基于激光绝对法冲击校准技术的动态力测量方法的研究

本文讨论测量原理相似的落锤式动态力标准装置和冲击力法的冲击加速度校准装置的工作原理、力值复现方法；分析落锤式动态力标准装置校准方法的缺陷；重点介绍瞬态冲击力绝对法校准系统中采用的质量块碰撞式力源、外差式激光干涉绝对法冲击加速度测量技术、有限元法的加速度修正等内容；并就我国冲击力标准装置的发展提出建议和设想。     

基于冲击法的压电式力传感器灵敏度研究

为了开展冲击力校准装置下压电式力传感器动态灵敏度的校准,介绍了基于自由落体的落锤冲击力模型和基于空气轴承悬浮支撑的水平式质量块冲击碰撞的模型;通过4阶Butterworth低通滤波,研究加速度信号波形的滤波平滑,比较了不同截止频率的滤波效果;通过激光测振仪和标准加速度计测量加速度的对比试验,研究加速度绝对测量法与比较测量法对力传感器动态灵敏度校准精度的影响。试验结果表明,激光测振仪测量加速度须通过微分解调,要选择合适上限截止频率的4阶Butterworth低通滤波器进行滤波平滑处理;激光干涉绝对法复现的动态力精度为2%,加速度计比较法复现的动态力精度为4%;激光干涉绝对法校准的灵敏度波动性比加速度计比较法校准的灵敏度波动性小。     

动态力校准系统及标准性能指标

一、前言目前在一些领域中,动态力测量发展较快,并取得一些进展。人们已经认识到用于动态测量的传感器及其测量系统仅通过静态标定是得不到可靠数据的,因而为保证动态测量的准确、可靠,必须确定其动态性能。落锤式冲击力装置是一种理想的力源,与标准冲击加速度计配合,组成动态力校准系统,可根据不同的要求以比较法进行力传感器的准静态校准、动态校准和各种动态性能测试。本文介绍的落锤式动态力校准系统,其力值为50kN～1MN;力值上升时间≥0.5ms;幅值误差±2.0％。二、主要结构和工作原理落锤式冲击力装置如图1所示,主要由砧子1、机座2、立柱标尺3、力传感器4、毡     

冲击及瞬态冲击力绝对法校准技术的研究现状

文章介绍了国际标准的激光干涉绝对法冲击校准技术和目前德国PTB正在从事的瞬态冲击力校准系统的研究发展状况，指出加速度的直接复现是实现包括冲击加速度和瞬态冲击力在内的绝对法动态校准的基本前提，因此，这两种绝对法校准技术具有完善的计量原理和相似的计量特点，能够完成冲击传感器和动态力传感器的高精度动态校     

低g值冲击加速度的激光绝对法校准

低g值冲击加速度是表征人体冲击耐受程度的一个重要参数,低g值冲击加速度的准确校准直接关系到量值溯源的有效性和可靠性。分析了落锤式、上抛式和碰撞式3种类型冲击激励源的特点,介绍了ISO 16063-13国际标准推荐的激光绝对法冲击校准的测量原理和系统构成,研究了采用精密空气轴承的碰撞式冲击激励源和信号解调算法。校准结果表明,基于ISO标准方法的碰撞式冲击校准系统,能够实现高精度的激光绝对法校准,冲击加速度范围20~10 000 m/s~2,冲击脉宽0.5~10 ms,校准不确定度1%(k=2)。     

基于LabVIEW的冲击法动态力传感器校准装置

动态力传感器是对力值进行动态测量的传感器,在工业生产中具有重要作用,其精度直接关乎生产制造,所以对其进行校准显得尤为重要。对冲击法动态力传感器的校准原理进行研究,对现有的标准冲击加速度装置基础上进行改造,用于动态力传感器校准。提出了基于LabVIEW的冲击法动态力传感器校准装置的软硬件设计方案,研制了一套高度集成化、自动化的校准装置。本装置检测结果与实验室参考动态灵敏度最大偏差仅为0.81%,满足设计要求。     

