转管武器加速度参数测试系统的冲击校准法*

李志敏，张瑜，范锦彪，王惠源

（1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051；2.中北大学机电工程学院，太原030051）

转管武器加速度参数测试系统的冲击校准法*

李志敏1，张瑜1，范锦彪1，王惠源2

（1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051；2.中北大学机电工程学院，太原030051）

针对转管武器加速度参数测试系统在承受高g值冲击后灵敏度方面会发生一定改变的问题，提出了一种基于Hop⁃kinson杆和激光多普勒干涉仪的冲击校准方法。该方法利用Hopkinson杆对测试系统进行加速度信号加载，采用激光多普勒干涉仪进行校准，实现了校准系统对冲击加速度的绝对复现。实验结果表明，这种校准方法可以很好地完成转管武器加速度参数测试系统的校准，相对误差满足测试灵敏度要求。

高g值冲击；冲击校准法；加速度；Hopkinson杆；激光多普勒干涉仪

随着飞机、巡航导弹速度的提高，作为近程低空、超低空反导的高射速转管武器，除了与近程导弹配合使用外，还可以单独执行防空任务，为小规模作战单位提供掩护和防空火力支持，发展高射速武器是近距离末端防空反导作战的一个基本要求［1］。转管武器工作机心加速度和供输弹过程加速度对其工作可靠性有着至关重要的作用。

由本实验室设计的转管武器加速度参数测试系统多次完成了对XX口径转管机枪机心运转及弹体供输弹过程加速度参数的测试，测试仪正常工作并记录不同射速下的加速度数据［2］。虽然经过分析推算证实了该测试方法可行，测试数据真实，但由于转管武器加速度参数测试系统恶劣的工作环境，导致内部的加速度传感器在承受大量过载后在灵敏度方面发生改变，这就要求测试前必须对系统进行校准，以确保测试系统对数据采集的可靠性。

本文针对转管武器加速度参数测试系统在测试中存在灵敏度改变的问题，提出了基于Hopkinson杆和激光多普勒干涉仪的校准方法［3］，并进行了多次校准实验，对该方法进行验证。

1　转管武器加速度参数测试系统

根据转管武器中凸轮曲线运动特点及传统测试系统安装布线困难等问题，机心运动及供输弹过程的加速度测试采用放入式存储测试。其总体结构如图1所示。

测试系统的前端为敏感单元—EGAXT3型压阻式三轴加速度传感器，有加速度激励作用于传感器敏感面时，其内部的惠斯通电桥失去平衡，产生差动电压信号。系统对输出信号进行硬件滤波和放大调理，经控制模块转换为数字信号实现内部FLASH存储。测试结束，计算机通过红外通信接口直接对转管武器加速度参数系统进行读取数据，读数软件可显示该加速度信号全过程波形及峰值。

图1　测试系统总体结构设计图

2　转管武器加速度测试系统校准方案

本文针对这种内部结构狭小、空间密闭的高g值加速度测试系统，提出校准的总体方案为采用基于Hopkinson杆以及差动式激光多普勒干涉仪的冲击校准法。加速度的冲击校准方法是直接借助计量学的基本量和单位（时间和长度）复现加速度量值和单位的方法。

2.1校准设备

基于Hopkinson杆和激光多普勒干涉仪的校准原理如图2所示。

图2　基于Hopkinson杆校准原理图

利用压缩空气驱动前端具有一定锥度形状的子弹在预设轨道内做高速运动，撞击贴合在Hop⁃kinson杆一端的铝片，产生压缩波，该压缩波沿杆传播至装有加速度传感器的另一端。在理想情况下，Hopkinson杆为等截面的均匀杆（实际实验过程选取杆的长径比要尽量大），在满足弹性理论的条件下，杆在冲击波作用下变形时横截面仍保持为平面，界面上的轴向应力均匀分布［4-5］。

为了测量弹丸和被撞体碰撞过程中被撞体的加速度—时间曲线，利用激光干涉仪测量撞击全过程的速度。由于流场对于激光测量没有干扰，激光测速范围宽，而且由于多普勒频率与速度是线性关系，和该点的温度、压力没有关系，多普勒激光干涉仪是目前世界上速度测量精度最高的仪器，从而实现加速度参量的溯源性校准。

2.2校准原理

使用激光多普勒干涉仪进行加速度校准的装置都需要对多普勒信号频移精确解调，它的成败与否，从根本上影响校准方法本身的效果，本文采用数字化解调解决此问题。

2.2.1激光多普勒效应

根据激光多普勒效应，多普勒频移和被测物体运动速度之间存在如下正比例关系［6-7］：

式中：Δf（t）为多普勒频移；λ为激光波长；θ为衍射角；v（t）为被测体运动速度。

另外，根据光栅衍射原理，衍射角与衍射级数有如下关系：

式中：D为光栅常数；k、l为衍射级数。

结合式（1）、式（2）得v（t）与多普勒瞬时频率Δf（t）的关系：

只要获得多普勒瞬时频率Δf（t），即可确定Hopkinson杆内应力波的传播速度v（t），对其进行微分运算，得到冲击加速度：

2.2.2瞬时相位法

本文采用瞬时相位法实现对瞬时频率Δf（t）的提取，利用Hilbert变换对多普勒信号xr（t）进行解析，解析信号xc（t）=xr（t）+jxi（t），其中实部xr（t）为多普勒信号，虚部xi（t）为多普勒信号的Hilbert变换［8-10］。信号经Hilbert变换后，在频域各频率分量的幅度保持不变，但相位将出现90°相移，即对正频率滞后π/2，对负频率导前π/2。解析信号xc（t）的瞬时相位：

