三轴高g加速度计的测试方法及实验研究

　　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。