胡紅波 于 梅 白 杰

(中國計量科學研究院， 北京 100013)

0 引言

近年來隨著微機電系統(tǒng)(MEMS)的迅速發(fā)展，利用加速度計進行安全評估以及機械控制的要求越來越高。如在汽車工程領域，汽車整車的安全性能一直是最普遍關注的問題，其安全氣囊以及整車駕駛穩(wěn)定性等都采用大量的MEMS傳感器來進行控制；在汽車碰撞試驗中，更需要對從幾百個到幾千個m/s2范圍的沖擊加速度峰值進行精確測量。ISO16063系列國際標準規(guī)定了加速度計采用振動與沖擊激勵進行校準的方法。對于振動激勵的校準方式，一般采用固定頻率點的正弦形式的機械振動，結合激光干涉儀和正弦逼近法來進行高精度校準，但由于機械結構本身的限制，加速度峰值一般不會超過幾百個m/s2。對于采用沖擊激勵的校準方式，加速度峰值可達幾萬個m/s2，但由于沖擊加速度波形難以用精確的數(shù)學表達式來進行描述，故又難以實現(xiàn)精確校準。ISO 16063—13《絕對法沖擊校準》[1]國際標準規(guī)定了兩種典型的沖擊激勵系統(tǒng)：第一種是基于砧體碰撞的沖擊激勵系統(tǒng)，其原理是基于剛體的機械碰撞來產(chǎn)生沖擊激勵，產(chǎn)生的沖擊加速度脈沖時域波形為半正弦平方波；第二種是基于Hopkinson桿的沖擊激勵源，其原理是利用碰撞產(chǎn)生的應力波在細長桿中傳遞并在自由端反射從而產(chǎn)生沖擊激勵，產(chǎn)生的沖擊加速度脈沖時域波形為正弦波。

中國計量科學研究院(以下簡稱計量院)為了滿足科學研究與工業(yè)發(fā)展的需求，按照國際標準的要求，分別建立了高沖擊加速度峰值[2-4]與低沖擊加速度峰值絕對法校準系統(tǒng)。本文介紹基于機械碰撞的低沖擊加速度峰值的校準系統(tǒng)，說明該裝置的主要結構組成以及特點、所產(chǎn)生的典型沖擊加速度波形、外差式激光干涉信號波形以及解算方法等，并通過實驗數(shù)據(jù)以及與振動絕對法校準結果的比較驗證了該裝置的可靠性。

1 裝置結構與波形模擬

1.1 裝置結構

對于高精度的沖擊校準來說，沖擊激勵系統(tǒng)必須能夠產(chǎn)生穩(wěn)定、可重復的沖擊加速度激勵。本低沖擊加速度峰值激勵系統(tǒng)的結構簡圖如圖1所示。

該裝置產(chǎn)生沖擊加速度激勵的原理是基于剛體的機械碰撞。其結構主要包括三個部分：第一個是系統(tǒng)的動力源部分，即由控制器控制的電磁動力錘；第二個是由空氣軸承支撐的錘頭部分；第三個是安裝有被校加速度計且由空氣軸承支撐的砧頭部分。工作過程為控制器給電磁錘一設定的電壓后，其錘頭部分受電磁力作用向前運動從而與空氣軸承支撐的錘頭發(fā)生碰撞，錘頭由于受到撞擊加速向前運動，通過墊層與安裝有被校加速度計的砧頭發(fā)生碰撞，從而施加給加速度計機械沖擊激勵。以下幾個方面是確保該機械系統(tǒng)獲得重復可控的沖擊加速度激勵的關鍵部分：

