冲击及瞬态冲击力绝对法校准技术的研究现状

　　冲击加速度和瞬态冲击力的测量是动态测量领域中两个极其重要的分支,广泛应用于航天、航空、兵器、建筑、交通、船舶、矿山、物探及环境设备试验等领域,因此,开展冲击加速度及瞬态冲击力校准技术的研究具有广泛而深远的意义。近十多年来,随着冲击校准技术的研究日渐成熟,德国、英国和日本的国家计量机构,对瞬态冲击力的校准表示出极大的关注,在传统的稳态正弦激振力源、落锤式动态力源、阶跃式力源的基础上,提出使用空气轴承的质量块碰撞式力源装置。2004年,德国物理技术研究院(PTB)的运动学研究部门,在原有加速度实验室(Section 1·31 Acceleration)的基础上,新增了瞬态冲击力实验室(Section 1·34 Im-pact Dynamics),明确提出瞬态冲击力是冲击加速度的导出量,两者的基本原理、测量方法和硬件实现有着紧密的关系。其在研项目瞬态冲击力校准系统(2003年~2006年),以激光干涉绝对法冲击加速度测量技术实现冲击加速度的直接复现为前提,利用质量作为可靠的中间量,完成瞬态冲击力的绝对复现。该系统的校准相对不确定度在10kHz以内的频率范围预计为1·5%,k=2^[1]。

　　1　冲击力法冲击加速度校准的原理和问题

　　冲击力法以经过静态力值校准并固定在砧子上的力传感器作为标准器,用它测出冲击过程中冲击力值的大小^[2]。

　　在冲击力法中,冲击加速度量值的复现应最终归结为对动态力(冲击力)和质量两个量值的测量。在通常情况下,精确校准后的质量不会因物体运动状态的改变而改变,它是复现冲击加速度量值的可靠参量。而至今无法对另一个参量-动态力值进行瞬态冲击力的绝对法校准。

　　落锤式冲击力法校准装置,结构简单、使用方便,但在冲击加速度较大的情况下,会导致较大的方法误差^[3]。

　　冲击力法对参考力传感器的瞬态冲击力校准提出了“动标动用”的要求,在动态力校准领域中至今尚未完全解决。这一方面促进了动态力校准的研究发展,另一方面也激发了冲击校准领域对其它计量原理更加完善的冲击校准方法的研究。

　　2　激光干涉绝对法冲击校准

　　绝对法冲击校准系统中,外差激光干涉仪实现冲击加速度测量的原理,如图1所示。该系统采用的外差测量原理、正交信号生成、数字解调和位移求解等内容,可以参考笔者所著“纳米级正弦振动幅相特性测量技术的研究”[^4]。

　　利用这种方法,由调相值序列φMod(ti),最终得到被测位移的离散时间序列值: