CN108401559B - 基于霍普金森杆的三轴高冲击传感器校准转接装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于霍普金森杆的三轴高冲击传感器校准转接装置，属于武器测试技术领域。具体包括实现Z轴冲击灵敏度和X轴、Y轴横向灵敏度校准的Z向砧体校准转接装置，以及XY向砧体校准转接装置，实现Y轴冲击灵敏度和X轴、Z轴横向灵敏度的校准，或者X轴冲击灵敏度和Y轴、Z轴横向灵敏度的校准；应用于霍普金森杆高冲击加速度传感器校准实验，两种传感器校准转接装置共同完成对被校高冲击三维MEMS加速度传感器的三轴向冲击灵敏度和三轴横向灵敏度校准；能够准确得到高冲击三维MEMS加速度传感器的各轴向响应和横向响应的关系；具有抗强冲击、抗高过载等优点。

Description

基于霍普金森杆的三轴高冲击传感器校准转接装置

技术领域

本发明涉及基于霍普金森杆的三轴高冲击传感器校准转接装置，属于武器测试技术领域。

背景技术

随着高新技术的快速发展及其在军事领域的广泛应用，利用精确制导武器对战场内重要军事目标、经济目标和其它具有战略潜力的目标进行重点打击和破坏，是高技术局部战争的一大特点。由于钻地***对目标的冲击破坏效应巨大，因此大力发展各种硬目标侵彻武器，特别是深钻地武器，是提高武器威力的重要技术之一。硬目标侵彻武器钻地试验研究中，了解弹体与目标相互作用过程冲击动力特性，对于武器弹药的研制具有十分重要的意义，因此侵彻过程中目标结构动态响应参数和弹体结构动态响应参数的测量非常重要，它能为钻地武器侵彻机理、钻地武器侵彻性能、侵彻弹药设计以及防护结构、防护材料等方面的研究提供重要的数据。能够同时测量三个方向加速度的抗高过载的高冲击三维MEMS加速度传感器是实现这些动态参数测试的最为关键的环节之一。

对新研制的高冲击三维MEMS加速度传感器进行校准也是硬目标侵彻武器高冲击试验和高过载三轴传感器技术研究的主要内容之一，它主要解决在高冲击过载条件下三轴加速度传感器的冲击灵敏度和线性度校准问题。对新研制的高冲击三维MEMS加速度传感器必须进行全面的性能的测试和校准，通过测试和校准的数据来确定其量值测试范围、准确程度，看它能否满足硬目标侵彻高冲击实验的要求。一个好的传感器校准方法和校准装置是传感器正确使用的前提条件，也是正确评价传感器测试数据的依据，没有有效的校准方法和校准装置，将无法评价实验和测试数据的正确性和准确性。

现有高冲击加速度传感器校准技术中主要针对单轴高冲击加速度传感器的敏感轴向进行灵敏度校准，没有专门针对高冲击三维MEMS加速度传感器敏感轴向和横向的灵敏度同时进行校准的装置和校准方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术不能对高冲击三维MEMS加速度传感器的横向和敏感轴向冲击灵敏度同时进行校准的缺点，提出基于霍普金森杆的高冲击三维MEMS加速度传感器的校准转接装置。

本发明设计出两种传感器校准转接装置：Z向砧体校准转接装置、XY向砧体校准转接装置。

1.Z向砧体校准转接装置为三轴高冲击加速度传感器主轴(Z轴)冲击灵敏度和两轴(X轴、Y轴)横向灵敏度的校准转接装置；采用高强度、低密度材料利用常规机械加工手段加工而成，包括夹持轴、承载轴、约束孔、Z向安装平面、安装孔；其形状为两个直径不同的圆柱体同轴叠加的结构。

Z向砧体校准转接装置上距离霍普金森杆冲击端最近的一侧圆柱体为夹持轴，其直径大小和霍普金森杆末端的真空夹具相同，圆柱面和真空夹具紧密贴合，通过负压作用被吸合在霍普金森杆的冲击端上。

