三轴冲击计量脉冲产生机制及三轴动态传感器校准方法研究

In the research and application of triaxial high-g accelerometers and impact force sensors, it is significant that the dynamic characteristics (e.g. sensitivity, linearity, axial coupling effect, etc.) of these triaxial sensors should be calibrated precisely. The triaxial dynamic calibration technique getting rid of axial coupling effect is the most key problem. In this application, based on the principle of true triaxial Hopkinson bar, the uniaxial impact pulse is generated with controllable techniques. The mechanism and technique for generating triaxial standard impact pulse by using the triaxial Hopkinson bar is studied. In addition, the relation between overload pulse and the response of sensors is also investigated systematically. Eventually, the dynamic characteristics of these sensors are determined by using the developed calibration system. The main research contents include: 1. The method for generating standard triaxial acceleration pulse and impact force pulse by the triaxial Hopkinson bar; 2. How to effectively impose the standard measuring pulse to the sensitive parts of the sensors in different axes; 3. The relation between the output of the calibrated sensors and the standard calibration pulse is studied. Then, the sensitivity, linearity, axial coupling characteristics, the reliability and accuracy of these triaxial sensors are evaluated. Through these research, we will obtain the generation mechanism of triaxial impact pulse for calibrating triaxial sensors. Meanwhile, a effective calibration method for triaxial high-g accelerometers and impact force sensors by using triaxial Hopkinson bar is developed. These results will lay a foundation for the triaxial dynamic calibration of triaxial high-g accelermeters and impact force sensors. It also has theoretical and practical significance in the development and application of these high-precision triaxial impact sensors.

三轴高g值加速度传感器和三轴冲击力传感器在研发和应用中，其各项动态参数的准确标定至关重要。其中三轴动态非耦合标定技术是面临的最大问题。本申请拟基于真三轴Hopkinson杆原理，通过单轴产生可控变化的冲击脉冲，研究三轴高g值和三轴冲击力标准计量脉冲的产生机制，揭示施加计量过载脉冲与传感器响应的规律，最终确定传感器的动态参数。主要研究内容包括：1. Hopkinson杆形成标准计量的三轴加速度脉冲和冲击力脉冲的机制；2. 标准计量脉冲怎样有效施加在三轴传感器的敏感部位上；3. 结合被校传感器的输出，研究计量脉冲与传感器输出的关系，以确定传感器灵敏度、线性度、轴间耦合等特性。通过研究，将揭示三轴冲击计量脉冲的形成原理，建立三维Hopkinson杆对三轴传感器的有效标定方法。研究结果对高精尖三轴冲击传感器自身的研制、标定、应用具有现实的理论与应用意义。

三轴高g加速度计和三轴冲击力传感器在高幅值、高频载荷作用下的轴间耦合效应和各轴比例因子的非线性非常显著，因此其各项动态参数的准确标定至关重要。本项目针对三轴动态非耦合标定技术所面临的问题，基于矢量分解原理和一维应力波理论，建立了三轴高g值加速度计和三轴冲击力传感器的新型同步校准装置。同时，选择一种典型三轴高g值加速度计（CA-YZ-100K-T）和一种典型三轴冲击力传感器（B25B）作为标定对象进行实验研究。.具体研究内容包括：1）研究如何在三个正交方向上同时产生高幅值、微秒级的冲击脉冲信号，实现对三轴高g值加速度计和三轴冲击力传感器的动态校准；2）研究弹体、垫块形状、材料参数对冲击波形的影响，揭示半正弦脉冲信号的产生机制；3）通过理论分析、数值计算和实验验证相结合的研究方法，对建立的加速度计和力传感器的校准方法的可行性进行系统论证；4）通过本项目建立的校准实验装置，对所选的加速度计和力传感器灵敏度、线性度及轴间耦合特性进行校准，揭示加载幅值对传感器参数的影响规律。取得的重要研究结论如下：.1. 基于三分量高g值加速度计物理结构，建立了包含非正交、非对齐及各轴比例因子非线性的三分量高g值加速度计输入-输出误差模型，揭示了三分量高g值加速度计轴间耦合的物理机制。通过分析传统单轴依次校准与三轴同步校准的区别，证明了三轴同步校准的必要性。研究结果表明：相比于单轴依次校准，三轴同步校准可以同时以任意比例在三分量加速度计的各测量轴上施加载荷，其可校准范围更广，更接近于加速度计的实际使用环境。.2. 基于Hopkinson杆斜端面设计和矢量分解原理，成功将一维脉冲信号沿斜端面正交分解。通过旋转传感器的安装角度，实现三分量正交脉冲信号在传感器三个测量轴上的同时施加。其所能施加的加速度范围：幅值105g，带宽102kHz；冲击力范围：幅值超过106N、脉宽为101~102s。.3. 通过ABAQUS有限元模拟对不同斜面角度的校准杆施加不同脉宽的激励脉冲，分析了激励脉冲传播至校准杆斜端面时，由于斜端面上不均匀受力而产生的校准误差，给出最佳的斜面角度范围为30°~60°。.4.对三轴高g值加速度计和三轴冲击力传感器分别进行单轴依次校准和三轴同步校准，得到三轴加速度计和力传感器在不同冲击速度下的动态灵敏度系数矩阵。结果表明主轴灵敏度系数与冲击速度之间存在一定的关系，并给出具体的拟合公式