动态参数测试与校准实验指导书

1动态参数测试与校准实验指导书主编教师：范锦彪编制时间：2007年6月动态参数校准实验室2实验一高g值冲击加速度模拟试验为了测试炮弹、导弹高速侵彻硬目标的加速度，国内外的研究机构较多采用弹载存储测试技术。在现场试验之前，为了降低风险，提前发现问题，通常利用高g值冲击加速度实验装置模拟弹载加速度存储对测试装置冲击试验，考核测试装置的抗高g值冲击性能，以提高测试装置的可靠性。一、实验目的1．了解高g值冲击加速度模拟试验装置的工作原理2．了解弹载加速度存储对测试装置的组成和工作原理3．掌握利用空气炮试验装置进行高g值冲击加速度模拟试验装置的方法二、实验设备1.高压气瓶，身管长6m、直径100mm的空气炮，炮弹，机制毛毡2.差动式激光干涉仪3.电荷放大器4.波形记录仪5.弹载加速度存储对测试装置（图1）6.整个实验装置系统如图2所示图1一种测试装置结构示意图图2高g值冲击试验模拟装置原理图三、实验原理和方法高g值冲击加速度模拟试验装置由空气炮、炮弹、反射式激光测速仪、差动式激光干涉仪、加速度存储测试装置、电荷放大器、波形记录仪等组成。(1)空气炮作为一种加载工具，因为具有重复性好，安全性高、操作维护较方便的优点，被国内外许多研究机构采用。重点实验室的空气炮为一级空气炮，由高压气室、释放机构、发射身管、炮弹和回收装置等组成。该空气炮口径为100mm，发射管有效长度为6.2m，气室容积约为0.03592m3。发射时先通过快速释放机构打开阀门，气体压力直接作用到弹丸底部,弹丸被加速直到撞击弹载加速度存储测试装置，使后者得到加速。改变碰撞接触面机制毡垫的软硬程度和厚3度(不超过30mm)，可以产生不同加速度幅值0a，持续时间s（脉宽）的加速度信号，以模拟弹体侵彻硬目标过程中初始段的负向加速度。为了吸收碰撞后的剩余能量，试验采用类似火炮反后坐装置的技术，设计制造了液气缓冲装置，利用液体高速通过小孔产生的阻力和能量消耗，来吸收碰撞结束后炮弹和测试装置的剩余能量。采用下式（1）可对实际试验中使用的弹丸的速度进行了估算：])(1[)1(2112ffcqcqcqczgLSVVmVpv（1）gv：弹丸到达炮口时的弹速；czp：气室的注气压力；cqV：初始气室容积m：弹丸质量；γ：气体绝热指数；fS发射管横截面积；fL发射管长度；称为虚拟质量系数，把弹丸质量由原来的m增加到mm'，那么在能量消耗方面，将各种损耗等效于弹丸质量的增加结果。根据式（1）可以计算对应一定气室初始压力czp炮弹碰撞前瞬间的速度gv，再根据实际测试的炮弹速度对计算值进行修正，可以建立初始气压和炮弹碰撞测试装置时速度的对应关系。(2)为了测量炮弹在撞击测试装置前瞬间的速度，在炮弹上接近头部位置沿圆周方向粘贴黑白相间的苏格兰片，间距为4mm。当炮弹以一定的速度通过测速仪时，激光照射到苏格兰片上，由于苏格兰片具有原向反射的特性，当照射到白条纹时，反射光经光电转换和放大器放大后输出的是高电平，同理照射到黑条纹时输出低电平。这样就产生高低电平相间的电信号，因为条纹间距一定，通过计算高低电平的周期以及黑白间条的宽度就可以粗略的计算出炮弹的速度。并且，以测速仪的高电平信号输出作为信号采集的示波器的触发信号。原理图如图2所示：图2反射式测速仪原理框图(3)差动式多普勒激光测速装置差动式激光多普勒测速仪系统包括光栅、激光干涉光路、光电转换、数据采集及处理等，实现目标运动——光学干涉——电信号——数据采集——运动参数的转换，如图3所示：作为合作目标的光栅用环氧胶粘接在测试装置表面，栅线数为150线/mm,栅线间距d的不确定度为-6101。4图3测速仪系统框图双入射光光栅运动速度v和由此产生的多普勒频移)(,f的关系为dqpvf)()(,（2）其中p，q为两衍射光波的衍射级数，取正、负1级。由式(3)冲击加速度峰值及波形。)