瞬时相位φ（t）对时间求导即为多普勒瞬时频率：

结合上式（4）有：

3　校准实验验证

实验过程空气炮冲击的时间为μs级过程，校准系统及被校测试系统均可实现高频采样。光栅因Hopkinson杆响应冲击发生的位移经激光干涉仪产生多普勒信号，其频移如式（1）所示，读取波形记录仪记录的激光干涉波形如图3所示。

图3　Hopkinson杆冲击过程多普勒干涉波形

其中，安捷伦示波器采样频率设置为100 MHz，纵坐标为采集的电压量，横坐标为相应数据点数。分析上图可知：多普勒信号出现了零线漂移、电荷干扰和幅值减小的现象。

电荷干扰仅在冲击信号到达前出现两次，可以忽略其影响；对该多普勒信号高通滤波，信号零线漂移现象消除的效果并不明显，因此，滤波的同时对其分段采用最小二乘法，每1 000点位一段拟合对应的三次多项式；根据Hilbert转换解析信号在分析信号瞬时特性上的优势，对多普勒信号进行归一化处理［11］，如下式：

对该多普勒信号消除零线漂移和幅值减小的影响后，进行频率解调后，根据式（7）可获得作用于加速度传感器上校准系统加速度曲线，将激光干涉仪的Δf（t）、λ、θ参数代入可得加速度值为4267.8 gn，持续时间约为184 μs。图4为冲击过程解调后的加速度波形曲线。

图4　解调后冲击过程加速度波形

图5为转管武器加速度测试系统测得冲击加速度—时间曲线，分析得出加速度在2 ms处出现峰值，峰值加速度为4417.8 gn。

图5　转管武器加速度参数测试系统测得加速度曲线

对比图4、图5可以看出，校准系统与被校加速度系统均完成对Hopkinson杆内冲击波的记录，且二者测得加速度值相差150 gn，计算误差值为3.51%，满足系统对测试灵敏度误差为5%的要求。对该测试系统进行了6次循环校准实验，结果如表1所示。

表1　校准实验结果

6组校准实验分别在不同量值的冲击下进行，结果都满足测试允许的误差量5%的要求，故灵敏度可信［12］。

4　结论

本文提出了转管武器加速度参数测试系统的一次冲击校准方法，该方法利用Hopkinson杆对测试系统进行加速度信号加载，解决了被高g值加速度信号实验环境下的模拟问题，采用激光多普勒干涉仪进行校准，实现了校准系统对冲击加速度的绝对复现。校准实验结果表明：利用Hopkinson杆和激光多普勒干涉仪组成的加速度校准系统可以完成转管武器加速度参数测试系统的校准，峰值加速度相对误差满足测试系统的灵敏度5%要求，多次实验表明了被校加速度测试系统的准确度和可靠度很高。该校准方法稳定可靠，还可以推广应用于其他恶劣环境下工作的系统校准测试，有广阔的应用前景。

［1］武震.转管武器加速度参数测试系统研究［D］.太原：中北大学，2014.

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李志敏（1991-），男，内蒙古乌兰察布市人，中北大学硕士研究生，研究方向为动态测试与智能仪器，15135165374@ 163.com；

张瑜（1979-），女，辽宁庄河人，中北大学副教授，主要从事动态测试理论与技术的研究。

The Primary Shock Calibration of Acceleration Parameters Test System of Gatling Gun*

LI Zhimin1，ZHANG Yu1，FAN Jinbiao1，WANG Huiyuan2
（1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Mechanical and Electrical Engineering College，North University of China，Taiyuan 030051，China）

According to the sensitivity of the acceleration parameters test system of Gatling Gun may change under a high-g shock，the method shock calibration based on Hopkinson bar and LDDM wsa put forward.A Hopkinson bar was used to load the accleration of system，and the LDDM for calibration to achieve the impact acceleration ab⁃solute reproducibility.The results showed that this method of calibration can be well done on the acceleration pa⁃rameters test system of Gatling Gun，and the relative error satisfied the test sensitivity requirements.

high-g shock；shock calibration；acceleration；Hopkinson bar；LDDM

TN06

A

1005-9490（2016）02-0379-04

EEACC：7210B；7230E10.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.027

项目来源：2013年山西省研究生优秀创新项目（20133104）；中北大学第十一届研究生科技基金项目（20141153，20141155）

2015-07-10修改日期：2015-08-05