钢珠发射装置及包含该装置的加速度计动态特性校准系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种钢珠发射装置，还涉及一种包含该钢珠发射装置的加速度计动态 特性校准系统。
【背景技术】
[0002] 目前按照GB20485/IS016063系统标准规定，校准加速度计一般采用正弦振动激 励法与冲击激励法。
[0003] 1、正弦振动激励是利用连续的正弦运动的形式校准加速度计的方法。所使用的装 置主要包括机械振动台，采用绝对法（激光干涉法）或者比较法（标准加速计）来对加速 度计进行振动校准，校准所得到的结果是一些离散频率点的加速度计的响应。
[0004] 目前各个国家最高的计量机构均按照IS016063-11 :1999及有关标准建立的振动 标准装置来实现加速度计的振动激励校准。校准的频率范围为IHz~10kHz，经过拓展可将 频率范围延伸至〇. OlHz~20kHz，且频率下限可以更低，比如德国联邦物理研究院（PTB)、 中国计量科学研究院（N頂）建立的超低频振动标准装置可校准的频率范围低于0. 01Hz。但 一般来说校准频率的上限为20kHz，超过20kHz校准的结果测量不确定度较大，结果的重复 性也变差，这与所使用振动台的高频机械特性以及高频位移较小等原因造成。
[0005] 使用正弦振动激励法校准加速度计，得到的典型的结果如图1所示。其不足之处 主要在于：
[0006] 1)由于振动台机械结构限制，振动加速度峰值一般不会超过lOOm/s2。
[0007] 2)由于振动台机械安装台面的特点，振动的工作频率一般不高于20kHz。
[0008] 3)振动校准结果得到是一些离散频率点的复灵敏度值，不能用连续的频响曲线来 描述被校加速度计的特性。
[0009] 2、冲击激励法是利用瞬态的加速度波形对加速度计进行校准的方法。冲击激励法 校准所使用的主要设备为各种不同的冲击激励台，采用绝对法（激光干涉测量法）或者比 较法（标准加速度计）来对加速度计进行冲击校准，通过计算加速度计（包括配套放大器） 输出电压的峰值与输入加速度信号的峰值之比来计算加速度计的冲击灵敏度。
[0010] 目前各个国家最高的计量机构均按照IS016063-13 :2001及有关标准建立的冲击 标准装置来实现加速度计的冲击激励校准。冲击激励台产生冲击激励波形主要采用基于 刚体碰撞的方式和基于霍普金森杆应力波在固体中传递的方式来产生，前者主要用于产生 低峰值宽脉冲冲击加速度激励信号，后者主要用来产生高峰值窄脉冲的冲击加速度激励信 号。上述两种冲击加速度装置能够产生的冲击加速度峰值范围为（50~LOX 105)m/s2,脉 冲持续时间为（0.05~10)ms。经过改进，冲击加速度峰值范围上限可拓展至10 6m/s2。目 前，德国联邦物理研究院（PTB)与中国计量科学研究院（N頂）都建立了对应的冲击加速度 标准装置，能够对加速度计进行冲击激励法校准。
[0011] 冲击激励法校准加速度计，典型的结果如图2所示。其不足之处主要在于：
[0012] 1)冲击灵敏度是一个时域的指标，并且与校准所使用的冲击加速度波形有关，不 同的冲击加速度激励波形有不同的冲击灵敏度，故冲击灵敏度难以完整的描述加速度计的 特性。
[0013] 2)通过傅里叶变换的运算，采用冲击校准可以得到一定频段内加速度的离散频率 点响应数据，但与振动校准一样，不能用连续的频响曲线来描述被校加速度计的特性。
[0014] 上述两种校准方法校准的结果都不能用来预测对于任意一个瞬态输入加速度信 号的输出，同时也不能对加速度计动态特性进行修正。
【发明内容】
[0015] 本公开的目的是解决现有方法不能准确校准加速度计的动态特性的问题。
[0016] 本公开采用以下技术方案：
[0017] 本公开的一方面提供一种钢珠发射装置，包括：
[0018] 钢珠发射器，包括用于撞击钢珠的撞针；以及
[0019] 钢珠导向及复位器，包括外壳和设置于所述外壳中的导向管道；
[0020] 在初始状态下，所述钢珠设置于所述导向管道内的钢珠初始位置，在撞击状态下， 所述撞针撞击所述钢珠，使得所述钢珠沿所述导向管道发射出所述钢珠导向及复位器。
[0021] 优选地，所述钢珠发射器还包括：磁体；线圈，与所述磁体电磁耦合；以及第一复 位弹簧，围绕所述撞针设置；其中，所述撞针与所述线圈联动，在通电状态下，所述线圈带动 所述撞针从第一初始位置运动到第一撞击位置并压缩所述第一复位弹簧，在断电状态下， 所述第一复位弹簧恢复自由状态，使得所述撞针从所述第一撞击位置回到所述第一初始位 置。
[0022] 优选地，所述钢珠导向及复位器还包括设置于所述外壳中的回流管道、复位管道、 第二复位弹簧和进气孔；其中，所述导向管道、所述回流管道和所述复位管道彼此两两连 通；所述第二复位弹簧设置在所述复位管道内，用于将从所述回流管道流入的钢珠经由所 述复位管道推送到所述导向管道内的所述钢珠初始位置；所述进气孔设置在所述复位管道 上、所述第二复位弹簧的下方。
[0023] 优选地，所述钢珠发射装置还包括连接至所述进气孔的送气装置。
[0024] 本公开的另一方面提供一种加速度计动态特性校准系统，包括：
