一种低g值范围内的加速度计校准系统及校准方法技术方案

本发明专利技术为一种低g值范围内的加速度计校准系统及校准方法，该校准系统包括动力源、碰撞体、空气轴承以及冲击加速度检测模块；冲击加速度检测模块包括加速度计、激光干涉仪、数据处理单元；激光干涉仪、空气轴承以及动力源依次沿水平方向同轴布置，碰撞体通过空气轴承悬浮支撑；加速度计和激光干涉仪与数据处理单元电连接；该校准方法通过动力源冲击碰撞体，通过加速度计和激光干涉仪分别测量碰撞体的加速度，并将测量结果传输至数据处理单元，通过比对测量结果，完成校准过程；本发明专利技术实现冲击加速度峰值控制精度优于1%，冲击加速度峰值重复性优于1%；校准系统的横向运动优于3%；校准系统的冲击加速度峰值测量不确定度为0.5%。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及计量检测领域中的一种校准系统，尤其涉及一种低g值范围内的加速 度计校准系统及校准方法。
技术介绍
目前，产生冲击加速度机械激励的装置主要由如下几种：落锤式冲击加速度机械 激励、气动式冲击加速度激励系统、摆锤式冲击加速度机械激励以及基于Hopkinson杆的 冲击加速度机械激励系统； 上述冲击加速度激励系统，其主要的缺点与不足在于： 1)冲击加速度机械激励系统所能够产生的冲击加速度峰值难以精确控制，一般来 说冲击加速度峰值控制的精度难以达到5%。 2)冲击加速度机械激励系统所能够产生的冲击加速度峰值的重复性难以保证，一 般来说冲击加速度峰值重复性难以达到5%。 3)上述冲击加速度机械激励系统基于一次机械碰撞产生冲击加速度过程，故系统 的横向运动较大，横向运动一般在10%左右。 4)由于装置机械结构的原因，以及基于一次机械碰撞产生冲击加速度激励过程， 机械装置难以产生足够精度的机械运动，故难以利用外差式干涉仪基于多普勒原理进行绝 对法测量。
技术实现思路
本专利技术为解决现有技术的冲击加速度校准系统精度较低的问题，提供了一种低g 值范围内的加速度计校准系统及校准方法；通过对机械结构的改进，实现了在一定冲击加 速度范围内的高精度冲击加速度机械激励系统； 本专利技术的技术方案如下： 本专利技术的第一个保护主题是：一种低g值范围内的加速度计校准系统； 所述校准系统包括动力源、碰撞体、空气轴承6以及冲击加速度检测模块； 所述冲击加速度检测模块包括待测加速度计1、激光干涉仪2以及数据处理单元； 所述待测加速度计1和激光干涉仪2的信号输出端与所述数据处理单元电连接；所述激光 干涉仪2、空气轴承6以及动力源依次沿水平方向同轴布置，所述碰撞体通过所述空气轴承 6悬浮支撑，所述碰撞体沿所述空气轴承6轴向做零摩擦运动； 所述碰撞体受所述动力源冲击产生加速运动，通过所述待测加速度计1和激光干 涉仪2分别测量所述碰撞体的加速度，并将测量结果传输至所述数据处理单元，通过所述 数据处理单元比对所述待测加速度计1和激光干涉仪2的测量结果，完成对所述待测加速 度计1的校准过程。 在测量过程中，碰撞体所做的都是零摩擦运动，每次运动的能量损失相同，这样才 能保证测量得到的加速度峰值的重复性与可控性。 在只有一个碰撞体时，直接通过动力源击打碰撞体产生的冲击加速度峰值重复性 不好，且碰撞体的横向运动幅度较大，故将所述碰撞体的数量增加至两个，其分别为锤头3 和砧头4,二者均为圆柱体结构；所述动力源、锤头3、砧头4、待测加速度计1以及激光干涉 仪2沿水平方向同轴布置，所述锤头3和砧头4分别通过所述空气轴承6悬浮固定，所述待 测加速度计1固定设置在所述砧头4上； 所述锤头3受所述动力源冲击产生加速运动，所述砧头4受所述锤头3冲击产生 加速运动，通过所述待测加速度计1和激光干涉仪2分别测量所述砧头4的加速度。 所述空气轴承6的数量为两对； 一对所述空气轴承6沿所述锤头3的长度方向间隔布置，共同支撑所述锤头3 ;另 一对所述空气轴承6沿所述砧头4的长度方向间隔布置，共同支撑所述砧头4。 所述锤头3与所述砧头4的接触面上设置有垫层5,其目的是产生一定脉冲持续时 间的冲击加速度波形。 在具体实施中，所述锤头3与砧头4为尺寸、质量均相同的金属圆柱体，该金属材 料可为不锈钢、合金铝以及钛合金等，所述锤头3与砧头4的加工精度小于或等于5um。 