叠加在夹持轴上的圆柱体为承载轴，是承载加速度传感器和传递激励的实体部分；承载轴外径尺寸大于传感器壳体基座最大外接圆直径。

约束孔位于夹持轴上，为一圆柱体通孔，其中心轴线与夹持轴的圆柱体中心轴线正交垂直；约束孔内穿有钢线，实现对Z向砧体传感器校准转接装置和被校传感器的缓冲和约束。

承载轴上表面为Z向安装平面，为传感器提供支撑和定位，其上沿径向制作两个相对圆心对称的螺纹安装孔，用于固定被校传感器。螺纹孔径比壳体基座的安装孔径略小，螺纹孔距和壳体基座上的安装孔距相同；子弹高速碰撞霍普金森杆产生的应力波，沿着霍普金森杆由一端传递到传感器安装的末端，并传递到加速度传感器上。

本发明所述的Z向砧体校准转接装置的工作过程为：将一支被校传感器放在Z向砧体校准转接装置中的Z轴安装平面上，使用联接螺钉通过Z轴安装孔将传感器固定，然后安装于霍普金森杆校准测试台架上。当强冲击的应变脉冲传至Z向砧体校准转接装置与被校传感器的界面时，根据一维应力波理论，得出界面质点的速度。由于被校传感器与Z向砧体校准转接装置紧密相贴，被校传感器感受到的速度、加速度与其界面质点速度、加速度相等。理论计算可确定被校传感器受到的Z轴向加速度值和X轴、Y轴横向加速度值。本发明的Z向砧体校准转接装置可同时完成一支传感器Z轴向灵敏度、X轴、Y轴横向灵敏度的校准。

2.XY向砧体校准转接装置与Z向砧体校准转接装置的材料相同，适用于Y轴冲击灵敏度和两轴(X轴、Z轴)横向灵敏度的校准，或者X轴冲击灵敏度和两轴(Y轴、Z轴)横向灵敏度的校准；包括夹持轴、承载立块、约束孔、XY向安装平面、安装孔。

XY向砧体夹持轴位于XY向砧体校准转接装置上距离霍普金森杆冲击端最近的一侧，为一圆柱体，其直径大小和霍普金森杆末端的真空夹具相同，圆柱面和真空夹具紧密贴合，通过负压作用被吸合在霍普金森杆的冲击端上。

XY向砧体承载立块垂直位于夹持轴上方、圆柱体轴向一侧，为一截面是弓形的半圆柱体，是承载加速度传感器和传递激励的实体部分；其截面弓形弦长度大于传感器壳体基座的长度，半圆柱体下底面外缘位于夹持轴外圆之外。半圆柱体高度大于传感器壳体基座长度。

承载立块的半圆柱体直立平面为XY向安装平面，为传感器提供支撑和定位，将霍普金森杆激励产生的应力波传递到加速度传感器上。

XY向安装平面上制作两对贯穿承载立块的螺纹安装孔，分别为X轴安装孔和Y轴安装孔，用于固定被校传感器；螺纹孔径比壳体基座的安装孔径略小，Y轴安装孔所在直线垂直于夹持轴的轴线，X轴安装孔所在直线平行于夹持轴的轴线。Y轴安装孔的间距、X轴安装孔的间距和壳体基座上的安装孔距相同。两对孔的位置保证传感器安装后，下表面紧贴夹持轴上表面。

本发明所述的XY向砧体校准转接装置的工作过程为：将一支被校传感器放在XY向砧体校准转接装置中的XY向安装平面上，使用联接螺钉通过Y轴安装孔将传感器固定，然后安装于霍普金森杆校准测试台架上。当强冲击的应变脉冲传至XY向砧体校准转接装置与被校传感器的界面时，根据一维应力波理论，得出界面质点的速度。由于被校传感器与XY向砧体校准转接装置紧密相贴，被校传感器感受到的速度、加速度与其界面质点速度、加速度相等。理论计算可确定被校传感器受到的Y轴向加速度值和X轴、Z轴横向加速度值。本发明的XY向砧体校准转接装置可同时完成一支传感器Y轴向灵敏度、X轴、Z轴横向灵敏度的校准。若使用联接螺钉通过X轴安装孔将传感器固定在XY向安装平面，则能够完成一支传感器X轴向灵敏度、Y轴、Z轴横向灵敏度的校准。

两种传感器校准转接装置共同完成对被校高冲击三维MEMS加速度传感器的三轴向冲击灵敏度和三轴横向灵敏度校准；应用于霍普金森杆高冲击加速度传感器校准实验，既可用于进行高冲击三维加速度传感器的冲击灵敏度和横向灵敏度冲击校准，也可用于高冲击单维或者两维加速度传感器的冲击灵敏度和横向灵敏度冲击校准。