落锤式冲击加速度标准装置的研究与建立

阐述了基于落锤式冲击加速度标准装置的结构及试验原理,基于相应的数字化仪硬件,结合虚拟仪器技术,按照ISO16063—22冲击比较法校准标准的要求设计了相应的校准软件,实现了加速度计冲击比较法校准。并且与基于Hopkinson杆的冲击激励系统产生的冲击波形进行了比较分析,通过试验数据验证了该冲击加速度标准装置的可靠性,同时对振动与冲击2种校准方式进行了比较并说明了校准结果差异的原因。     

高精度低峰值冲击加速度绝对法标准装置的研究与建立

介绍建立的一种高精度低峰值的冲击加速度标准装置,该装置利用空气轴承支撑的两根金属棒间的机械碰撞来产生冲击加速度激励,利用外差式激光干涉仪测量碰撞过程中的机械位移量,按照ISO国际标准推荐的算法,结合虚拟仪器技术精确复现冲击加速度物理量,从而实现加速度计的冲击绝对法校准.实验数据表明,该标准装置在冲击加速度峰值小于5000m/s2范围内,测量结果扩展不确定度小于1％(k=2),并且与绝对法振动校准结果比较的En值小于0.1.     

激光干涉法进行正弦力校准研究

采用绝对法进行正弦力校准,动态力由安装在振动台上的质量块产生,力值根据力的定义直接溯源到质量、加速度和时间。为了减少测量不确定度,质量块上的加速度分布必须进行准确测量。文中介绍了采用激光干涉法进行动态力校准的原理和信号处理方法,同时介绍了与德国PTB加速度实验室进行加速度测量的比对情况。结果表明,采用所介绍的正弦力校准方法可以提高校准的准确度。     

轴向加荷疲劳试验机动态力校准装置的性能研究与应用

介绍了一种用于轴向加荷疲劳试验机动态力校准的校准装置。该装置包括由轮辐式和实心柱式两类电阻应变式力传感器组成的标准力传感器和PXI-4220型双通道应变测量系统。分别采用正弦力标准装置、冲击力标准装置和敲击法对标准力传感器的动态特性进行试验和研究。采用标准信号源对PXI-4220数据采集系统的动态特性进行试验和研究。通过试验和研究表明,该轴向加荷疲劳试验机动态力校准装置在500Hz频率范围内可以满足常用轴向加荷疲劳试验机动态力校准的要求。此外,以本校准装置校准某型号的电磁谐振式疲劳试验机动态力为例,对其动态力校准结果、惯性力修正进行分析和讨论,并对动态力校准结果的不确定度进行评估。     

压电式动态力传感器校准方法的研究

针对智能制造行业里压电式传感器的动态性能校准问题,介绍了针对传感器动态力参数的相关方法和脉冲力法校准装置,在装置上完成了试验验证和分析。介绍了两种常规的动态力校准方法,针对不同的校准方法建立了运动方程,做出了差异性分析。然后介绍了一种基于绝对法测量的压电式传感器脉冲力法校准装置,装置的结构包括基于刚体碰撞的脉冲力发生装置和基于外差式迈克尔逊干涉仪的测量系统,说明了工作原理和解算方法。最后利用建立的校准装置对典型压电式传感器进行动态力校准,进行结果分析和可靠性验证。     

激光干涉法一次冲击加速度计动态特性校准

介绍利用激光光栅干涉技术进行冲击加速度动态特性校准的一种方法。将冲击加速度直接绝对溯源于基本量和单位(时间和长度);说明差动式光栅激光干涉冲击校准装置的原理,介绍了使用调频信号的数字化解调方法和模式识别方法实现数据处理的基本过程;最终给出了被校准的加速度计的频率特性曲线和传递函数实验结果;使用本文方法可以进行加速度计动态特性的校准测试。     

基于参数辨识的力传感器动态校准方法

力传感器动态校准通常采用静态指标分析方法,很难评价其结构参数对模型时变特性的影响,为此提出一种力传感器动态校准方法。针对被校准力传感器的结构特征建立参数化数学模型,分析动态激励与结构响应之间的频域传递关系;利用最小二乘法对传递函数的频谱特性进行解析,实现模型参数的辨识;采用频率分析法建立传递函数的频域几何关系式,实现动态校准模型的稳定性评价。采用落锤式冲击力校准装置验证所提方法,结果表明该方法能以较小的标准差辨识被校准力传感器的结构参数,也能依据相位裕量和幅值裕量判断动态校准模型的稳定性。     

