申请/专利权人：西北工业大学

申请日：2019-06-04

公开（公告）日：2021-06-08

公开（公告）号：CN110187145B

主分类号：G01P21/00(20060101)

分类号：G01P21/00(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.06.08#授权;2019.09.24#实质审查的生效;2019.08.30#公开

摘要：本发明涉及一种利用变截面子弹束产生宽脉冲标定加速度计的装置及方法，以四个子弹头组成的子弹束取代原有的子弹头，采用大尺寸整形器。有益效果：由于采用子弹束，且大尺寸整形器，可以保证几组加速度激励脉冲脉宽相同。装配简易可行，对主要决定激励脉冲波形的子弹锥形前端的几何形状进行任意变化，从而满足不同的脉宽和g值要求。利用大尺寸整形器可有效保护标定杆撞击端，并且保证每次撞击产生的激励脉冲脉宽相同，整形器引起的激励脉冲幅值下降可以通过增大子弹材料波阻抗和冲击速度等方式得到弥补。该方法产生的宽脉宽、高幅值的标准计量脉冲同样适用于对各类动态速度传感器和位移传感器动态线性度的精确标定。

主权项：1.一种利用变截面子弹束产生宽脉冲标定加速度计的装置，包括气动发射炮管1、标定杆6、应变片7、真空夹具8、高g值加速度计9、阀门控制器10和气源11；其特征在于还包括取代锥头子弹的子弹束2和取代整形器的大尺寸整形器5；所述子弹束2是将两头带有锥形端部、中间为圆柱形的子弹沿着轴向正交的两个几何对称面进行切割成多个椎体结构，中间的圆柱形部位设有环形弹托3，采用内六角螺栓4固定；所述大尺寸整形器5采用直径28mm、厚度15mm的铝合金垫块；所述子弹束2采用高强度钢；所述多个椎体结构为四个椎体，包括A子弹12、B子弹13、C子弹14和D子弹15；所述A子弹12、B子弹13、C子弹14和D子弹15之间滑动配合。