所述动力源产生的冲击加速度峰值范围是5g?1000g，g为重力加速度，脉宽为 0· 5ms ?10ms〇 为了保证动力源、锤头3以及砧头4的同轴度，所述校准系统还包括型槽7,作为所 述动力源以及空气轴承6的底座； 所述动力源以及空气轴承6分别固定设置在所述型槽7底部，并沿所述型槽7的 开槽方向间隔布置； 所述型槽7的横截面形状为V型或U型。 为了确保锤头3和砧头4在产生加速运动后能够回到原位，所述型槽7倾斜于水 平面布置，所述型槽7与水平面之间的夹角范围是0?10度；锤头3与砧头4在完成一次 冲击后，在自身重力作用下快速复位。 所述数据处理单元包括激光控制器8、信号调理器9、数据采集器10以及计算机 11 ; 所述激光控制器8的信号输入端与所述激光干涉仪2的信号输出端相连接，所述 信号调理器9的信号输入端与所述待测加速度计1的信号输出端相连接，所述激光控制器 8和信号调理器9的信号输出端汇总连接至所述数据采集器10,所述数据采集器10的输出 端与所述计算机11相连接。 所述激光控制器8作用是将激光干涉信号转换为电信号，其中包括激光管的电源 部分，以及电信号的滤波部分等。因为激光是一种光信号，需要通过光电管转化为可采集处 理的电信号才可运算。 所述信号调理器9的作用是将电荷量转化为对应的电压量，即将压电加速度计的 高输出阻抗变为低输出阻抗。 所述信号采集器10为PXI采集器，其作用是高速同步采集经光电转换后的激光干 涉仪信号与加速度计信号。同步采集保证两个信号不会有相位差，这样保证在后续的计算 机运算处理得到加速度计正确的相位特性。 在具体实施中，动力源为电磁锤12或空气锤； 电磁锤的主要优点在于能精确控制，确保冲击加速度峰值的可控性，特别是对于 峰值很低的冲击加速度峰值时，都能具有很好的重复性。 空气锤的主要优点是在于能量较大，冲击加速度峰值可达1000g以上，且同样保 持较好的重复性。 本专利技术的第二个保护主题是：利用所述校准系统对冲击加速度测量设备进行校准 的方法，所述校准方法的具体步骤为： 步骤1，搭建校准系统： 将所述型槽7固定在水平面上，将所述动力源和所述空气轴承6沿所述型槽7的 开槽方向间隔布置，将所述待测加速度计1设置在所述砧头4上；调整所述空气轴承6的注 气量，使所述锤头3和砧头4分别悬浮固定在所述空气轴承6中； 步骤2,设置物理参数： 在所述计算机11中设置物理参数，包括输入电压值、脉宽值以及实验次数； 步骤3,生成冲击加速度： 控制所述动力源冲击所述锤头3,所述锤头3受到冲击产生加速运动并冲击所述 砧头4,所述砧头4在所述锤头3冲击下产生加速运动； 步骤4,测量所述砧头4的冲击加速度： 分别通过所述待测加速度计1和激光干涉仪2测量所述砧头4的加速度，所述待 测加速度计1的测量结果传输至所述信号调理器9,所述激光干涉仪2的测量结果传输至所 述激光控制器8 ; 步骤5,处理测量数据； 通过所述激光控制器8将激光干涉信号转换为电信号，通过所述信号调理器9将 待测加速度计1的高输出阻抗变为低输出阻抗，并通过所述数据采集器10高速同步采集经 光电转换后的激光干涉仪信号与加速度计信号，并采集到的信号传输至所述计算机11 ; 步骤6,比较测量数据； 通过所述计算机11比较所述步骤5得到的激光干涉仪信号和加速度计信号，验证 所述待测加速度计1的测量精度； 步骤7,判断实验进行次数是否达到所述步骤2的设定值； 若实验进行次数小于设定值，则重复执行步骤3?步骤7的操作步骤； 若实验进行次数达到设本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低g值范围内的加速度计校准系统，其特征在于：所述校准系统包括动力源、碰撞体、空气轴承（6）以及冲击加速度检测模块；所述冲击加速度检测模块包括待测加速度计（1）、激光干涉仪（2）以及数据处理单元；所述待测加速度计（1）和激光干涉仪（2）的信号输出端与所述数据处理单元电连接；所述激光干涉仪（2）、空气轴承（6）以及动力源依次沿水平方向同轴布置，所述碰撞体通过所述空气轴承（6）悬浮支撑，所述碰撞体沿所述空气轴承（6）的轴向做零摩擦运动；所述碰撞体受所述动力源冲击产生加速运动，通过所述待测加速度计（1）和激光干涉仪（2）分别测量所述碰撞体的加速度，并将测量结果传输至所述数据处理单元，通过所述数据处理单元比对所述待测加速度计（1）和激光干涉仪（2）的测量结果，完成对所述待测加速度计（1）的校准过程。