基于激光干涉法的一次冲击微分加速度动态特性校准

介绍了利用激光光栅干涉技术进行冲击加速度校准的一种方法,并着重讨论微分加速度的动态特性校准。将冲击加速度和微分加速度直接溯源于基本量和单位(时间和长度);叙述了差动式光栅激光干涉冲击校准装置的原理,介绍了使用调频信号的数字化解调方法和模式识别方法实现数据处理的基本过程;最终给出了被校准的加速度计的微分加速度的频率特性曲线和传递函数的实验结果。结果表明,该方法可以进行加速度计之微分加速度的动态特性的校准测试。     

加速度冲击校准研究

文章将加速度冲击校准分为绝对法、相对法和比较法进行介绍,并给出了几种半正弦冲击脉冲激励装置的激励范围及校准装置的测量范围和测量不确定度。所提出的加速度类比法系冲击校准新方法,是相对法和比较法的结合,能对冲击加速度传感器灵敏度、幅值线性度与频率响应等进行较为准确的检定与校准。     

绝对法冲击校准技术的发展现状及研究

本文主要介绍了加速度计绝对法冲击校准的三种基本方法，重点对每种方法的校准原理及特点进行了较为深入地论述。与冲击力法和速度改变法相比较，激光干涉绝对法冲击校准原理更为科学，校准准确度更高、校准结果更为可靠。     

低g值碰撞式冲击加速度计量标准装置研究与建立

研究建立低g值碰撞式冲击加速度计量标准装置,在冲击加速度峰值20~10 000 m/s2及脉冲持时0.5~10 ms内实现基于碰撞式激励半正弦平方波形的加速度计冲击灵敏度激光干涉法高精度校准。校准不确定度为1%,k=2。介绍装置的结构组成及解决的关键技术,描述波形发生的材料种类,给出校准的实验数据及不确定度评估。低g值碰撞式冲击加速度计量标准装置为主导亚太计量规划组织冲击加速度研究性国际比对APMP.AUV.V-P1的主要测量装置。     

大幅值脉冲力激励装置研究

动态力测量的场景越来越广泛,对测量准确度的要求也越来越高。为解决国内始终没有基于绝对法加速度测量的脉冲式动态力标准装置的问题,研究建立了覆盖1~200 kN范围的脉冲力激励装置。经试验证明,该装置具有较好的横向运动比和台面幅值不均匀度,具有重要技术推广价值,为促进动态力传感器在工程实践中的应用以及动态力测量技术的发展提供了有力支撑。     

高g值加速度传感器激光绝对法冲击校准技术研究

在详细分析反射式激光多普勒原理的基础上,研究了高g值加速度传感器的冲击校准方法。该方法利用Hopkinson杆作为加载手段,利用差动式激光多普勒干涉仪来绝对复现冲击加速度的量值。针对高g值压阻加速度传感器SIMIT-AYZ-60k进行了一系列的校准试验,利用积分运算法和最小二乘法的组合从准动态条件下的校准数据得到了准静态条件下的传感器冲击灵敏度。试验表明,这种方法实现了利用脉宽有限的激励脉冲对固有频率在20kHz以上的高g值加速度传感器的校准,校准的不确定度可以满足冲击测试的工程需求。     

基于载荷重构的冲击力校准方法

在落锤式冲击力校准系统中,针对非刚体的落锤测量点与撞击点的冲击力不相等会产生测量误差的问题,提出了基于载荷重构的冲击力校准方法。该方法采用r阶累加预测模型对测量响应进行滤波;通过落锤核函数矩阵的正则化,建立测量点与撞击点之间的载荷重构模型,实现冲击力测量误差的补偿。利用该方法进行冲击力测量实验,实验表明该方法的峰值相对误差(PRE)为0.6%,相对误差(RE)为3.1%;传统测量方法的PRE为5.7%,RE为6.8%,该方法的PRE和RE分别比传统测量方法改善89.2%和54.8%。该方法能有效降低冲击力的测量误差。