全文数据：利用变截面子弹束产生宽脉冲标定加速度计的装置及方法技术领域本发明属于宽脉冲标定加速度计的装置及方法，涉及一种利用变截面子弹束产生宽脉冲标定加速度计的装置及方法。基于Hopkinson杆装置，采用变截面的子弹束撞击标定杆，通过改变子弹束中各子弹的装配方式，产生三组或三组以上相同主频、不同幅值的高g值加速度标准计量脉冲，变截面子弹产生的目标脉冲宽度可达到200μs以上，从而在低于加速度计固有频率的更宽频率范围内，实现对高g值加速度计的动态线性度的精确标定。背景技术参照图3，文献1：李玉龙,郭伟国,贾德新,等.高g值加速度传感器校准系统的研究[D].爆炸与冲击,1997,171:90-96,公开了一种利用Hopkinson压杆技术产生压缩应力波，对高g值加速度计灵敏度进行动态校准的技术和方法。该装置包括气动发射炮管1、锥头子弹16、整形器17、标定杆6、应变片7、真空夹具8、高g值加速度计9、阀门控制器10、气源11。在进行高g值加速度计9动态校准时，首先利用真空夹具8将待测高g值加速度计9固定于标定杆6末端，使得高g值加速度计9与标定杆6末端界面接触且不限制高g值加速度计9的横向向后运动。然后，利用锥头子弹16冲击标定杆6产生高g值激励脉冲，波形整形器17在锥头子弹16和标定杆6之间对脉冲波形起到整形和对标定杆端的保护作用。产生的激励脉冲通过标定杆6加载至高g值加速度计9，利用位于标定杆6表面粘贴的两个应变片7记录激励脉冲，根据一维弹性应力波理论和Hopkinson压杆原理，比较应变片7记录的激励脉冲和高g值加速度计9的输出，即可对高g值加速度计9的灵敏度进行精确动态标定。该装置中利用变截面的锥形头子弹配合波形整形器，实现脉宽更宽的加速度计量脉冲，试验中加速度脉宽达到120μs以上，幅值可达到20万g。参照图4，文献2：YuanK,GuoW,SuY,etal.Studyonseveralkeyproblemsinshockcalibrationofhigh-gaccelerometersusingHopkinsonbar[J].SensorsandActuatorsA:Physical,2017,258:1-13在专利：UmedaA.Methodanddeviceformeasuringdynamiclinearityofaccelerationsensor.UnitedStatesPatentUS20050160785A1；2005的基础上，改进子弹发射装置，公开了一种对高g值加速度计动态线性度进行精确标定的方法。该装置包括有气动发射炮管1、沉头螺钉18、外子弹19、内子弹20、标定杆6、应变片7、真空夹具8、高g值加速度计9、阀门控制器10、气源11。该装置中，利用沉头螺钉18固定同轴的外子弹19和内子弹20的相对位置，利用真空夹具8将高g值加速度计9安装在标定杆6末端。进行加速度计动态线性度测试时，第一步：使内子弹20头部靠前于外子弹19头部一定距离，并用沉头螺钉18进行固定，待气源11到预定值，打开阀门控制器10，这时内子弹20头部先于外子弹19撞击标定杆6端部，应变片7和高g值加速度计9分别记录激励脉冲和响应脉冲，得到第一次冲击结果；第二步：使外子弹19头部靠前于内子弹20头部一定距离，并用沉头螺钉18进行固定，待气源11到预定值，打开阀门控制器10，这时外子弹19头部先于内子弹20撞击标定杆6端部，应变片7和高g值加速度计9分别记录激励脉冲和响应脉冲，得到第二次冲击结果；第三步：使内子弹20和外子弹19头部平齐，并用沉头螺钉18进行固定，待气源11到预定值，打开阀门控制器10，这时内子弹20和外子弹19同时撞击标定杆6端部，应变片7和高g值加速度计9分别记录激励脉冲和响应脉冲，得到第三次冲击结果。然后，对应变片7记录的三次激励脉冲进行线性拟合，得到相应的线性拟合参数，并用该线性关系验证高g值加速度计9输出的三组响应脉冲的线性关系，从而标定高g值加速度计9的动态线性度。由于该文献及专利使用平头子弹撞击标定杆6，并且需要保持三次撞击产生相同脉宽的高g值加速度脉冲，未使用波形整形器。因此，试验得到加速度脉冲脉宽均约为25μs，幅值最高可超过40万g。实际上，在对高g值加速度计动态线性度进行标定时，激励脉冲的主频不能过高，即脉宽不能过窄，否则有可能激发待测加速度计的安装固有频率，造成较大的标定误差。目前应用的各类高g值加速度计的固有频率高低不一，较高的可达几十万Hz以上。在对这类高g值加速度计进行动态标定时，具有25μs脉宽的激励脉冲不会引起加速度计安装系统的共振，可正常进行标定。然而，在对较低固有频率的高g值加速度计进行标定时，特别是其安装谐振频率一般会低于加速度计本身的一阶固有频率，就需要更宽脉宽的加速度计量脉冲作为激励脉冲，从而保证动态标定的准确性。同时，实现在不同频率范围内进行高g值加速度计的动态线性度的系统标定，也是加速度计标定技术的一个发展目标。因此，发展产生具有更宽脉宽的标准计量脉冲的加载技术，对用来标定高g值加速度计在较低频率范围内的动态线性度十分必要。若技术要求得到的加速度标准计量脉冲主频小于5000Hz,则要求撞击产生的激励脉冲脉宽大于200μs。为了得到宽脉宽的加速度标准计量脉冲，需要延长撞击产生的应力波的上升沿宽度，使用变截面子弹和波形整形器是两种公认的有效方法。