内径30 mm的高性能空气轴承，用于安放产生冲击激励的锤体及砧体。空气轴承安装于轴承套中，为保证空气轴承进气畅通，在轴承套内壁对应位置设计进气槽，以保证气流能顺利进入。锤体、砧体安装在空气轴承中，通过自由运动的机械碰撞实现冲击加速度激励。作为冲击激励机中关键运动部分，加工质量、与空气轴承配合程度及安装精度均与冲击加速度波形结果直接相关。参考国际标准，锤体、砧体尺寸一般取直径30 mm，长度200 mm，运动限位部采用一体化法兰设计，避免通过其它附加方式设置限位板，以提高谐振频率。本装置配备由不同金属材料加工成的锤体及砧体：即质量较轻较硬的铝合金材料与性能更稳定的钛合金材料。钛合金的锤体、砧体质量共1.27 kg，利用加速度计对砧体轴向谐振频率进行测试，典型频域测试结果见图3。由图3看出，砧体轴向一阶谐振频率约12 kHz，与有限元分析方法结果基本一致。该谐振频率决定冲击激励机产生冲击加速度的脉宽范围。在对应冲击加速度波形峰值10%处、冲击脉冲宽度0.5 ms时，冲击脉冲波形的完整持时约0.8 ms。据国际标准相关要求，对应一阶谐振频率应大于12.5 kHz。另外，由于该脉冲主要能量成分分布在低频，8 kHz以上能量成分较少。结合后续低通滤波信号处理，对0.5 ms脉宽的冲击加速度计校准，影响较小，引入的标准不确定度分量小于2×10-3。

图3　砧体轴向谐振频率测试结果 Fig.3 Measurement result of axial resonant frequency of anvil

2.2激光干涉仪

本装置配有零差及外差两套激光干涉仪，优先选用外差激光干涉仪进行校准。基于正交输出的改进型迈克尔逊激光干涉仪用于旁证实验。零差激光干涉仪测量机械冲击特点为：①因正交相位误差引入的位移测量误差最大值为与被测位移量大小、频率及冲击波形无关的量；②由于正交相位误差引入的测量位移误差为一个周期的量，不会积累；③通过采用适当相位修正法，可有效减小测量位移误差。对零差激光干涉仪，为保证测量精度达到标准规定要求，需保证两路输出信号幅度差小于±5%，相对偏移量小于±5%，正交信号与90°名义角度偏差小于±5°。须采用适当方法调整两路干涉信号偏移量、幅值大小及相角。

由于外差激光干涉仪未采用光电转换方式产生两路干涉信号，故其误差主要来源为数据采集卡的量化误差，通过选择合适的低通滤波器能有效抑制量化噪声，故采用外差激光干涉仪校准结果不确定度更小[7]。

2.3数据采集处理部分

利用虚拟仪器技术，采用高性能模块化硬件结合灵活软件编程实现冲击校准的信号采集及数据处理[8]。本装置数据采集处理部分基于LabVIEW虚拟仪器环境，以相应的PXI硬件为基础，实现激光干涉绝对法低g值碰撞式冲击校准的数据处理。选择PXI1073控制机箱作为硬件平台，将两块采集卡同步控制，实现信号采集。

PXI5922双通道可变分辨率数字化仪，具有16～24位分辨率，可据所选采样频率自动调整。考虑被校加速度计输出电信号脉宽为毫秒级，而校准结果所得冲击灵敏度即以电压峰值与加速度峰值比值描述，故带宽虽不宽但对采样精度要求较高。PXI5922高分辨率数据采集卡可满足该要求，故选择该数据采集卡作为被校加速度计输出电信号采集硬件。PXI5122高速率数字化仪最高采样频率达100 MHz，具有200 mV～ 20 V电压输入，并可在板载内存中采集超过100万个波形，为时、频域分析的理想选择。考虑本装置冲击激励机产生的冲击加速度脉宽与峰值对应关系，计算得产生的冲击速度峰值最大不超过5 m/s，按稳频氦-氖激光器作为测量光源多普勒频移与速度关系，其对应的最高频率成分不超过16 MHz，PXI5122采集卡最高采样频率完全满足准确采集激光干涉仪多普勒信号要求。

测量软件数据计算按ISO16063-13规定，实现冲击加速度信号复现，此处不再详述。

3冲击波形发生

冲击激励机基于刚体碰撞产生冲击加速度激励，若锤体、砧体直接碰撞则会产生较大谐振，安装在砧体端面的加速度计会受安装体谐振影响造成不可靠测量结果。因此，需在碰撞体中间增加垫层，不同材料垫层产生不同的冲击加速度波形。垫层作用类似阻尼隔振器，可将不需要的高频分量滤掉，保证产生较理想的冲击加速度波形。

