高能量冲击速度与加速度信号分析简介

传统的高冲击测试装置一般用于高冲击传感器校准和标定，包括激励源、测量系统与回收装置。利用激励源产生高冲击激励，使被测传感器置于高过载环境中；并通过标准加速度测量装置记录冲击过程的标准信号，结合传感器输出信号进行计算，可以得到包括灵敏度在内的各项参数。最后使用回收装置将被测传感器收回，回收装置将对被测传感器进行一定的保护，以减小传感器在测试过程中受到的损坏。

高冲击测试系统中，激励源一般包括空气炮、Hopkinson 杆、马希特锤、落球装置、自由落杆装置、实弹冲击等。基准测量装置一般有激光多普勒测速仪、光电靶、应变片、标准传感器等。

高冲击测试装置中对于标准冲击信号的测量装置可以分成两类，一类是利用激光多普勒测速仪、光电靶等装置直接测基本物理量来解算加速度，另一类则是利用标准传感器对加速度进行解算。这两类测量装置也分别对应传感器校准方法中的“绝对法”和“比较法”(相对法)。

在高冲击测试校准中较为常见的绝对法有激光干涉法和速度改变法。

激光干涉法的原理是把装有被测传感器的表面作为激光多普勒系统的活动反射体，当该表面受到冲击作用时系统频率发生多普勒频移。通过测量激光信号多普勒频率变化可以确定传感器运动速度随时间变化的情况。该方法直接由时间、长度计量的基本量复现冲击加速度量值，不需要对被校加速度传感器做任何假设，测量结果具有准确度高的优点。该方法可与Hopkinson 杆、空气炮等多种激励源配合。当前国际上对高冲击加速度传感器的校准也多采用ISO16063-13 激光干涉法。

图14-1 速度改变法工作原理示意图

速度改变法又称为光切割法或积分法，该方法工作原理如图14-1 所示。将被测加速度传感器安装在砧子上并受到冲击，传感器测得的冲击过程中运动加速度，通过积分运算换算为速度信息与光电测速系统测得砧子速度比较，便可以得到被校准加速度传感器的冲击灵敏度校准结果Ssh。

式中，A 为加速度传感器输出记录曲线的积分面积；ΔV 为砧子受到冲击后的速度；K 为所用仪器有关的系数；Ssh为所求的被校准传感器的冲击灵敏度。

速度改变法在落锤装置或者空气炮系统中使用较多。兵器工业第204 研究所依照ISO5347-2 标准光切割法原理配合空气炮装置，对传感器进行校准。通过该方法校准上限达10 万g，校准不确定度小于5%。(www.xing528.com)

比较法中较为常见的是直接(背靠背)比较法。该方法先将被测传感器与标准传感器背靠背刚性安装在一起，发生撞击时受到相同的冲击加速度，由标准加速度传感器确定冲击运动形式，测量它们的输出量(标准加速度传感器U0、被测加速度传感器输出量U)，假设两传感器响应是线性，标准加速度传感器幅值灵敏度为S0，计算被测加速度传感器的灵敏度：

该方法使用方便，测量误差主要取决于标准传感器的精度。在高冲击测试中常在马希特锤装置中使用比较法。国际上以ISO16063-21 比较法二次校准作为标准。

用于高冲击校准最常用的工作激励方式，一种是基于Hopkinson 杆原理的压缩波激励，另一种是空气炮加速的碰撞激励。

高冲击试验使用空气炮作为激励源，使用空气炮加速弹丸的碰撞激励方式相较于Hopkinson 杆的压缩波激励具有以下优点：

(1)空气炮装置更适合大脉宽测试；

(2)砧体的局部塑变不会影响校准精度；

(3)空气炮的带负载能力较强，夹具可用空间较大，较易实现传感器保护；

(4)缓冲垫层的性能控制范围大，可实现较大范围的脉宽控制；

(5)使用安全、易于控制，工作性能稳定。

在试验过程中将冲击用弹丸装入空气炮的发射管内，并将固定有传感器的砧体安装羊毛毡后装配至空气炮的止挡盘处，随后加压并释放，弹丸在炮管内飞行并撞击砧体，对砧体上的被测传感器进行冲击，并通过光电靶测速装置记录冲击过程。