【技术特征摘要】
1. 一种低g值范围内的加速度计校准系统，其特征在于： 所述校准系统包括动力源、碰撞体、空气轴承（6)以及冲击加速度检测模块； 所述冲击加速度检测模块包括待测加速度计（1)、激光干涉仪（2)以及数据处理单元； 所述待测加速度计（1)和激光干涉仪（2)的信号输出端与所述数据处理单元电连接；所述 激光干涉仪（2)、空气轴承（6)以及动力源依次沿水平方向同轴布置，所述碰撞体通过所述 空气轴承（6)悬浮支撑，所述碰撞体沿所述空气轴承（6)的轴向做零摩擦运动； 所述碰撞体受所述动力源冲击产生加速运动，通过所述待测加速度计（1)和激光干涉 仪（2 )分别测量所述碰撞体的加速度，并将测量结果传输至所述数据处理单元，通过所述数 据处理单元比对所述待测加速度计（1)和激光干涉仪（2)的测量结果，完成对所述待测加 速度计（1)的校准过程。2. 根据权利要求1所述的一种低g值范围内的加速度计校准系统，其特征在于： 所述碰撞体的数量为两个，其分别为锤头（3)和砧头（4)，二者均为圆柱体结构；所述 动力源、锤头（3)、砧头（4)待测加速度计（1)以及激光干涉仪（2)沿水平方向同轴布置，所 述锤头（3)和砧头（4)分别通过所述空气轴承（6)悬浮固定，所述待测加速度计（1)固定设 直在所述站'头（4)上； 所述锤头（3 )受所述动力源冲击产生加速运动，所述砧头（4 )受所述锤头（3 )冲击产生 加速运动，通过所述待测加速度计（1)和激光干涉仪（2)分别测量所述砧头（4)的加速度。3. 根据权利要求2所述的一种低g值范围内的加速度计校准系统，其特征在于： 所述空气轴承（6)的数量为两对； 一对所述空气轴承（6)沿所述锤头（3)的长度方向间隔布置，共同支撑所述锤头（3); 另一对所述空气轴承（6)沿所述砧头（4)的长度方向间隔布置，共同支撑所述砧头（4)。4. 根据权利要求2或3所述的一种低g值范围内的加速度计校准系统，其特征在于： 所述锤头（3)与所述砧头（4)的接触面上设置有垫层（5); 所述锤头（3)与砧头（4)为尺寸、质量均相同的金属圆柱体，所述锤头（3)与砧头（4) 的加工精度小于或等于5um。5. 根据权利要求1或2所述的一种低g值范围内的加速度计校准系统，其特征在于： 所述动力源产生的冲击加速度峰值范围是5g?lOOOg，g为重力加速度，脉宽为 0· 5ms ?10ms〇6. 根据权利要求1或2所述的一种低g值范围内的加速度计校准系统，其特征在于： 所述校准系统还包括型槽（7)，作为所述动力源以及空气轴承（6)的底座； 所述动力源以及空气轴承（6)分别固定设置在所述型槽（7)底部，并沿所述型槽（7)的 开槽方向间隔布置； 所述型槽（7)的横截面形状为V型或U型。7. 根据权利要求6所述的一种低g值范围内的加速度计校准系统，其特征在于： 所述型槽（7)倾斜于水平面布置，所述型槽（7)与水平面之间的夹角范围是0?10度。8. 根据权利要求1所述的一种低g值范围内的加速度计校准系统，其特征在于： 所述数据处理单元包括激光控制器（8)、信号调理器（9)、数据采集器（10)以及计算机 (11)； 所述激光控制器（8)的信号输入端与所述激光干涉仪（2)的信号输出端相连接，所述 信号调理器（9)的信号输入端与所述待测加速度计（1)的信号输出端相连接，所述激光控 制器（8)和信号调理器（9)的信号输出端汇总连接至所述数据采集器（10)，所述数据采集 器（10)的输出端与所述计算机（11)相连接。9. 利用权利要求1?8之一所述的校准系统对冲击加速度测量设备进行校准的方法， 其特征在于： 所述校准方法的具体...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡红波，李涛，孙桥，于梅，过立雄，吉鸿磊，
申请(专利权)人：中国计量科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11