因此，需要在参考图4所示的标定方法的基础上进行改进，发展用于高g值加速度计在较低频率范围内的动态线性度标定的宽脉宽激励脉冲产生技术。发明内容要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种利用变截面子弹束产生宽脉冲标定加速度计的装置及方法。借鉴参考图4的多子弹同时发射的思路，改进其同轴的平头双子弹的几何构型，并配合波形整形器，获得三组或三组以上更宽脉宽的高g值加速度脉冲。1为了获得宽脉宽的加速度脉冲，需要采用变截面子弹和波形整形器，并对子弹的几何形状，以及波形整形器的材料和尺寸进行优化设计；2在使用变截面子弹时，需要保证一次标定中的几组加速度脉冲的脉宽一致，根据应力波幅值和子弹截面积的正相关关系，内外同轴的圆柱筒子弹难以同时满足变截面和同脉宽的设计要求，因此需要重新设计多个子弹的装配方式。该装配方式需要满足以下条件：方便多个变截面子弹同时发射、可自由调节子弹相对位置、可重复多次使用。技术方案一种利用变截面子弹束产生宽脉冲标定加速度计的装置，包括气动发射炮管1、标定杆6、应变片7、真空夹具8、高g值加速度计9、阀门控制器10和气源11；其特征在于还包括取代锥头子弹的中子弹束2和取代整形器的大尺寸整形器5；所述中子弹束2是将带两头带有锥形端部、中间为圆柱形的子弹沿着轴向正交的两个几何对称面进行切割成多个椎体结构，中间的圆柱形部位设有环形弹托3，采用内六角螺栓3固定；所述大尺寸整形器5采用直径28mm、厚度15mm的铝合金垫块。所述多个椎体结构为四个椎体，包括A子弹12、B子弹13、C子弹14和D子弹15；A子弹12、B子弹13、C子弹14和D子弹15。所述A子弹12、B子弹13、C子弹14和D子弹15之间滑动配合。所述子弹束2采用高强度钢。所述环形弹托3采用聚四氟乙烯材料。一种所述任一项利用变截面子弹束产生宽脉冲标定加速度计的装置的测试方法，其特征在于步骤如下：步骤1：子弹束2中的N枚子弹的弹头位置平齐，置于炮管1底部，待气源11到预定值，打开阀门控制器10，这时子弹束2撞击大尺寸整形器5和入射杆6，应变片7记录撞击产生的应变历史，待测高g值加速度计9感知并输出加速度响应脉冲，得到g值最高的第一组的激励及响应数据；步骤3：子弹束2中的任意一个子弹的弹头位置靠前于其他子弹距离为d，将子弹束2置于炮管1底部，待气源11到预定值，打开阀门控制器10，这时子弹束2撞击大尺寸整形器5和入射杆6，应变片7记录撞击产生的应变历史，待测高g值加速度计9感知并输出加速度响应脉冲，得到g值最低的第三组的激励及响应数据；步骤3：使子弹束2中位于对角线上的任意两个子弹的弹头位置靠前于其他子弹的距离为d，将子弹束2置于炮管1底部，待气源11到预定值，打开阀门控制器10，这时子弹束2撞击大尺寸整形器5和入射杆6，应变片7记录撞击产生的应变历史，待测高g值加速度计9感知并输出加速度响应脉冲，得到g值第N高的第N组激励及响应数据；选择子弹束2中子弹的弹头的个数，重复本步骤，得到少于N-2次的激励及响应数据；步骤4：按照动态加速计线性度计算方法，对应变片7记录的N次激励脉冲进行线性拟合，得到响应的拟合参数，并用该线性关系验证高g值加速度计9输出的N组响应脉冲，从而标定高g值加速度计9的动态线性度。有益效果本发明提出的一种利用变截面子弹束产生宽脉冲标定加速度计的装置及方法，以四个子弹头组成的子弹束取代原有的子弹头，采用大尺寸整形器。本发明的有益效果是：1由于采用具有相同几何构型的四枚子弹，且大尺寸整形器对不同数量的任意子弹撞击产生的激励脉冲的脉宽影响相同，因此可以保证几组加速度激励脉冲脉宽相同。2优化设计的三段式变截面子弹束可以在延长激励脉冲脉宽的同时，保证装配简易可行，同时实现子弹在发射和撞击过程中轴线水平，进而对中撞击标定杆。3本发明提出的分段式变截面子弹束的脉冲发生方法可以允许对主要决定激励脉冲波形的子弹锥形前端的几何形状进行任意变化如纺锤形、流线型等，从而满足不同的脉宽和g值要求。同时，本发明中切割为四枚子弹是为了实现三组相同主频的激励脉冲，这种切割方式允许将子弹束切割成更多数量的子弹，同样允许角度不均等的切割，从而实现三组以上的相同主频、不同幅值的激励脉冲。任意的弹头形状和自由的切割方式可以使得到的标准计量脉冲覆盖更宽的脉宽和幅值范围。4利用大尺寸整形器可有效保护标定杆撞击端，并且保证每次撞击产生的激励脉冲脉宽相同，整形器引起的激励脉冲幅值下降可以通过增大子弹材料波阻抗和冲击速度等方式得到弥补。5利用螺栓和弹托对子弹束进行固定的方式，便于调节各个子弹的相对位置，该装置操作简单，重复性好，测试精度高。6该方法同样可采用光测法直接测试标定杆末端位移速度历史，代替应变片测试的应变历史，作为激励脉冲的绝对值，进一步提高测试精度。经试验和数值仿真验证，利用该方法可实现脉宽超过200μs以上的高g值加速度脉冲。7该方法产生的宽脉宽、高幅值的标准计量脉冲同样适用于对各类动态速度传感器和位移传感器动态线性度的精确标定。附图说明图1是本发明的利用变截面子弹束产生宽脉冲标定加速度计动态线性度的装置结构示意图。图2-1是本发明中子弹束装配方法的主视图。图2-2是本发明中所有四枚子弹同时撞击标定杆的装配示意图，其中a和b分别为不同角度视图。