[0025] 所述的钢珠发射装置；
[0026] 霍普金森杆，所述霍普金森杆的后端面设置被校加速度计，所述钢珠发射装置发 射的钢珠撞击所述霍普金森杆的前端面，从而导致所述被校加速度计的位移；
[0027] 激光干涉仪，用于检测所述位移并输出相应的干涉信号；以及
[0028] 处理装置，用于接收所述干涉信号，并计算冲击加速度激励信号。
[0029] 优选地，所述激光干涉仪是外差式激光干涉仪。
[0030] 优选地，所述处理装置还接收所述被校加速度计输出的电压信号，并基于所述冲 击加速度激励信号和所述电压信号，计算所述被校加速度计的传递函数
[0031] 本公开的优点是利用受到电磁力撞击的钢珠撞击霍普金森杆的端面，能够产生窄 脉冲的冲击加速度激励信号，激励信号的带宽远远大于现有装置，最高可超过l〇〇kHz。该加 速度计动态特性校准系统通过一次校准即可获得表征加速度计动态特性的物理参数，最终 获得加速度计的传递函数，从而在较大带宽范围内实现加速度计的动态特性校准。
【附图说明】
[0032] 通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其 它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号 通常代表相同部件。
[0033] 图1显示加速度计振动校准的典型结果；
[0034] 图2显示加速度计冲击校准的典型结果；
[0035] 图3显示根据示例性实施例的钢珠发射装置示意图；
[0036] 图4显示根据示例性实施例的钢珠发射装置的钢珠发射器示意图；
[0037] 图5显示根据示例性实施例的钢珠发射装置的撞针示意图；
[0038] 图6显示根据示例性实施例的钢珠导向及复位器示意图；
[0039] 图7显示根据示例性实施例的加速度计动态特性校准系统的示意图；
[0040] 图8显示根据示例性实施例的加速度计动态特性校准系统中钢珠发射装置与霍 普金森杆的安装示意图；
[0041] 图9显示根据示例性实施例的外差式激光干涉信号的处理过程；
[0042] 图10显示根据示例性实施例的加速度计结构模型；
[0043] 图11显示根据示例性实施例的加速度计动态特性校准系统所产生的冲击激励波 形；
[0044] 图12显示根据示例性实施例的加速度计动态特性校准系统所产生的冲击激励信 号的幅度谱；
[0045] 图13显示根据示例性实施例的被校加速度计在冲击激励下输出的电压波形；
[0046] 图14显示根据示例性实施例的被校加速度计在冲击激励下输出的电压波形的幅 度谱；
[0047] 图15显示根据示例性实施例的被校加速度计的动态特性曲线；
[0048] 图16显示根据示例性实施例的被校加速度计的动态特性曲线。
[0049] 主要附图标记如下：
[0050] 1-钢珠发射装置，2-钢珠发射器，3-钢珠导向及复位器，4-磁体，5-线圈，6-撞 针，7-复位弹簧，8-通电端子，9-钢珠，10-导向管道，11-回流管道，12-复位管道，13-复位 弹簧，14-进气孔，15-霍普金森杆，16-外差式激光干涉仪，17-处理装置，18-被校加速度 计。
【具体实施方式】
[0051] 下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开 的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方 式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的 范围完整地传达给本领域的技术人员。
[0052] 钢珠发射装詈
[0053] 图3显示根据示例性实施例的钢珠发射装置示意图。钢珠发射装置1包括钢珠发 射器2和钢珠导向及复位器3。
[0054] 图4显示根据示例性实施例的钢珠发射器示意图。钢珠发射器2包括磁体4、与磁 体4电磁耦合的线圈5、与线圈联动的撞针6、以及围绕撞针6设置的第一复位弹簧7。
[0055] 磁体4形成一个恒定的磁场，线圈5置于该磁场中，可与磁体4电磁親合。当线 圈5中没有电流时，复位弹簧7处于自由状态，未被压缩。当通过通电端子8为线圈5通电 时，通电线圈5在磁体4的磁场中受到电磁力即洛伦兹力的作用向前运动，从而带动撞针6 向前运动，从初始位置运动到撞击位置，最终撞击钢珠9,并压缩复位弹簧7。当线圈5断电 时，由于电流消失，线圈5不再受电磁力作用，因此向后运动，被压缩的复位弹簧7恢复自由 状态，压缩线圈5回复原位，从而使得撞针6从撞击位置回到初始位置，完成一次撞击过程。 通过改变输入电流的大小，可以改变撞针6撞击钢珠9的撞击力度，从而得到具有不同持续 时间与峰值的冲击激励。
[0056] 如图5所示，撞针6可包括具有不同直径的前段和后段。撞针6前段的直径可为 3_，后段的直径可为1.8_，后段为撞击钢珠的撞击端面。撞针由直径不同的两段构成，前 段用于固定撞针6,因此该段直径较大；后段用于撞击直径较小的钢珠，因此该段直径也较 小。
[0057] 图6显示根据示例性实施例的钢珠导向及复位器。钢珠导向及复位器3包括外壳 和设置于外壳中的导向管道10、回流管道11、复位管道