/()]([)()(,qpdtfdtdta（3）高g值冲击加速度模拟试验装置的工作过程如下：压缩空气使炮弹沿着空气炮身管加速运动，在测试段与加速度测试装置发生碰撞，使测试装置获得所需的高g值加速度。测试装置的撞击端部侧面贴有光栅，光栅的运动速度经差动激光干涉仪产生具有多普勒效应的调频信号，该信号和加速度计的输出信号由波形记录仪采集存储。冲击试验完成后，对记录电路的测试数据回放、分析，并对整个测试装置进行机械和电参数检测，从而实现对弹载加速度存储测试装置抗高g值冲击性能的考核。四、实验操作步骤1.用空气压缩机向高压气瓶充气。打开激光干涉仪、波形记录仪，反射式测速仪，并将它们连接到波形记录仪上。2.设置波形记录仪，使它满足记录激光多普勒信号和加速度计输出信号的要求。3.将加速度存储测试装置上电，使它处于循环采样状态。用起重设备起吊身管测试段上盖，把测试装置放置在测试段合适位置。4.调整测试装置和激光干涉仪的相对位置，使干涉仪观测窗口出现4~5条明暗相间的条纹。并用酒精棉轻擦光栅表面。用起重设备把测试段上盖安装到位。再次检查波形记录仪、激光多普勒条纹的状态是否正常。5.根据不同测试目的，将一定软硬程度和厚度的机制毡垫放入炮弹前部的凹槽中。设置波形记录仪为单次触发状态，把炮弹沿身管轴向快速移动，检验波形记录仪是否成功触发。6.旋开空气炮后端盖，将炮弹放入，注意放置位置要高压室出口边台阶的后部，然后旋紧后端盖。7.旋开高压气瓶出气阀门，旋开气体炮进气总阀门，打开小室和高压室气压表阀门。缓慢旋开小室进气阀门，向小室充气，目标压力要比高压室大3~5个大气压，以保证活塞的可靠密封，50500100015002000-50510152025Time(us)Displacement(mm)缓冲前后位移波形曲线被撞体测点（缓冲前）电子设备测点（缓冲后）关闭小室进气阀门和小室气压表阀门。8.缓慢旋开高压室进气阀门，向高压室注入一定压力的高压空气，关闭进气阀门和高压室气压表阀门。再次检查波形记录仪的状态是否正常。9.快速开启气体炮高压室放气阀门，炮弹在压缩气体作用下沿身管加速，在测试端撞击测试装置。波形记录仪同时记录激光多普勒信号、加速度计输出信号。10．关闭高压气瓶出气阀门，旋开小室和高压室气压表阀门。11．用起重设备起吊测试段上盖，取出炮弹和测试装置。旋快测试装置后端盖，打开数据采集软件，用读数线连接计算机和测试装置读数口进行数据回放。五、测试装置抗高g值冲击性能考核弹载加速度存储测试装置在高g值冲击作用下，可能引起记录电路模块芯片功能失效、焊点脱开、机械结构破坏、导线断裂等现象，电路模块是测试装置的核心部件，利用泡沫铝对其进行缓冲保护，内部安装结构示意图如图1所示，在电路模块和测试装置被撞头部粘接光栅，通过存储示波器同时记录电路模块和测试装置的频移信号（图4），图5~图7是实验过程中得到的典型曲线，分别是被撞体测点（缓冲前）和电子设备测点（缓冲后）的位移、速度和处理得到测试装置的加速度。安装在测试装置被撞头内部的加速度计的信号（图8）由电路模块记录，该信号中包含加速度传感器安装点的结构响应。对该信号进行快速傅利叶变换（FFT）得到其频谱图（图9），图中频率为9.4KHz处对应有一个尖峰值。采用ANSYS软件对测试装置整体结构进行计算机模态分析，得到被撞体的第一阶频率为9.3KHz，相应的振型为轴向振动，该振型和加速度计的敏感方向一致，所以加速度传感器的输出信号包含轴向振动分量，在加速度频谱图中表现为第一级阶频率附近出现一个尖峰值。对加速度传感器的输出信号按9.4KHz截止频率滤波，得到被撞体的刚体加速度（图10），这与由多普勒激光测速仪得到的加速度信号幅值和持续时间基本一致。