一种激光多普勒测振法冲击加速度测量装置及方法与流程

技术特征：

1.一种激光多普勒测振法冲击加速度测量装置，其特征在于：包括HOPKINSON冲击机、弹体、垫层、HOPKINSON棒、砧体、被校冲击加速度传感器、计算机、数字示波器、差动激光干涉仪、信号适调仪以及光栅；

其中，HOPKINSON冲击机用于发射弹体；弹体用于产生冲击加速度；垫层起保护作用；HOPKINSON棒接受弹体撞击，产生并传递应力波以产生加速度；砧体将冲击加速度传递给被校冲击加速度传感器，并防止棒体直接击中传感器，以保护传感器；计算机用于系统控制和计算；数字示波器用于采集记录激光多普勒信号；差动激光干涉仪用于接收光栅传来的冲击速度信号，并转换成电信号；信号适调仪用于完成对传感器输出信号进行滤波、放大等调理功能；光栅用于对照射的激光产生衍射条纹信号；

使用HOPKINSON冲击机发射弹体，击中垫层和HOPKINSON棒，使HOPKINSON棒产生运动，从而击中砧体，使得光栅和被校加速度传感器产生冲击运动；该冲击运动经光栅被差动激光干涉仪转换成电信号，然后被数字示波器采集记录形成波形数据；通过电子计算机经解调计算后输出冲击加速度波形序列，给出冲击加速度峰值的校准参量，用以校准冲击加速度传感器输出的信号，同时经过信号适调仪调理后，由数字示波器采集记录对加速度传感器的测量结果。

2.一种激光多普勒测振法冲击加速度测量装置的测量方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)使用Hopkinson冲击机发射弹体，利用Hopkinson棒在校准端面上产生波形良好的冲击加速度过程，直接加载到光栅和被校准的加速度计上；

2)使用差动式激光干涉仪，利用光电探测器检测光栅运动产生的激光多普勒信号x(t)，光电探测器上升时间为2ns；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；

3)使用数字示波器对激光多普勒信号x(t)以及经过送信号适调仪调理后的被校加速度计输出信号进行数据采集；数字示波器为8Bits A/D，存储容量50kSamples/ch，模拟带宽500MHz，最小电压分度1mV/div，双通道采样时，最高采样率500MSps；

4)使用Hilbert变换法对x(t)的采样信号x(i)(i＝1,2,…,n)进行变换处理获得Hilbert变换信号其中：

$\tilde{x}\left(i\right)=x\left(i\right)*h\left(i\right)=\frac{2}{\mathrm{\π}}\underset{m=-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}\frac{x(i-2m-1)}{2m+1}---\left(1\right)$

其中，x(i)为激光多普勒信号x(t)的采样信号；为激光多普勒信号x(t)的采样信号x(i)的Hilbert变换信号；m为卷积变换的中间变量，m∈[-M,+M]；

其中，使用公式(1)进行希尔波特变换运算时，卷积区间为[-M,+M]，M应当使卷积窗口宽于载频信号的周期，且M≥100；这里M＝151；

h(i)为Hilbert变换器的单位冲击响应：

x(i)的瞬时幅度：

$A\left(i\right)=\sqrt{x^2\left(i\right)+{\tilde{x}}^2\left(i\right)}---\left(3\right)$

x(i)的瞬时相位：

$\mathrm{\φ}\left(i\right)=\arctan \[\frac{\tilde{x}\left(i\right)}{x\left(i\right)}\]---\left(4\right)$

5)对式(4)所示的实时相位波形通过叠加kπ(k＝0,1,2,…)进行位相展开，获得连续相位波形；

6)对上述相位展开后的相位序列φ₁,φ₂,…,φ_n进行线性趋势剔除工作，使用端基直线法获得参数G₀和φ₀：

$G_0=\frac{{\mathrm{\φ}}_n-{\mathrm{\φ}}_1}{n-1}---\left(5\right)$

其中，G₀为表示相位序列趋势的端基直线的斜率；φ₀表示相位序列趋势的端基直线的截距；

计算获得剔除线性趋势后的相位序列

7)选取与希尔波特变换卷积区间相同的差分点数2M+1，进行滑动平均方式多点差分运算，获得瞬时频率值f_i(i＝1,…,n)：

其中，为小于的M点相位之和；为大于的M点相位之和；

由瞬时频率值中剔除非多普勒效应的恒定部分频率f_c，将得到瞬时多普勒频移Δf_i＝f_i-f_c(i＝1,…,n)；

8)使用差分式衍射激光干涉仪进行冲击测量时，其运动速度波形信号v(i)：

$v\left(i\right)=\frac{\mathrm{\Δ}f\left(i\right)\·d}{p-q}---\left(9\right)$

按公式(9)计算冲击速度序列v₁,v₂,…,v_n；它是一个典型的阶跃波形；

9)用众数法计算冲击速度波形序列的上升时间t_r；

f)按照选取局域平均窗口的半长度L，执行如下局域平均和差分运算，获得冲击加速度波形序列a₁,a₂,…,a_n；

$a_i=\frac{1}{\mathrm{\Δ}t}\·\frac{v_B-v_A}{L^2}---\left(10\right)$

其中，

为了判断L取值是否最优，采取如下判定方式：

将平均值窗口内的速度值序列v_i-L,v_i-L+1,…,v_i+L-1,v_i+L,做端基直线拟合，得：

v(k)＝k·g+v₀ (11)

其中，k＝i-L,i-L+1,…,i+L-1,i+L

$g=\frac{v_{i+L}-v_{i-L}}{2L}$

v₀＝v_i-L

$\mathrm{\Δ}v\left(i\right)=\frac{1}{2L+1}\underset{k=i-L}{\overset{i+L}{\Σ}}|v_i-k\·g-v_0|---\left(12\right)$

以局域平均窗口中的误差均值Δv(t)曲线作为微分中的误差指针，当窗口由大到小时，Δv(t)曲线在加速度峰值附近的曲线值呈下降趋势，且有明显的局部极小值；当该极小值下降不明显，且局部极小值特征微弱时，即能判定窗口选择值已经接近最佳，并最终判定由上即实现了激光多普勒测振法冲击加速度测量装置的测量方法。