有益效果

本发明是一种新型的高冲击三维MEMS加速度传感器的校准方法及校准转接装置，解决了现有技术中没有对高冲击三维MEMS加速度传感器的横向灵敏度、冲击灵敏度同时进行校准的方法和装置的问题；能够准确得到高冲击三维MEMS加速度传感器的各轴向响应和横向响应的关系；具有抗强冲击、抗高过载等优点，在武器装备高冲击试验与高过载传感器校准领域，对硬目标侵彻武器高冲击试验和高过载传感器技术研究具有重要意义，对于武器弹药的研制都具有十分重要的意义。

附图说明

图1为具体实施方式中的高冲击三维MEMS加速度传感器的霍普金森杆校准方法的流程图；

图2为本发明的Z向砧体校准转接装置的结构示意图；其中(a)为立体结构示意图，(b)为结构剖视图；

图3为本发明的XY向砧体校准转接装置的结构示意图；其中(a)为立体结构示意图，(b)为结构剖视图；

图4为具体实施方式中的X向砧体校准转接装置的结构示意图；其中(a)为立体结构示意图，(b)为结构剖视图；

图5为本发明的Z向砧体校准转接装置与被校传感器安装结构示意图；

图6(a)为本发明的XY向砧体校准转接装置与被校传感器X向安装结构示意图；(b)为本发明的XY向砧体校准转接装置与被校传感器Y向安装结构示意图；

图7为具体实施方式中的X向砧体校准转接装置与被校传感器安装结构示意图；

图8为具体实施方式中霍普金森杆高冲击***示意图。

标号说明

1-Z向砧体校准转接装置、2-XY向砧体校准转接装置、3-X向砧体校准转接装置、4-被校高冲击三维MEMS加速度传感器、5-Z向砧体夹持轴、6-Z向砧体约束孔、7-Z向砧体承载轴、8-Z向安装平面、9-Z向砧体安装孔、10-XY向砧体夹持轴、11-XY向砧体约束孔、12-XY向安装平面、13-XY向砧体安装孔、14-XY向砧体承载立块、15-X向砧体夹持轴、16-X向砧体约束孔、17-X向安装平面、18-X向砧体安装孔、19-X向砧体承载立块、20-枪膛、21-弹体、22-霍普金森杆、23-应变片、24-冲击端。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例来对本发明内容作进一步说明。

本发明设计出两种传感器校准转接装置：Z向砧体校准转接装置，XY向砧体校准转接装置。两种传感器校准转接装置共同完成对被校高冲击三维MEMS加速度传感器的三轴向冲击灵敏度和三轴横向灵敏度校准。本实施例还提出一种X向砧体校准转接装置；三种传感器校准转接装置应用于霍普金森杆高冲击加速度传感器校准实验，既可用于进行高冲击三维加速度传感器的冲击灵敏度和横向灵敏度冲击校准，也可用于高冲击单维或者两维加速度传感器的冲击灵敏度和横向灵敏度冲击校准。

如图2所示，本实施例的Z向砧体校准转接装置1为一圆柱体结构，此结构为依据霍普金森杆冲击端所设计的配套结构，利用常规机械加工手段在其上加工出夹持轴5、承载轴7、约束孔6、Z向安装平面8、安装孔9；由钛合金材料或者不锈钢材料加工而成；

Z向砧体校准转接装置为三轴高冲击加速度传感器主轴(Z轴)冲击灵敏度和两轴(X轴、Y轴)横向灵敏度的校准转接装置；

夹持轴5位于Z向砧体校准转接装置1上距离霍普金森杆冲击端最近的一侧，为一圆柱体，其直径大小和霍普金森杆末端的真空夹具相同，圆柱面和真空夹具紧密贴合，通过负压作用被吸合在霍普金森杆的冲击端上；夹持轴高度约为10-15mm；

承载轴7和夹持轴5相邻，为一圆柱体，是承载加速度传感器和传递激励的实体部分；为了减轻重量以实现在校准实验中获得更大的加速度，可将与夹持轴相切、平行于前后对称面的两个平行平面外的部分切除；承载轴7轴心位于Z向砧体1的圆柱体中心轴上，外径尺寸为大于传感器壳体基座最大外接圆直径的最小整数，高度约为10-15mm；

