冲击传感器标定校准装置优化方案

冲击传感器种类很多，工作原理、测试参数有很大不同，因而校准检定的项目也不尽相同。一般的校准检定项目包括：工作特性的校准，包括静态特性和动态特性；环境特性的校准检定等。

以压电式冲击传感器为例，工作特性的校准检定项目包括灵敏度、幅频响应、相频响应、安装谐振频率、幅值线性度等。环境特性的校准检定项目(只需在一批产品中抽样检定，抽样比例数可根据规定有关规定来确定)包括温度响应、瞬变温度灵敏度、安装力矩灵敏度、极限加速度等。对压阻式和应变式加速度传感器，阻尼比和输出阻抗也是很重要的工作特性参数。

冲击校准又称为瞬态校准，输入加速度信号按半正弦规律变化冲击脉冲作为标准运动形式。峰值加速度值和冲击持续时间是表征这种瞬态冲击的两个主要参量。冲击校准的精确度在±(2% ～10%)范围，因此冲击校准所得到的传感器灵敏度值不能作为它的精确的灵敏度值。冲击校准装置一般采用机械式碰撞装置，工程上常使用的碰撞装置有Hopkinson 杆、空气炮、冲击摆、跌落台、落球冲击装置。

(1)冲击摆的结构原理如图12-15 所示。冲击摆又称为弹道摆，将待校的冲击传感器固定到砧体，用释放后的摆锤撞击。改变摆锤和砧体质量、材料和几何形状，可以改变加速度冲击的半正弦脉冲形状、峰值加速度值及冲击脉冲持续作用时间。冲击摆校准装置的加速度范围为几g 到数千g，冲击持续作用时间为毫秒到微秒量级，巨型冲击摆可以产生上万g高冲击。校准方法可用速度改变法也可以用背靠背比较法。

图12-15 冲击摆的结构原理

1—位置指示器；2—励磁头；3—提升器；4—金属带；5—砧子；6—被校加速度传感器；7—气动制动器；8—摆头；9—摆锤

(2)跌落台结构原理图如图12-16 所示。跌落台和冲击摆的校准原理相似，待校传感器固定在落锤砧体上，落锤释放后和砧体发生碰撞。改变落锤和砧体的质量、材料、几何形状以及落锤的跌落高度就可以改变加速度脉冲的形状、峰值加速度值以及冲击脉冲持续作用时间。跌落台校准装置的加速度范围为几g 到数千g，冲击持续作用时间为毫秒到微秒量级。校准方法可用速度改变法也可以用背靠背的比较法。

图12-16 跌落台结构原理图

1—高度尺；2—被校加速度传感器；3—落锤；4—砧子；5—触发器

(3)落球冲击校准装置结构原理如图12-17 所示，钢球从一定高度自由下落，下落的钢球与装有冲击传感器的砧体(预先由磁铁吸住)发生碰撞。碰撞后砧体得到速度下落，而钢球被卡球器垫圈托住，装在砧体上的冲击加速度传感器承受冲击。改变砧体碰撞面上的橡胶衬垫或钢球下落高度，可以改变冲击持续作用时间，以获得不同的校准加速度值。该冲击装置产生的冲击加速度校准范围大致为(20 ～1 000)g，冲击持续作用时间为3 ms ～100 μs。校准方法可用速度改变法也可以用背靠背的比较法。

(4)高g 值冲击校准装置是指能产生10 000g 以上冲击校准装置，通常装置包括有空气炮、电磁式冲击校准装置、Hopkinson 杆高g 值冲击校准装置。

①空气炮冲击装置：将一弹体利用空气炮(或空气枪)用压缩空气等方式启动并加速，去碰撞带有被校加速度传感器的靶体，这种方法可得到数万g 到数十g 的高冲击的过载g值，图12-18 所示为空气炮校准装置示意图。利用这种装置可以获得20 000g 以上的冲击加速度过载值。

被校传感器安装在靶体上，冲击弹丸高速碰撞靶体，靶体碰撞后所获得的速度由光电测速装置测量，传感器输出信号的积分由计算机进行处理，采用速度改变法可以计算出冲击传感器的灵敏度。

式中，τ 为冲击脉冲持续时间；ν 为靶体碰撞后获得的末速度；q(t)为传感器输出的电荷值。(www.xing528.com)

图12-17 落球冲击校准装置结构原理

1—取放门；2—开关；3—光源装置；4—钢球；5—导向器；6—导向管；7—定位器；8—外罩；9—定中心板；10—被校加速度传感器；11—底座

图12-18 空气炮校准装置示意图

②电磁式冲击校准装置是一种利用电磁产生高能量的冲击装置。将储存在电容器中的能量通过线圈释放，随时间变化的磁场将载有被校传感器的载体加速到高加速度，最大可达105g，冲击脉冲持续作用时间可达10 ～100 μs。这种冲击装置可用速度改变法或冲击力法进行测量，也可以用激光测速系统进行绝对校准。

③Hopkinson 杆高冲击校准装置，是指使用抛物面的尖头弹体与装在细长棒末端的铝垫同轴相撞，产生纵向压缩波沿着杆一直传播到另一端面。被校加速度传感器安装在杆的另一端，压缩波由贴在棒中部的应变片测量，在碰撞后压缩波到达棒的末端，被校加速度传感器以与应变成正比的速度运动。被校加速度传感器的安装砧体用耦合器、真空夹具与杆的末端保持接触，在加速度脉冲反向后接口处产生拉伸，加速度传感器安装块与棒脱开。该装置可产生半正弦加速度脉冲，加速度值高达105 ～106g，冲击脉冲宽度达100 μs，图12-19 所示为该装置的简图。

图12-19 霍普金斯杆高冲击校准装置简图

1—支架；2—接头；3—枪膛；4—衬套臂；5—弹体；6—缓冲垫层；7，12—真空夹具；8—悬架；9—O 形环夹具；10—棒；11—应变计；13—安装块和传感器；14—缓冲器；15—供气孔；16—水泥支座

在满足弹性理论要求条件下，安装在杆末端的冲击传感器的速度ν 与杆中点所测得的应变ε 的关系为

式中，c 为压缩波在棒中的传播速度，得到加速度为

将加速度传感器的输出与应变计的输出进行比较，就可求得被校加速度传感器的灵敏度，把对高g 值冲击脉冲的测量变成为在可检定的应变计线性工作区内直接对应变的测量。使用这种装置可产生光滑的波形，不会激发传感器共振，分辨率高，能进行高速数字信号处理。

若制作不同形状弹体，使其质量与顶端的形状皆不相同，可产生不同的脉冲波形。用这种校准方法要对动量的大小和弹体的形状有所选择，以便获得较大的加速度量程和较长的冲击脉冲持续作用时间，最大加速度值可达20 万g，用来确定超高量程冲击加速度传感器的灵敏度、幅值线性度和加速度值超过传感器满量程设计指标时所出现的零漂现象。用尺寸较小的Hopkinson 杆可产生十分之几微秒上升时间的应力波，对加速度传感器输出信号进行傅里叶变换，测得被校加速度传感器的动态响应特性。