3.1硅胶垫层

硅胶材料具有弹性与粘性，受外力作用会产生变形，但外力消除后立刻恢复原状，且由于弹性模量较低，故重复性较好。另外，硅胶具有抗腐蚀，物理性能较稳定，为较可靠的冲击加速度波形发生器。本装置选不同硬度的硅胶垫层进行实验，不同硬度的硅胶材料可产生不同脉冲持时及不同峰值范围的冲击加速度波形。邵氏硬度A标尺40度、50度、60度、70度的硅胶垫层及产生的典型波形见图4。

图4　硅胶垫层及波形 Fig.4 Silica gel of different hardness and acceleration pulses generated

3.2聚氨酯垫层

聚氨酯为新型有机高分子材料，适应性强、耐磨性好、机械性能及弹性较好，广泛用于轻工、化工、电子、纺织及医疗等行业。本装置选两种常规聚氨酯材料，邵氏硬度分别为80 HA与90 HA，用于产生加速度峰值超过5 000 m/s2的冲击激励。为获得较高冲击加速度峰值，改用气压锤作为冲击机激励源。与偏软硅胶垫层相比，聚氨酯垫层硬度高，产生的脉宽及峰值差异大。如对0.55 ms脉宽，硅胶垫层产生的冲击加速度峰值仅5 000 m/s2，而聚氨酯垫层却超过10 000 m/s2。

3.3毛毡垫层

毛毡由羊毛加工粘合而成，富有弹性、伸缩性能良好，广泛用于隔振防震。在冲击加速度校准试验中，毛毡为常用的波形发生材料，能产生类似高斯分布的波形。本装置选厚度4 mm、6 mm、8 mm毛毡垫层，分别用于产生不同峰值加速度范围的冲击波形。通常较厚毛毡垫层适用于产生脉宽较宽、峰值较低的冲击加速度波形。

3.4不同材料垫层比较

对冲击加速度校准，不同材料产生的冲击加速度波形区别较大，不同种类或不同硬度材料均有自身的阻尼特性，因此每种垫层均有用于发生冲击加速度峰值的合适范围，超过该范围则冲击加速度波形可能明显失真，导致校准结果精度降低。硬度值较低的硅胶适于产生冲击加速度峰值较低的波形，脉冲宽度较大，且不适合产生脉宽较窄的冲击加速度波形，与其自身的隔振特性相关。而若需用较厚的毛毡垫层发生较高的冲击加速度峰值，则需冲击激励机动力源提供较大冲击动能。

4实验数据及不确定度评估

4.1冲击灵敏度实验数据

对所选标准压电加速度传感器(型号ENDEVCO 2270)及配套丹麦B&K公司的放大器(型号2692)，按ISO16063-13激光干涉绝对法冲击校准要求，用低g值碰撞式冲击加速度计量标准装置进行校准。冲击加速度峰值范围约20～10000 m/s2，校准结果见表1。

表1　冲击灵敏度测量结果

4.2校准不确定度评估

参考GB/T20485.13-2007/ISO16063-13：2001振动与冲击传感器校准方法第13部分：激光干涉法冲击加速度绝对校准及对表1中校准结果进行不确定度评估，获得冲击灵敏度校准的扩展不确定度为1%，k=2，不确定度分量表见表2。值得注意的是，因采用外差激光干涉仪，标准不确定度分量来源中由干涉仪引入的分量未列入，与国际标准有所区别。

4.3冲击灵敏度国际比对

低g值碰撞式冲击加速度计量标准装置建立使中国计量科学研究院具备低g值碰撞式激光干涉绝对法校准加速度计冲击灵敏度的技术能力，为主导亚太计量规划组织冲击加速度研究性国际比对APMP.AUV.V-P1奠定技术基础。APMP.AUV.V-P1国际比对技术协议规定的比对量为冲击灵敏度，比对依据的主要技术文件为ISO16063-13。比对技术协议严格规定冲击激励波形的峰值加速度、时域脉宽与波形，以保证激励波形频率成分在加速度计线性工作频带内。因此对同种形式的激励系统，理论上已具备可比性。中国计量科学研究院实验室担任比对主导，泰国国家计量院、台湾工研院量测中心、德国DKD冲击绝对法校准实验室参加，完成时间为2015年。

表2　冲击灵敏度不确定度分量表

5结论

碰撞式冲击加速度计量标准装置的建立实现与德国、日本在低g值冲击校准方法及计量能力的接轨，可满足我国民经济相关领域对冲击计量提出的宽脉宽、高准确度的量值溯源需求。目前该项成果已用于中国计量科学研究院主导亚太计量规划组织冲击加速度研究性国际比对，将为拓展我国获得国际互认的3项低g值冲击最高校准能力(CMCs)脉宽范围提供重要技术支持。

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