约束孔6为一前后贯穿的圆柱体通孔，轴线距离夹持轴圆端面6-9mm，约束孔直径2-5mm，约束孔6内穿有钢线，实现对Z向砧体传感器校准转接装置1和被校传感器的缓冲和约束；

Z向安装平面8位于承载轴7上远离霍普金森杆冲击端的一侧，与Z向砧体中心轴线垂直；其为传感器提供支撑和定位，将霍普金森杆激励产生的应力波传递到加速度传感器上。

安装孔9用于固定被校传感器，为一对关于Z向砧体中心轴对称的螺纹安装孔，孔轴平行于Z向砧体1圆柱体中心轴线，孔口位于Z向砧体1的Z向安装平面8上，螺纹孔径比壳体基座的安装孔径略小，螺纹孔距和壳体基座上的安装孔距相同；螺纹孔最深点距离承载轴7和夹持轴5的公共面1-3mm；

如图3所示，XY向砧体校准转接装置2为一圆柱体结构，此结构为依据霍普金森杆冲击端所设计的配套结构，利用常规机械加工手段在其上加工出夹持轴10、承载立块14、约束孔11、XY向安装平面12、安装孔13；XY向砧体校准转接装置由钛合金材料或者不锈钢材料加工而成；

XY向砧体校准转接装置2为三轴高冲击加速度传感器Y轴冲击灵敏度和两轴(X轴、Z轴)横向灵敏度的校准转接装置；也是适用于代替X向砧体校准转接装置3完成三轴高冲击加速度传感器X轴冲击灵敏度和两轴(Y轴、Z轴)横向灵敏度的校准的装置；

夹持轴10位于XY向砧体校准转接装置2上距离霍普金森杆冲击端最近的一侧，为一圆柱体，其直径大小和霍普金森杆末端的真空夹具相同，圆柱面和真空夹具紧密贴合，通过负压作用被吸合在霍普金森杆的冲击端上；其中心轴线与XY向砧体校准转接装置2的圆柱体中心轴线重合；夹持轴高度约为10-15mm；

承载立块14和夹持轴10相邻，为一截面是弓形的圆柱体，是承载加速度传感器和传递激励的实体部分；其截面弓形弦长度大于传感器壳体基座的长度尺寸，为了减轻重量以实现在校准实验中获得更大的加速度，可将与夹持轴10相切、平行于前后对称面的平面外的部分切除；弓形弦高或厚度为5-8mm，承载立块14外径尺寸比夹持轴10外径大3-5mm，高度比传感器壳体基座长度大5-10mm；

约束孔11位于XY向砧体校准转接装置2上距离高冲击***冲击端最近的一侧，为一前后贯穿的圆柱体通孔，其中心轴线不仅与XY向砧体校准转接装置2的圆柱体中心轴线正交垂直，而且与前后对称平面垂直；约束孔11轴线距离夹持轴10圆端面6-9mm，约束孔11直径2-5mm，XY向砧体约束孔11内穿有钢线，可以实现对XY向砧体传感器校准转接装置2和被校传感器的缓冲和约束；约束孔11孔口处被加工成圆角，保护钢线在高冲击下不被棱边锐角割裂，提高缓冲的可靠性；

XY向安装平面12垂直位于承载立块14上，为传感器提供支撑和定位，将霍普金森杆激励产生的应力波传递到加速度传感器上。

XY向砧体校准转接装置2的安装孔13用于固定被校传感器，为两对螺纹安装孔，孔口位于XY向安装平面12上，从前往后贯穿，螺纹孔径比壳体基座的安装孔径略小，Y向安装孔轴沿着XY向砧体2中心轴线方向布设，其中一孔轴线到夹持轴10和承载立块14的公共面的距离和另一孔轴线到承载立块14顶面的距离相同，并且两孔间距和壳体基座上的安装孔距相同；X向安装孔轴沿着和XY向砧体2中心轴线垂直的方向布设，它们距离承载立块14顶面的距离为承载立块14高度的一半；

如图4所示，X向砧体校准转接装置3为一圆柱体结构，此结构为依据霍普金森杆冲击端所设计的配套结构，利用常规机械加工手段在其上加工出夹持轴15、承载立块19、约束孔16、X向安装平面17、安装孔18；X向砧体校准转接装置3由钛合金材料或者不锈钢材料加工而成；