图2-3是本发明中对角线两枚子弹首先撞击标定杆的装配示意图，其中a和b分别为不同角度视图。图2-4是本发明中任意一枚子弹首先撞击标定杆的装配示意图，其中a和b分别为不同角度视图。图3是参考文献1提出的基于Hopkinson杆的高g值加速度计动态标定方法示意图。图4是参考文献2提出的利用同轴双子弹进行高g值加速度动态线性度标定方法示意图。图中，1-炮管；2-子弹束；3-弹托；4-内六角螺栓；5-大尺寸整形器；6-标定杆；7-应变片；8-真空夹具；9-高g值加速度计；10-阀门控制器；11-气源；12-A子弹；13-B子弹；14-C子弹；15-D子弹；16-锥头子弹；17-整形器；18-沉头螺钉；19-外子弹；20-内子弹。图2具体实施方式现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：本发明所采用的技术方案是：如图1及2所示，将带两头带有锥形端部、中间为圆柱形的子弹沿着轴向正交的两个几何对称面进行切割，由于切割前子弹为中心对称的变截面子弹，因此切割后的四枚子弹均具有相同的变截面几何特性，从而保证了选用任意个数的任意子弹进行撞击时，产生的激励脉宽具有相同的脉宽和幅值变化特性。同时，为了保护标定杆撞击端部，选用大尺寸的整形器作为保护。根据整形器选用规律，厚度和尺寸偏大的整形器的整形效果较小，因此，当采用不同数量的任意子弹进行撞击时，尺寸过大的整形器带来的整形效果均偏小，可视为相同。采用的变截面子弹束的几何构型主要分为三段：较长的锥形子弹头可以有效地延长撞击产生的应力波上升沿宽度，从而达到增长激励脉冲脉宽的作用；子弹束中部具有一段柱形区，方便子弹的装配固定，并保证子弹在炮管内部发射过程及飞出撞击瞬间轴线保持水平；子弹尾部设置较短的锥形，有利于子弹发射过程中保持前后平衡，同样有助于实现子弹对中撞击标定杆。因此，当同时采用变截面的子弹束和大尺寸整形器时，激励脉宽可有效增长，并且能够保证一次标定中多组激励脉冲具有相同的脉宽。对此，本发明采用的具体装置如图1所示。利用真空夹具8将高g值加速度计9固定于标定杆6杆端，标定杆6上粘贴用于记录激励脉冲的应变片7，将大尺寸整形器5粘贴在标定杆6撞击端，利用阀门控制器10控制气源11发射子弹束2。图1和2中子弹束2包含四枚相同几何构型的变截面子弹子弹A12，子弹B13，子弹C14和子弹D15，利用内六角螺栓4紧紧地将弹托3固定在子弹束2外围，使子弹束2在发射过程中保持四枚子弹的相对装配位置不变。以四个子弹束为例：参照图1，本发明采用一根直径30mm长度1200mm钛合金杆作为标定杆6，粗糙度为0.8，且同轴度和直线度控制在每米0.05mm偏差内。利用真空夹具8将待测的高g值加速度计9固定在标定杆6杆端同轴线位置，在标定杆6上距离杆端600mm处粘贴120欧姆应变片7两个；采用内径45mm长度1000mm的不锈钢管作为炮管1，管内壁经研磨抛光，同轴度和直线度控制在每米0.05mm偏差内。将炮管1和标定杆6安装调整在同一轴心线上，在炮管1后部连接一个进出口口径45mm的手动快速响应的阀门控制器10，然后将阀门控制器10用内径为45mm的金属管和一个气室连接作为气源11，耐压1MPa。大尺寸整形器5采用直径28mm、厚度15mm的铝合金垫块。参照图2，子弹束2采用高强度钢，不同子弹之间滑动配合，最大外径28mm，总长度100mm，将两弹体装配位置按照要求用内六角螺栓4和聚四氟乙烯材料的弹托3箍紧，放入炮管1后，当气源11压力到预定值，打开阀门控制器10，子弹束2被发射实现撞击。在进行子弹的错位装配时，位置靠前的子弹和位置靠后的子弹之间的距离可通过子弹撞击速度和目标脉宽的乘积进行预估，假设子弹冲击速度为40ms,目标计量脉冲的脉宽应力波上升沿宽度为200μs，则前后子弹错位距离应大于0.8cm。测试步骤：第一步：见图2-2，保持子弹束2中的四枚子弹子弹A12，子弹B13，子弹C14和子弹D15弹头位置平齐，置于炮管1底部，待气源11到预定值，打开阀门控制器10，这时子弹束2撞击大尺寸整形器5和入射杆6，应变片7记录撞击产生的应变历史，待测高g值加速度计9感知并输出加速度响应脉冲，得到第一组g值最高的激励及响应数据；第二步：见图2-3，使子弹束2中位于对角线上的任意两个子弹如子弹A12和子弹C14的弹头位置靠前于其他子弹如子弹B13和子弹D15一定距离d，将子弹束2置于炮管1底部，待气源11到预定值，打开阀门控制器10，这时子弹束2撞击大尺寸整形器5和入射杆6，应变片7记录撞击产生的应变历史，待测高g值加速度计9感知并输出加速度响应脉冲，得到第二组g值第二高的激励及响应数据；第三步：见图2-4，使子弹束2中的任意子弹如子弹C14的弹头位置靠前于其他子弹如子弹A12、子弹B13和子弹D15一定距离d，将子弹束2置于炮管1底部，待气源11到预定值，打开阀门控制器10，这时子弹束2撞击大尺寸整形器5和入射杆6，应变片7记录撞击产生的应变历史，待测高g值加速度计9感知并输出加速度响应脉冲，得到第三组g值最低的激励及响应数据；第四步：按照动态加速计线性度计算方法，对应变片7记录的三次激励脉冲进行线性拟合，得到响应的拟合参数，并用该线性关系验证高g值加速度计9输出的三组响应脉冲，从而标定高g值加速度计9的动态线性度。

