基于激光干涉法的一次冲击微分加速度动态特性校准

　　1　引　言

　　微分加速度定义为加速度对时间的微分,是描述加速度随时间变化率特征的量值和参数。加速度计(或称加速度传感器)的校准,一直为人们所关注[1~13],其动态特性也越来越引起人们的重视,而微分加速度恰好是衡量这方面特性的参数。加速度计校准的问题之一是动态特性激励源的信号值较难精确给出,包括激励源的实现和激励信号的精确定标。加速度计的激光-多普勒一次冲击校准,是直接借助计量学的基本量和单位(时间和长度)复现加速度和微分加速度量值与单位的方法。其特点是可以精确给出微分加速度激励的绝对量值和真实波形,而调频信号的精确解调算法,恰好可解决激励信号的精确定标问题;它与加速度计的输出联合处理,可最终给出加速度计中微分加速度的动态特性和传递函数。本文将主要讨论这一问题。

　　2　加速度一次冲击校准原理

　　激光-多普勒一次冲击校准方法,采用激光多普勒原理,用衍射光栅作合作目标,绝对复现冲击微分加速度量值并对加速度计进行校准。

　　2·1　衍射光栅产生的多普勒频移

　　2·1·2　反射式衍射光栅产生的多普勒频移

　　设光栅栅距为d,光栅平面以速度v运动。在时刻t,O到第q条栅线的距离为

　　而当入射光从法线右侧入射时,如图1(b)所示,此时,入射角为-ψ,仍取衍射角为-θ。入射光波前和衍射光波前经x点的光程长度为

　　2·2　绝对复现冲击加速度量值的计算

　　根据式(4)得到冲击速度

上式取峰值得到冲击加速度峰值ap。绝对复现的冲击加速度峰值ap作为参考量值,与被校加速度计输出的电量峰值up比较,得到被校加速度计的冲击校准灵敏度

　　3　校准装置及工作过程

　　如图3所示,加速度一次冲击校准装置主要由冲击机、差动式光栅激光干涉仪、数字示波器和计算机等组成。

　　Hopkinson冲击机是使用Hopkinson棒在杆中产生应力波,在距激励端面几倍棒直径远处,应力波的波振面实际上变成了平面波。虽然纵向应力也会引起横向应变,因而棒在横向也会产生某种运动,但只要棒的长度与直径之比充分大,这种横向运动是微不足道的。因此,用Hopkinson冲击机在校准端面可以获得波形良好、横向运动小的冲击过程。差动式激光干涉仪如图4所示。He-Ne激光器发出的光束经透镜1和2准直,经透镜1后由分束棱镜分成两平行光束,两平行光束经透镜2又汇聚于光栅平面。由光栅出射的衍射光束经反射镜系统到达光电倍增管(PM)的阴极表面,用光电倍增管检测由于光栅运动产生的多普勒频移信号。干涉仪中的两菱形棱镜用于微调两平行光束的间距。He-Ne激光器的功率为20 mW,要求单横模。因采用等光程光学系统,所以对激光器的单纵模要求很低,波长的稳定度为10-6。分束棱镜分出的两平行光束间距为50 mm,不平行度小于4″。透镜2的直径为100mm,焦距为150 mm,消像差。光电倍增管为GDB55型,上升时间为2 ns。作为合作目标的光栅,栅线数为150/mm,栅线间距d的不确定度为1×10-6。