X向砧体校准转接装置为三轴高冲击加速度传感器X轴冲击灵敏度和两轴(Y轴、Z轴)横向灵敏度的校准转接装置；

夹持轴15位于X向砧体校准转接装置3上距离霍普金森杆冲击端最近的一侧，为一圆柱体，其直径大小和霍普金森杆末端的真空夹具相同，圆柱面和真空夹具紧密贴合，通过负压作用被吸合在霍普金森杆的冲击端上；其中心轴线与X向砧体校准转接装置3的圆柱体中心轴线重合；夹持轴15高度约为10-15mm；

承载立块19和夹持轴15相邻，为一截面是弓形的圆柱体，是承载加速度传感器和传递激励的实体部分；其截面弓形弦长度大于传感器壳体基座的长度尺寸，为了减轻重量以实现在校准实验中获得更大的加速度，可将与夹持轴15相切、平行于前后对称面的平面外的部分切除；弓形弦高或厚度为5-8mm，承载立块19外径尺寸比夹持轴15外径大3-5mm，高度比传感器壳体基座宽度大5-10mm；

约束孔16位于X向砧体校准转接装置3上距离高冲击***冲击端最近的一侧，为一前后贯穿的圆柱体通孔，其中心轴线不仅与X向砧体校准转接装置3的圆柱体中心轴线正交垂直，而且与前后对称平面垂直；约束孔16轴线距离夹持轴15圆端面6-9mm，约束孔16直径2-5mm，X向砧体3的约束孔16内穿有钢线，可以实现对X向砧体校准转接装置3和被校传感器的缓冲和约束；约束孔16孔口处被加工成圆角，保护钢线在高冲击下不被棱边锐角割裂，提高缓冲的可靠性；

X向安装平面17位于承载立块19上，是通过承载立块19弓形截面的弦线、并且与X向砧体3圆柱中心轴线平行的平面；其为传感器提供支撑和定位，将霍普金森杆激励产生的应力波传递到加速度传感器上。

安装孔18用于固定被校传感器，为一对螺纹安装孔，孔轴垂直于X向砧体3圆柱体中心轴线，孔口位于X向安装平面17上，从前往后贯穿，螺纹孔径比壳体基座的安装孔径略小，孔轴沿着和X向砧体3中心轴线垂直的方向布设，它和承载立块19顶面的距离为承载立块19高度的一半；通过两安装孔18轴的平面为X向砧体的左右对称面，通过X向砧体3的中心轴线且平行于X向安装平面18的平面为X向砧体3的前后对称面；

如图5，6，7所示，将被校传感器4装入Z向砧体校准转接装置1的Z向安装平面8上，可以进行Z轴灵敏度和X轴、Y轴横向灵敏度校准；将被校传感器4装入XY向砧体校准转接装置2的Y向安装孔13内，可以进行Y轴灵敏度和X轴、Z轴的横向灵敏度校准；将被校传感器4装在X向砧体校准转接装置3的X向安装孔18内，可以进行X轴灵敏度和Y轴、Z轴横向灵敏度校准；如图6(a)所示，XY向砧体校准转接装置也可代替X向砧体校准转接装置使用，即将被校传感器4装入XY向砧体校准转接装置2上垂直于其中心轴线方向的一对安装孔13内，进行X轴冲击灵敏度和Y轴、Z轴横向灵敏度的校准；

通过依次使用三种传感器校准转接装置进行霍普金森杆校准实验，便可得到被校三轴加速度传感器的三个轴向的冲击灵敏度和三轴中每个轴的两个横向灵敏度，得到其各自的线性校准曲线，计算出线性度和横向灵敏度比。

图8为霍普金森杆高冲击校准***，该校准***由霍普金森杆、测速***、数据采集处理***组成。霍普金森杆完成对被校传感器的冲击加速度激励，测速***和数据采集***完成校准测试数据的拾取，数据处理部分完成校准数据处理。

与霍普金森杆冲击端相连的有应变测试***和数据采集***。采用应变仪和放大器组成的应变测试***将传感器的应变信号转换成微弱电压信号，再由放大器对微弱信号进行放大成为可识别信号；采用多通道数字存储示波器，也可以采用VXI或NI虚拟仪器数采***，实现对测试信号的高速采样与存储，以供后续数据处理，进而实现对高冲击三维MEMS加速度传感器灵敏度校准的功能。

霍普金森杆高冲击校准采用速度改变法原理。它是使被校加速度传感器承受机械冲击脉冲的作用，然后测量由冲击造成的传感器速度变化ΔV。把加速度传感器的输出量进行积分得A，用下式确定加速度计的冲击灵敏度S。

S＝KA/ΔV

其中K为与放大器设置有关的系数。

本实施例中校准***各组成部分的连接关系为：将安装有被校传感器的传感器校准转接装置，安装于霍普金森杆高冲击校准***的碰撞激励体系中，将所述传感器的三路信号线都与恒压激励输入端和应变测试***输入端连接好，再将应变测试***的输出端与多通道数字存储示波器输入端相连，或者与VXI或NI虚拟仪器等数据采集***输入端相连。

将安装有被校传感器的传感器校准转接装置24，安装于霍普金森杆高冲击***的冲击端，将传感器的信号线分别与恒压激励输入端和应变测试***输入端连接，再将应变测试***的输出端与多通道数字存储示波器输入端相连，或者与VXI或NI虚拟仪器等数据采集***输入端相连；将弹体21以某一速度从枪膛20中发射后同轴撞击到与霍普金森杆22的输入端相贴的垫片上，霍普金森杆22中将产生一个近似于半正弦的压应变脉冲，压应变脉冲随后沿导霍普金森杆22纵向传播，在霍普金森杆22中央的应变片23即可以测得此应变脉冲。当应变脉冲传至多传感器校准结构与传感器的界面时，根据一维应力波理论，就可以得出界面质点的速度。由于被校传感器、传感器校准转接装置24与霍普金森杆22紧密相贴，加速度传感器感受到的速度、加速度与其界面质点速度、加速度相等，理论计算可确定加速度传感器受到的沿霍普金森杆22的轴向的加速度值。如果加速度传感器的敏感轴向与霍普金森杆22的轴向一致，则根据加速度传感器的输出，可以确定传感器的轴向冲击灵敏度。如果加速度传感器横向安装，其横向与霍普金森杆22的轴向一致，则根据加速度传感器的输出，可以确定传感器的横向灵敏度。

改变本实施例的传感器校准转接装置的外形，本发明还可以应用到不同的高冲击单维、两维或三维MEMS加速度传感器的高冲击校准***中。

图1为本实施例的高冲击三维MEMS加速度传感器的校准方法的流程图。通过图中所述步骤的试验，可以校准一支高冲击三维MEMS加速度传感器的三轴向冲击灵敏度、三轴横向灵敏度和线性度，计算出三轴横向灵敏度比。

本实施方式的高冲击三维MEMS加速度传感器校准方法，具体试验过程如下：

步骤1，在霍普金森杆22的中部粘贴两支应变片23，进行高冲击加速度激励的输入应变测量，以获得输入冲击加速度。

步骤2，进行应变仪和放大器的预热和自校准。

步骤3，将超动态应变仪和霍普金森杆校准测试***相连，构成校准用测试台；

步骤4，将一支被校高冲击三维MEMS加速度传感器安装于Z向砧体校准转接装置1上，再将两者的装配体安装于霍普金森杆末端的真空夹具上，检查传感器线路保护，根据脉宽和峰值加速度大小，对Z向砧体缓冲槽10安装不同厚度的羊毛砧缓冲垫；将传感器的三路引线和动态应变仪三个通道分别相连，使用动态应变仪将三路电桥自动平衡；对传感器的主轴(Z轴)冲击灵敏度，以及传感器的两个横向轴(X、Y轴)进行横向灵敏度校准；通过霍普金森杆产生高g值加速度激励，利用校准测试***对试验数据进行测量、分析和处理，分别得到被校传感器的主轴向加速度大小、方向，和被校传感器的两个横向轴的加速度大小、方向测量结果，并将其保存；

步骤5，重复步骤2的实验n次，每次在前一次的基础上霍普金森杆激励力，使得加速度传感器受到的冲击峰值加速度增大。每次增大的峰值加速度值一样，最后一次实验的峰值加速度值不小于传感器的设计量程。

步骤6，将步骤2的被校加速度传感4器拆下，安装于Y向砧体校准转接装置2上，再将两者的装配体安装于霍普金森杆末端的真空夹具上，检查传感器线路保护，根据脉宽和峰值加速度大小，对Y向砧体缓冲槽17安装不同厚度的羊毛砧缓冲垫；将传感器的三路引线和动态应变仪三个通道分别相连，使用动态应变仪将三路电桥自动平衡；对传感器的第二横轴(Y轴)冲击灵敏度，以及传感器的主轴和第一横轴(Z、X轴)进行横向灵敏度校准；通过霍普金森杆产生高g值加速度激励，利用校准测试***对试验数据进行测量、分析和处理，分别得到被校传感器的Y轴向加速度大小、方向，和被校传感器的X、Z轴的加速度大小、方向测量结果，并将其保存；

