激光干涉法进行正弦力校准研究

　　1　概　述

　　在汽车碰撞试验、机器人、材料试验等诸多领域对动态力测量准确度的要求不断提高,因此对动态力校准也提出了更高的要求。

　　我国在上世纪末相继建立起多套动态力标准。典型的是计量院(NIM)的冲击式动态力标准和长城计量测试技术研究所(CIMM)的阶跃式动态力标准。计量院的冲击式动态力标准采用自由下落的重锤与力传感器碰撞产生动态力,动态力值溯源到重锤的质量以及由安装在重锤上的加速度传感器测量的加速度,动态力幅值不确定度为2%[1]。长城计量测试技术研究所的阶跃式动态力标准采用快速卸荷的方法产生负阶跃力[2]。

　　德国联邦物理技术研究院(PTB)已经在动态力校准领域进行了十余年的研究工作。他们的工作主要集中在研究正弦力校准方法[3]。图1是PTB的正弦力校准装置。力传感器安装在电磁振动台上,质量块M1连接在力传感器上。采用空气轴承来减少质量块的横向运动。根据牛顿定理,力传感器所受的动态力可以表示为:

　　其中:m为总有效质量,是质量块的质量与力传感的等效质量之和;a为质量块上的加速度。在公式(1)中,m的测量不确定度可达10-6,因此在动态力校准中,a的测量不确定度分量占据主导地位。以往PTB采用加速度传感器测量质量块上的加速度分布,图1中采用了5只加速度传感器测量质量块上不同位置的加速度。多通道信号分析仪测量加速度传感器和力传感器的输出信号并控制振动台产生正弦振动。计算机根据信号分析仪提供的数据计算出力传感器的幅频特性和相频特性。

　　PTB也开始进行冲击力校准装置的研究。图2是其冲击力校准装置。质量块M1和M2安置于气浮轴承内,力传感器T安装在M2上。运动发生器推动M1运动,它以速度v运动并与力传感器发生碰撞。与进行正弦力校准时类似,力传感器所受的动态力可溯源到质量和加速度。

　　以往进行动态力校准时,加速度是由加速度传感器测量的。而加速度传感器的校准是采用激光干涉法[4,5]。本文研究在动态力校准中,采用激光干涉仪直接进行加速度测量[6]。激光干涉仪直接测量加速度有如下优点:首先,激光干涉法测量加速度的准确度最高,避免了测量链中由加速度传感器校准和测量带来的附加误差;二是激光干涉仪进行加速度非接触测量避免了由加速度传感器的安装带来的附加质量造成质量块上加速度分布的复杂化;另外激光干涉仪可以对质量块和力传感器表面任意点的加速度进行测量,可以更透彻地测量加速度分布情况。

　　2　激光干涉法进行动态力校准的原理