比较外壳和电路模块缓冲后的加速度时间曲线可以知道，泡沫铝具有良好的缓冲吸能特性，33.544.555.56x105-0.4-0.3-0.2-0.100.10.20.3图4测试装置的频移信号图5缓冲前后位移波形曲线对比60500100015002000-1001020304050缓冲前后速度波形曲线Time(us)Velocity(m/s)被撞体测点（缓冲前）电子设备测点（缓冲后）0500100015002000-1012345x104Time(us)Acceleration(g)缓冲前后加速度波形曲线被撞体测点（缓冲前）电子设备测点（缓冲后）图6缓冲前后速度波形曲线对比图7缓冲前后加速度波形曲线对比图8加速度计的输出信号图9加速度信号频谱图图10测试装置的刚体加速度由表1可以看出，泡沫铝缓冲器件将一个幅值为4.36×104g，脉宽205μs的冲击加速度，缓冲到幅值为1.36×104g，脉宽490μs左右的加速度，缓冲效果达68.7%。大幅降低了电路模块承受的7冲击，且电路模块工作正常，钢丝导线也未断裂。实验表明，弹载加速度存储测试装置具有良好的抗高g值冲击性能考核。表1泡沫铝缓冲效果测试结果被撞体（缓冲前）记录电路模块（缓冲后）缓冲效果位移（mm）速度(m/s)加速度峰值(g)加速度脉宽(μs)位移（mm）速度(m/s)加速度峰值(g)加速度脉宽(μs)20.681748.84084355620510.718745.07691363549068.7%六、实验预习要求和注意事项1．回忆物理学中多普勒原理的知识。2．回忆传感器设计中加速度计原理的知识。3．回忆物理学合理论力学中关于碰撞过程分析的知识。4．在操作气体炮时需要注意安全。8实验二高g值加速度计冲击绝对校准高g值加速度计是一种测量物体高加速过程的传感器，其基本原理是把输入的加速度激励转化成电量输出，它被广泛应用在炮弹在炮膛内加速度过程、炮弹导弹高速侵彻硬目标的减速过程等恶劣环境。高g值加速度计设计、制造完成后，在初次使用前需要对其灵敏度进行标定，即确定单位加速度值（g）对应得电压值或电荷量；经过多次使用后，加速度计的灵敏度可能发生变化，也需经常校准。在目前广泛使用的几种加速度计校准方法中，激光干涉绝对冲击校准法原理完善、结果可靠、精度极高。它能够复现冲击加速度量值，直接溯源于激光波长和时间/频率量。一、实验目的1．了解霍普金森杆试验装置的工作原理2．了解差动式激光干涉仪的工作原理3．掌握利用霍普金森杆试验装置进行高g值加速度计冲击绝对校准的方法二、实验设备1．钛合金霍普金森杆实验装置：长1.6m、直径16mm的霍普金森杆、小型空气炮、子弹、波形调整垫、真空泵、真空吸合装置2．差动式激光干涉仪3．电荷放大器4．波形记录仪5．高g值加速度计整个实验装置系统如图1所示图1霍普金森杆绝对校准系统图三、实验原理和方法加速度计校准（标定）实验是高g值加速度计性能研究中最基本的试验之一。国内外常用的高g值加速度计有压电式和压阻式两类。压电加速度计是以压电材料（石英晶体和压电陶瓷）为转换元件，输出与加速度成正比的电荷或电压信号。在高量程的压电加速度计中，一般采用弹性系数高的硬性压电材料，如PZT—8压电陶瓷、石英等。压电元件具有较大的刚度系数，位移较小。压电加速度计通常主要有基座、压电转换元件、惯性质16激光干涉仪电荷放大器波形记录仪计算机23571弹丸2波形调整垫3霍普金森杆4应变片5光栅6加速度计49量和预紧螺栓组成，目前主要采用压缩和剪切振动两种工作模式(图2、图3)。图2压缩型结构图3剪切型结构图4硅悬壁梁结构压阻式加速度传感器就是利用一些材料的压阻效应来工作的。当力作用在硅单晶时，硅晶体的电阻率发生显著的变化，称为压阻效应。最基本的结构是采用矩形悬臂梁形式，在悬臂梁的自由端装有敏感质量块，在梁的固定端附近扩散四个性能一致的电阻，构成惠斯通电桥，其结构原理图如图4。霍普金森杆试验装置是利用一维弹性应力波在一根细长等截面直杆中传播、反射、叠加来工作的。其工作过程如下：在压缩空气推动下，子弹沿空气炮身管加速运动，在炮口垂直撞击霍普金森杆前端的波形调整垫，杆的另一端通过真空夹具紧密吸合着加速度计安装座，座上通过螺纹沿轴向安装着加速度计。由波动学理论，撞击使霍普金森杆杆中产生一个沿轴向传播的近似半正弦压缩应力波。压