步骤7，重复步骤4的实验n次，每次加速度传感器受到的冲击峰值加速度值均与步骤3所述的相应次数时的取值相同。

步骤8，将步骤4的被校加速度传感器4拆下，安装于X向砧体校准转接装置3上，再将两者的装配体安装于霍普金森杆末端的真空夹具上，检查传感器线路保护，根据脉宽和峰值加速度大小，对X向砧体缓冲槽24安装不同厚度的羊毛砧缓冲垫；将传感器的三路引线和动态应变仪三个通道分别相连，使用动态应变仪将三路电桥自动平衡；对传感器的第一横轴(X轴)冲击灵敏度，以及传感器的主轴和第二横轴(Z、Y轴)进行横向灵敏度校准；通过霍普金森杆产生高g值加速度激励，利用校准测试***对试验数据进行测量、分析和处理，分别得到被校传感器的X轴向加速度大小、方向，和被校传感器的Y、Z轴的加速度大小、方向测量结果，并将其保存；

步骤9，重复步骤6五次，每次在前一次的基础上增大霍普金森杆激励压力，使得加速度传感器4受到的冲击峰值加速度增大约由霍普金森杆激励可达的最大加速度的20％，其峰值加速度依次加载到大致为2万g，4万g，6万g，8万g，10万g；

步骤10，重复步骤2-7三轮，每轮做十五次实验，共45次，每次在实验前都需要检查传感器4是否正常，线路保护是否做好，校准测试***是否在待采集状态，动态应变仪状态是否正常；

步骤11，将上述步骤中保存的被校传感器的多组各轴向加速度大小和方向试验数据输出，进行数据分析和处理。具体过程如下：

步骤11.1，绘制出X、Y、Z轴的加速度曲线，计算出X、Y、Z轴分别作为一个敏感轴和两个横向轴的冲击加速度峰值，然后得到冲击加速度峰值与传感器输出电压拟合直线的斜率K_XX、K_XZ、K_XY、K_YZ、K_YX、K_YY、K_ZZ、K_ZY、K_ZX。其中K_XX表示以X轴为主轴进行高冲击试验时，由X轴向加速度测试芯片的测量值拟合出的X轴向传感器芯片测量值的直线斜率，K_XZ表示以X轴为主轴进行高冲击试验时，由Z轴向加速度测试芯片的测量值拟合出的Z轴向传感器芯片测量值的直线斜率，K_XY表示以X轴为主轴进行高冲击试验时，由Y轴向加速度测试芯片的测量值拟合出的Y轴向传感器芯片测量值的直线斜率；K_YY表示以Y轴为主轴进行高冲击试验时，由Y轴向加速度测试芯片的测量值拟合出的Y轴向传感器芯片测量值的直线斜率，K_YZ表示以Y轴为主轴进行高冲击试验时，由Z轴向加速度测试芯片的测量值拟合出的Z轴向传感器芯片测量值的直线斜率，K_YX表示以Y轴为主轴进行高冲击试验时，由X轴向加速度测试芯片的测量值拟合出的X轴向传感器芯片测量值的直线斜率；K_ZZ表示以Z轴为主轴进行高冲击试验时，由Z轴向加速度测试芯片的测量值拟合出的Z轴向传感器芯片测量值的直线斜率，K_ZX表示以Z轴为主轴进行高冲击试验时，由X轴向加速度测试芯片的测量值拟合出的X轴向传感器芯片测量值的直线斜率，K_ZY表示以Z轴为主轴进行高冲击试验时，由Y轴向加速度测试芯片的测量值拟合出的Y轴向传感器芯片测量值的直线斜率。

根据冲击加速度峰值与传感器输出电压拟合直线，采用端基直线法计算得到以X轴为主轴时，X轴向传感器芯片测量值的线性度A_XX，以Y轴为主轴时，Y轴向传感器芯片测量值的线性度A_YY，以及以Z轴为主轴时，Z轴向传感器芯片测量值的线性度A_ZZ。

