摘 要: 研究了高g 加速度计的校准测试方法, 并针对一种量程为105 gn 的三轴高g 加速度计, 测试标定了其主要性能参数。分别利用自由落杆绝对法和比较法测试了三轴高g 加速度计的灵敏度; 分析了影响交叉轴灵敏度测试的两种影响因素,进而分别指出了解决方法, 并测试了其交叉轴灵敏度; 通过提取叠加在主波上的锯齿波波形, 测试出其谐振频率; 最后利用东菱冲击机标定了三轴高g 加速度计的非线性度。
关键词: 高g; 三轴; 加速度计; 测试
高g 加速度计在爆炸、冲击测试以及侵彻弹引信等特殊领域具有非常重要的应用。由于其量程很大, 一般可达10²x10³ gn~ 2 x 10²x10³ gn , 所以高g 加速度计的测试与低量程加速度计的测试有很大的不同。低量程的加速度计可以采用振动台等仪器校准, 但如果采用振动台来校准高g 加速度计, 可能需要利用放大器把信号放大上千倍甚至更高, 这样就可能包含了很多测量噪声, 所以对测试电路的要求比较高;另一方面, 对于量程为10²x10³gn 的高冲击加速度计,在数十gn 的加速度水平下校准, 其可信度也不高。
因此, 一些普通的校准方法满足不了高g 加速度计的测试要求。
高g 加速度计的校准测试有很多困难和实际问题, 如高g 值冲击的产生、冲击加速度大小自身的标定、测试交叉轴灵敏度时单一轴向冲击的产生等等,所以高g 加速度计的校准测试非常值得深入研究。
国际上一般采用Hopkinson 杆法[ 1-3] 进行高g加速度计的校准, 这种校准方法基于应力波传播的理论, 可以测试高达2 x 10²x10³ gn 以上的冲击加速度。但Hopkinson 杆系统比较复杂, 也比较昂贵。
当精度要求不是很高时, 可以采用自由落杆法或冲击机法对高g 加速度计的性能参数进行校准。高g 加速度计的主要性能参数有灵敏度、交叉轴灵敏度、谐振频率、非线性度等。图1 和图2 所示分别为中科院上海微系统所研制的一种量程为10²x10³ gn 的单片集成三轴高g 加速度计[ 4 ] 的封装及芯片内部结构示意图。本文主要研究高g 加速度计的自由落杆和冲击机测试方法, 并针对图1 所示的三轴高g 加速度计, 给出其灵敏度、交叉轴灵敏度、谐振频率及非线性度的测试结果。
1 三轴高g 加速度计的灵敏度测试
自由落杆法又可以分为绝对测试法和比较测试法两种, 下面分别来研究。
1. 1 自由落杆绝对测试法
自由落杆绝对测试法的系统构成如图3 所示[ 5] , 主要有钢砧、落杆、被测加速度计、放大电路以及高速数据采集与处理系统构成, 落杆为铝合金材料, 长度为1 m, 直径为1. 5 cm。测试X 、Y 轴单元的灵敏度时, 加速度计安装在靠近杆顶部的侧面, 测试Z 轴单元的灵敏度时, 加速度计安装在杆的顶端。测试原理如下: 杆从一定的高度自由下落, 与底部的钢砧碰撞后反弹。设杆下落前的高度为h1 , 规定向上为正, 则杆与钢砧接触前的瞬
所以, 在整个碰撞持续过程中, 加速度计输出的积分为
图4 所示为一次落杆冲击测试产生的波形输出, 在放大器的处理电路中滤掉了加速度计的谐振信号及其它高频噪声。从图4 可以看出加速度计波形的脉宽大约为70us。测试时落杆高度为15 cm,通过试验测得的碰撞恢复系数为0. 82, 根据公式( 5) 计算得到的灵敏度为2. 25 uV * gn- 1 / 5 V, 冲击加速度大约为7 800 gn 左右。冲击加速度的大小可以通过落杆高度来调节, 也可以在杆与钢砧之间加缓冲垫调节。加缓冲垫的方法在一定程度上也会滤掉高频噪声。采用自由落杆绝对法测得的三轴高g 加速度计三个单元的灵敏度分别为2. 28、2. 36和2. 52 uV * gn- 1 / 5 V。
1. 2 自由落杆比较测试法
自由落杆绝对法需要注意两个问题: 一、要尽量保证杆垂直的与钢砧碰撞; 二、碰撞反弹系数的测量要比较准确, 否则测试就会出现较大的测量误差。这两个因素对实验技术提出了较高的要求, 而自由落杆比较测试法则可在相当程度范围内减少或避免这类问题。
比较法的测试系统同图3 所示的测试系统类似, 不同之处在于将被测加速度计和一个标准加速度计均固定安装于杆的顶端, 两个加速度计的输出经过双路放大器放大以后, 被高速数据采集系统采集到计算机中。通过分析和比较两个脉冲波形, 就可以得到被测加速度计的灵敏度。这种方法在落杆与钢砧碰撞不是理想正碰的情况下仍然有效, 并且不需精确的测定落杆的初始高度与碰撞反弹系数,但前提是作为测试标准的加速度计事先必须得到精确的校准。
图5 所示为自由落杆比较测试法的一次冲击波形, 得到波形后, 有两种数据处理方法: 一种为直接比较被测加速度计与标准加速度计输出的峰值; 一种为比较被测加速度计与标准加速度计波形输出的积分。考虑安装刚度等因素, 主要采用第二种处理方法。这是因为在大冲击环境下, 如果被校加速度计和标准加速度计的安装刚度不一样, 会导致两个加速度计在同一次冲击中承受的加速度不一样, 具体表现在半正弦波形的脉冲宽度不一致, 脉宽较大的加速度计承受的冲击加速度会比另一个加速度计承受的冲击加速度小, 所以直接比较被测加速度计与标准加速度计输出的峰值会产生一定的测量误差。采用第二种积分的处理方法会比较精确。虽然两个加速度计承受的冲击加速度峰值可能略有不同, 但由于经历的是同一次落杆冲击过程, 所以杆速度的改变是一致的。被测加速度计与标准加速度计的波形输出积分分别为:
2 三轴高g 加速度计的交叉轴灵敏度测试
以Z 轴加速度计在X 轴方向上的交叉轴灵敏度CZ_on _X 为例, 其定义为[ 6]:
其中SZ_on_X 表示Z 轴加速度计在X 轴方向上承受冲击加速度时的绝对灵敏度( 单位:uV/ gn / 5V), SZ 表示Z 轴加速度计在其敏感方向上的灵敏度, SZ 在前面的工作中已经测得。理论上来讲, SZ_on_X 和SZ 可以采用同样的测试方法实现, 但分析发现, 有两个因素会影响交叉轴灵敏度的测试: ¹ 如图6 所示, 当落杆与钢砧碰撞时, 很难保证是理想的正碰, 所以碰撞所产生的不是完全沿杆轴向的冲击, 总会伴随有横向上的加速度; º 冲击加速度计在杆中是以应力波的形式传播的, 由于材料泊松比的存在, 当杆在轴向上压缩或拉伸时, 也必然伴随着在横向上的变形。对于第一种影响因素, 由于轴向冲击以纵波的形式在杆中传播, 横向冲击在杆中以扭转波和弯曲波的形式传播,根据应力波传播的理论, 纵波比扭转波和弯曲波的波速要快的多, 所以, 只要杆具有一定的长度, 就可以消除第一种因素的影响[ 7] 。利用应力波传播的理论分析同样可以发现, 选用泊松比较小的材料, 可以减小第二种因素对交叉轴灵敏度测试的影响[ 7] 。
把被测加速度计和标准加速度计均固定安装于杆的端部, 被测加速度计的X 向与杆的轴向冲击方向一致, 落杆测试时记录Z 轴单元与标准加速度计的输出, 通过比较这两个波形即可以得到SZ_on_X 的大小并进而得到CZ_on_X 。此次测试Z 轴单元的输出波形和轴单元在其敏感方向上测试时的输出波形对比示于图7中, 加速度大小均为13 600 gn 左右。采用相同的方法可以得到其余的交叉轴灵敏度。测试结果表明, 本文所研究的三轴高g 加速度计的交叉轴灵敏度一般均小于5%, 可以满足实际应用的要求。
3 三轴高g 加速度计谐振频率的测试
高g 加速度计谐振频率的测试与低量程加速度计也有很大的不同, 也是采用冲击的方法。在落杆碰撞时, 产生了含有很多频率分量的加速度, 由于本文所研究的三轴高g 加速度计是欠阻尼的, 其在谐振频率处的Q 值很高, 因此这个频率的振动会被激发并叠加在落杆冲击所产生的主波形上, 所叠加的锯齿波的频率即为高g 加速度计的谐振频率[ 1] 。
测试加速度计的谐振频率时需要去掉信号处理电路的滤波部分, 否则有时候观察不到谐振。去掉滤波后, 如果谐振太大影响信号的分析和处理, 可以在落杆与钢砧之间加缓冲垫调节。采样频率也要足够高, 实验时采样频率为1. 25 MHz。利用这种冲击测试方法, X 轴、Y 轴、Z 轴加速度计的谐振频率分别测得为310 kHz、305 kHz、1 60 kHz。图8 所示为X 轴加速度计的冲击波形及谐振波形的局部放大示意图。
4 三轴高g 加速度计的非线性度测试
非线性度一般是在满量程范围内通过对不同冲击加速度下加速度计的输出进行线性最小二乘拟合处理得到的, 其方法比较简单, 在此不再赘述。
采用Hopkinson 杆法得到的冲击加速度可以达到2 x 10²x10³ gn[ 1-2] , 但实验室目前没有这套实验系统, 所以无法在满量程范围内测试非线性度。采用自由落杆法可以得到的冲击最大一般为30 000gn[ 7] , 为在更宽的冲击加速度范围内测试三轴高g加速度计的非线性度, 实验时采用了东菱公司的冲击试验台, 其产生的加速度可以达到50 000 gn。
东菱冲击机主要由冲击台、底部钢砧、两个光滑的导杆, 以及顶部的两个刚度很大的弹簧组成。冲击台套在两根导杆上, 在弹簧和重力的作用下从一定高度沿导杆下落并与底部的钢砧碰撞, 从而产生巨大的冲击加速度。由于冲击台与导杆之间存在摩擦, 此时冲击台的运动不能被看作是自由落体, 所以只能采用比较测试法。利用这种方法测试了三轴高g 加速度计在0~ 50 000 gn 量程内的非线性度。测得的三轴单元的非线性度分别为1. 6%、1. 5%、1. 8% 。
5 结论
本文主要研究了高g 加速度计的校准测试方法, 并测试了三轴高g 加速度计的灵敏度、交叉轴灵敏度、谐振频率、非线性度等性能参数。基于实验室现有设备条件, 本文所研究的三轴高g 加速度计的灵敏度主要采用自由落杆法测试, 并研究了绝对法和比较法两种测试方法; 交叉轴灵敏度的校准比较复杂, 分析了影响交叉轴灵敏度测试的两种因素并分别指出了解决方法; 采用冲击的方法测试了谐振频率; 利用东菱冲击试验机, 采用比较测试法在0~ 50 000 gn 的量程范围内测试了三轴高g 加速度计的非线性度。
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