权利要求：1.一种利用变截面子弹束产生宽脉冲标定加速度计的装置，包括气动发射炮管1、标定杆6、应变片7、真空夹具8、高g值加速度计9、阀门控制器10和气源11；其特征在于还包括取代锥头子弹的中子弹束2和取代整形器的大尺寸整形器5；所述中子弹束2是将带两头带有锥形端部、中间为圆柱形的子弹沿着轴向正交的两个几何对称面进行切割成多个椎体结构，中间的圆柱形部位设有环形弹托3，采用内六角螺栓3固定；所述大尺寸整形器5采用直径28mm、厚度15mm的铝合金垫块。2.根据权利要求1所述利用变截面子弹束产生宽脉冲标定加速度计的装置，其特征在于：所述多个椎体结构为四个椎体，包括A子弹12、B子弹13、C子弹14和D子弹15；A子弹12、B子弹13、C子弹14和D子弹15。3.根据权利要求1所述利用变截面子弹束产生宽脉冲标定加速度计的装置，其特征在于：所述A子弹12、B子弹13、C子弹14和D子弹15之间滑动配合。4.根据权利要求1或2所述利用变截面子弹束产生宽脉冲标定加速度计的装置，其特征在于：所述子弹束2采用高强度钢。5.根据权利要求1所述利用变截面子弹束产生宽脉冲标定加速度计的装置，其特征在于：所述环形弹托3采用聚四氟乙烯材料。6.一种权利要求1～3所述任一项利用变截面子弹束产生宽脉冲标定加速度计的装置的测试方法，其特征在于步骤如下：步骤1：子弹束2中的N枚子弹的弹头位置平齐，置于炮管1底部，待气源11到预定值，打开阀门控制器10，这时子弹束2撞击大尺寸整形器5和入射杆6，应变片7记录撞击产生的应变历史，待测高g值加速度计9感知并输出加速度响应脉冲，得到g值最高的第一组的激励及响应数据；步骤3：子弹束2中的任意一个子弹的弹头位置靠前于其他子弹距离为d，将子弹束2置于炮管1底部，待气源11到预定值，打开阀门控制器10，这时子弹束2撞击大尺寸整形器5和入射杆6，应变片7记录撞击产生的应变历史，待测高g值加速度计9感知并输出加速度响应脉冲，得到g值最低的第三组的激励及响应数据；步骤3：使子弹束2中位于对角线上的任意两个子弹的弹头位置靠前于其他子弹的距离为d，将子弹束2置于炮管1底部，待气源11到预定值，打开阀门控制器10，这时子弹束2撞击大尺寸整形器5和入射杆6，应变片7记录撞击产生的应变历史，待测高g值加速度计9感知并输出加速度响应脉冲，得到g值第N高的第N组激励及响应数据；选择子弹束2中子弹的弹头的个数，重复本步骤，得到少于N-2次的激励及响应数据；步骤4：按照动态加速计线性度计算方法，对应变片7记录的N次激励脉冲进行线性拟合，得到响应的拟合参数，并用该线性关系验证高g值加速度计9输出的N组响应脉冲，从而标定高g值加速度计9的动态线性度。

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