圖1 裝置結構簡圖

1)系統(tǒng)的動力源部分。系統(tǒng)的動力源為整個機械系統(tǒng)提供碰撞運動的能量，要得到可控且可靠的沖擊加速度波形，系統(tǒng)的動力源必須具有良好的重復性與可靠性。本低峰值沖擊加速度激勵系統(tǒng)采用電磁動力錘作為系統(tǒng)的動力源，通過控制器改變電磁錘頭的激勵電壓即可精確控制其擊打的力度，從而為產(chǎn)生可重復的沖擊加速度波形提供了可靠的保證。對于同樣類似的設備，德國聯(lián)邦物理技術研究院(PTB)采用的是壓縮彈簧作為系統(tǒng)的動力源[5]，這對彈簧的材料特性以及加工工藝等提出了很高的要求；日本計量院(NMIJ)則采用空氣動力錘作為系統(tǒng)的動力源[6]，通過改變激勵氣壓的大小以及電磁閥的開關時間來控制空氣錘頭擊打的力度。

2)采用空氣軸承技術?？諝廨S承是利用空氣彈性性能起支撐作用的一種新型軸承，由于沒有機械的接觸，幾乎沒有機械摩擦，故具有優(yōu)良的重復性，并且可以提供極高的徑向和軸向精度。本裝置中使用空氣軸承支撐機械系統(tǒng)運動部分的錘頭與砧頭，確保了碰撞過程具有良好的重復性。其他國家類似的標準裝置同樣采用空氣軸承作為支撐載體。

3)錘頭與砧頭的加工。根據(jù)ISO 16063—13國際標準中對該裝置砧頭與錘頭的基本要求，這兩根金屬棒為圓柱體，其長度為200mm，直徑為30mm。由于兩根金屬棒需與空氣軸承配合，故對其加工精度提出了很高的要求，否則極易受不平衡支撐力的作用產(chǎn)生旋轉或者不穩(wěn)定的運動。

另外，運動部分必須滿足一定的同軸度要求，否則容易出現(xiàn)較大的橫向運動從而降低校準結果的準確度。

1.2 波形的模擬

對于基于剛體碰撞的沖擊激勵系統(tǒng)，由于其機械碰撞產(chǎn)生沖擊加速度的機理，一般可用一個半正弦平方的函數(shù)來模擬產(chǎn)生的沖擊加速度波形，并表示為：

(1)

式中：Tsin為沖擊脈寬持續(xù)時間；amax為沖擊加速度峰值。

對式(1)進行積分，得到的速度波形表達式如式(2)所示：

(2)

典型的波形如圖2所示。

圖2 沖擊加速度、速度波形圖

需要說明的是，利用毛氈等材料也可產(chǎn)生類似高斯函數(shù)的沖擊加速度波形，但由于毛氈容易變形，影響系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊加速度峰值的重復性，因此一般可選用性能較為穩(wěn)定的硬硅膠作為墊層。

2 測量系統(tǒng)與計算過程

根據(jù)ISO 16063—13絕對法沖擊校準標準的要求，可以采用基于正交輸出的零差激光干涉儀或者外差式激光干涉儀的測量系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用的是測量準確度較高的外差式激光干涉儀測量機械碰撞過程中產(chǎn)生的位移量。采用外差激光干涉儀輸出的干涉信號可由下式表示：

uh(t)=cos[ωht+φ(t)]

(3)

式中：ωh為載波頻率；φ(t)為位移調制的相位。

其典型的干涉波形圖如圖3所示。

圖3 典型外差激光干涉信號及其局部圖

圖4為采用沖擊激光絕對法校準加速度計沖擊靈敏度Ssh與復靈敏度Sa的數(shù)據(jù)處理計算流程圖[7]?？梢詫⒃撨^程分解為4個部分：1)機械沖擊激勵系統(tǒng)，即本系統(tǒng)中由機械碰撞產(chǎn)生的激勵信號；2)激光干涉儀測量部分，外差激光干涉儀測量機械沖擊激勵過程的位移信號，并將其轉化為一個相位調制的干涉信號輸出；3)相位信號的解算過程，即通過一定的算法將相位調制信號解算為位移信號；4)數(shù)據(jù)的處理包括結果計算部分，主要為對加速度計輸出信號的運算處理，校準結果即沖擊靈敏度的計算和通過DFT計算加速度計的復靈敏度等。