步骤11.2，取六个横向灵敏度比值：分别作为评价X、Y、Z轴横向灵敏度指标。将K_XX、K_YY、K_ZZ作为X、Y、Z轴为敏感轴向的冲击灵敏度指标。同时，将实验过程中得到的最大加速度峰值作为被校传感器的量程。典型校准如表1所示。

将九个灵敏度指标、传感器量程以及步骤9.1得到的三个线性度作为判断传感器性能的依据。

表1 霍普金森杆高冲击试验典型数据

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于霍普金森杆的三轴高冲击传感器校准转接装置，其特征在于：包括Z向砧体校准转接装置、XY向砧体校准转接装置；

所述Z向砧体校准转接装置包括夹持轴、承载轴、约束孔、Z向安装平面、安装孔；其形状为两个直径不同的圆柱体同轴叠加的结构；

Z向砧体校准转接装置上距离霍普金森杆冲击端最近的一侧圆柱体为夹持轴，其直径大小和霍普金森杆末端的真空夹具相同，圆柱面和真空夹具紧密贴合，通过负压作用被吸合在霍普金森杆的冲击端上；

叠加在夹持轴上的圆柱体为承载轴，是承载加速度传感器和传递激励的实体部分；承载轴外径尺寸大于传感器壳体基座最大外接圆直径；

约束孔位于夹持轴上，为一圆柱体通孔，其中心轴线与夹持轴的圆柱体中心轴线正交垂直；

承载轴上表面为Z向安装平面，其上沿径向制作两个相对圆心对称的螺纹安装孔；螺纹孔径比壳体基座的安装孔径略小，螺纹孔距和壳体基座上的安装孔距相同；

所述XY向砧体校准转接装置包括夹持轴、承载立块、约束孔、XY向安装平面、安装孔；

XY向砧体夹持轴位于XY向砧体校准转接装置上距离霍普金森杆冲击端最近的一侧，为一圆柱体，其直径大小和霍普金森杆末端的真空夹具相同，圆柱面和真空夹具紧密贴合，通过负压作用被吸合在霍普金森杆的冲击端上；

XY向砧体承载立块垂直位于夹持轴上方、圆柱体轴向一侧，为一截面是弓形的半圆柱体，承载加速度传感器和传递激励；其截面弓形弦长度大于传感器壳体基座的长度，半圆柱体下底面外缘位于夹持轴外圆之外；半圆柱体高度大于传感器壳体基座长度；

承载立块的半圆柱体直立平面为XY向安装平面，为传感器提供支撑和定位，将霍普金森杆激励产生的应力波传递到加速度传感器上；

XY向安装平面上制作两对贯穿承载立块的螺纹安装孔，分别为X轴安装孔和Y轴安装孔，用于固定被校传感器；螺纹孔径比壳体基座的安装孔径略小，Y轴安装孔所在直线垂直于夹持轴的轴线，X轴安装孔所在直线平行于夹持轴的轴线；Y轴安装孔的间距、X轴安装孔的间距和壳体基座上的安装孔距相同；两对孔的位置保证传感器安装后，下表面紧贴夹持轴上表面。

2.根据权利要求1所述的基于霍普金森杆的三轴高冲击传感器校准转接装置，其特征在于：Z向砧体校准转接装置和XY向砧体校准转接装置共同完成对被校高冲击三维MEMS加速度传感器的三轴向冲击灵敏度和三轴横向灵敏度校准。

3.根据权利要求1所述的基于霍普金森杆的三轴高冲击传感器校准转接装置，其特征在于：所述Z向砧体校准转接装置为三轴高冲击加速度传感器Z轴冲击灵敏度和两轴X轴、Y轴横向灵敏度的校准转接装置。

4.根据权利要求1所述的基于霍普金森杆的三轴高冲击传感器校准转接装置，其特征在于：所述XY向砧体校准转接装置适用于Y轴冲击灵敏度和X轴、Z轴横向灵敏度的校准，或者X轴冲击灵敏度和Y轴、Z轴横向灵敏度的校准。

5.根据权利要求1所述的基于霍普金森杆的三轴高冲击传感器校准转接装置，其特征在于：采用高强度、低密度材料利用常规机械加工手段加工而成。

6.根据权利要求1所述的基于霍普金森杆的三轴高冲击传感器校准转接装置，其特征在于：约束孔内穿有钢线，实现对Z向砧体校准转接装置和被校传感器的缓冲和约束。