圖4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理過程圖

3 試驗結果與分析

選定的被校加速度計為美國ENDEVCO公司生產(chǎn)的型號為2270的標準加速度計，配套的放大器為丹麥B&K公司生產(chǎn)的型號為2692的放大器，在上述標準裝置上進行試驗。選用德國POLYTEC公司生產(chǎn)的型號為HSV700高速外差式激光干涉儀作為測量裝置。數(shù)據(jù)采集卡硬件為美國NI公司型號為PXI5122的高速數(shù)字化儀，以50MHz采樣率同步采集激光干涉信號與加速度計的輸出信號，得到的典型激光干涉信號以及按照上述算法得到的沖擊過程速度波形、沖擊加速度波形以及對應的幅度譜如圖5所示。

設定沖擊加速度峰值為500m/s2條件下進行裝置重復性試驗，得到的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1裝置重復性試驗數(shù)據(jù)

圖5 典型的激光干涉波形及對應的沖擊加速度波形等

從表1的數(shù)據(jù)中可以看出該裝置具有兩個優(yōu)點：第一個是由于采用了電磁力錘以及空氣軸承支撐技術，裝置的沖擊加速度峰值具有良好的可控性與重復性；第二個從沖擊靈敏度可以看出，該裝置具有很好的穩(wěn)定性，重復性測量結果的標準不確定度小于0.1%。需要特別說明的是，目前通常的沖擊加速度標準裝置，其沖擊加速度峰值往往難以精確控制，這是本裝置的突出優(yōu)點。

為了驗證加速度計振動與沖擊兩種激勵方式的一致性，按照有關國際標準推薦的正弦逼近法，在振動基準裝置上對試驗選定的加速度計與配套放大器進行振動絕對法校準。在160Hz參考頻率下，得到的校準結果為0.2007mV/(m/s2),測量結果的擴展不確定度為0.5%(k=2)。采用本裝置在上述條件下校準得到的沖擊靈敏度均值為0.2003mV/(m/s2)，測量擴展不確定度為1%(k=2)，按照式(4)計算En值，以衡量兩者的一致性。

(4)

式中：SV,SS分別為振動與沖擊兩種校準方式得到的靈敏度，UV,US分別表示對應的擴展不確定度。

計算得到的En值小于0.1，說明振動與沖擊兩種方式校準結果具有很好的一致性，這也驗證了本文所述標準裝置的準確度。

4 小結

本文主要介紹了計量院建立的一種高精度低峰值的沖擊加速度絕對法標準裝置。說明了該裝置的結構原理，詳細說明了機械系統(tǒng)的關鍵部分。本標準裝置利用外差式激光干涉儀作為測量系統(tǒng)，介紹了按照ISO標準推薦方法的計算過程，模擬了裝置所產(chǎn)生的典型波形，并通過試驗證明了裝置的穩(wěn)定性與可靠性，特別是通過與絕對法振動校準結果的一致性比較，驗證了該裝置具有很高的準確度。

[1] ISO 2001 International Standard 16063-13 Methods for the calibration of vibration and shock transducers—Part 13：Primary shock calibration using laser interferometry[S].(Geneva：International Organization for Standardization)，2001

[2] 胡紅波，于梅.Hopkinson桿沖擊激勵系統(tǒng)的原理與應用[J].計量技術，2011(2)：36-38

[3] 于梅，胡紅波，左愛斌，等.新一代沖擊加速度國家計量基準的研究與建立[J],振動與沖擊(出版中)

[4] 胡紅波，于梅.基于高沖擊激勵的加速度計參數(shù)辨識的研究[J].傳感技術學報，2012,25(4)：487-491

[5] A Link,A Taubner,T Bruns,et al.Calibration of accelerometers:determination of amplitude and phase response upon shock excitation[J].measurement science & technology，2006,17:1888-1894

[6] H Nozato,T Usuda,A Oota,et al.Development of shock acceleration calibration machine in NMIJ[C].Proc.of IMEKO TC-22 Symposium,Merida,Mexico,2007

[7] 胡紅波，于梅.絕對法沖擊校準激光干涉信號處理技術[J].計量技術，2013(1)：46-50