12、复位弹簧13和进气孔14。导向 管道10、回流管道11和复位管道12彼此两两连通，复位弹簧13设置在复位管道12内，用 于将从回流管道流入的钢珠经由复位管道12推送到导向管道10内的初始位置。进气孔14 设置在复位管道12上、复位弹簧13的下方。
[0058] 钢珠导向及复位器3的工作过程如下。位于导向管道10内的初始位置的钢珠 9受 到撞针6的撞击后，沿着导向管道10向前运动，并撞击霍普金森杆15的一个端面，从而产 生一个冲击激励。撞击完成后，钢珠9被端面反弹回来，并在重力作用下流入回流管道11， 然后顺着回流管道11进入复位管道12,停止在复位弹簧13的上端。然后通过连接至进气 孔14的送气装置经由送气孔14输入一定压力的压缩气体，推动复位弹簧13整体向上运 动，从而将钢珠9推送到导向管道10内的初始位置，准备接受下一次撞击。最后通过阀门 关闭进气孔14,复位弹簧13恢复至自由状态，完成一次钢珠9的复位过程。
[0059] 加谏度计动杰特件柃准系统
[0060] 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，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。
[0061 ] 如图7和8所示，加速度计动态特性校准系统包括霍普金森杆15、上述钢珠发射装 置1、外差式激光干涉仪16和处理装置17。在示例性实施例中采用了外差式激光干涉仪， 但是也可以采用其他类型的激光干涉仪，只要其能够测量快速变化的微小位移即可。
[0062] 在示例性实施例中，霍普金森杆15采用钛合金制作，两根杆的直径分别为16mm与 20mm，可以选择其中任意一根杆，在其后端面上安装被校加速度计，使钢珠9撞击前端面。 可以根据实际需要，例如参考被校角速度计的尺寸选择霍普金森杆15的材料、杆数及每根 杆的直径。
[0063] 被校加速度计18安装在霍普金森杆15的后端面上。钢珠发射装置1发射一个钢 珠9,钢珠9撞击霍普金森杆15的前端面，产生的应力波传递至霍普金森杆15的后端面，从 而给被校加速度计18 -个脉冲很窄的冲击激励。钢柱9撞击霍普金森杆15的端面近似于 点与点的接触碰撞，因此可以产生脉冲很窄的冲击激励。
[0064] 钢珠9撞击霍普金森杆15产生的窄脉冲冲击激励导致霍普金森杆15的后端面发 生微小位移，该微小位移即是固定于后端面的被校加速度计18的位移。通过外差式激光干 涉仪16感测该位移，输出干涉信号U ni (t)。处理装置16通过高速采集卡采集外差式激光干 涉仪16输出的干涉信号Uni (t)，并按图9所示的过程计算冲击加速度激励信号a (t)。根据 干涉信号Uni (t)，可按照IS016063-13中推荐的算法计算撞击过程中的冲击加速度激励信号 a(t)。当然，也可以采用其他适当的算法计算加速度信号a(t)。
[0065] 加谏度计动杰特件柃准方法
[0066] (1)加速度计的数学模型
[0067] 加速度计利用惯性力来测量物体运动加速度。通常认为加速度计是一个线性的动 态系统，在其线性动态范围内将其等效为一个单自由度的弹簧质量系统，如图10所示。质 量块m被弹簧与阻尼器支撑，设基座位移为S (t)，质量块m的位移为X (t)，则该系统的运动 方程如下式（1)所示：
[0069] 由于压电晶体的电荷输出与质量块相对于基座的位移，即X (t)-S (t)成正比，将 式（1)稍作变换，可以得到下面的方程：
[0071] 在上式中用y替换x-s，并且_ = 4为外界的输入加速度，于是可以得到：
[0073] 上式中，
为系统谐振频率，
为系统阻尼比，P为压电晶体转 换常数。对式（3)进行Laplace变换，即得传递函数为如下所示：
[0075] 设采样率足够高，即
对式（3)离散化，可得到对应加速度计的离散 传递函数为：
[0077] 由式（5)得到对应加速度计对应的差分方程为：
[0078] y (k) +C1Y (k~l) +c2y (k~2) = b [a (k~l) +a (k~2) ] (6)
[0079] 通过上述离散化的过程，可以得到差分方程（6)与微分方程（3)之间的系数对应 关系如下：
[0081] 式中Ts为采样时间间隔。
[0082] (2)模型参数的确定
[0083] 根据外差式激光干涉仪16输出的干涉信号Uni (t)，计算得到被校加速度计18的输 入信号即冲击加速度激励信号a (k)，结合被校加速度计18输出的电压信号y (k)，利用最小 二乘算法，结合式（6)所示的差分方程，计算得到方程的参数Cl，c2, b，最后按照式（7)所示 的转换，计算式（4)所示的被校加速度计18的传递函数，从而最终实现加速度计的动态校 准。详细的计算过程如下。
[0084] 将式（6)所示的差分方程写成如下的形式：
[0085] y (k) = hT (k) θ +n (k) (8)
[0086] 上式中：h(k) = [-y(k-l)-y(k-2)a(k-l)a(k_2)]T，
[0087] θ = [C1, c2, b, b]T, n(k)为噪声。
[0088] 设采样的点数为L，于是可得：
[0089] Yl= Hl Θ +nL (9)
[0090] 式中：Yl= [y (I) y ⑵......y (L) ] T，nL= [n (I) η ⑵......η (L) ] τ，
[
[0092] 按下式（11)计算参数的估计值。
[0094] 得到参数的估计值后，最终即可得到描述被校加速度计的动态特性的式（4)的传 递函数，从而实现加速度计动态特性的校准，即得到加速度计的幅频响应与相频响应。
[0095] 发明效果
[0096] 利用上述加速度计动态特性校准系统，对选定的压电加速度计进行了动态特性校 准试验，得到的冲击激励的试验波形如图11所示。被校加速度计的输入信号，即冲击加速 度激励信号a(k)的幅度谱如图12所示。从该幅度谱图形可以看出，信号包含的带宽大于 100kHz，大于一般加速度计的安装谐振频率，故能够充分激励被测加速度计的动态特性。被 校加速度计在上述冲击激励下输出的电压信号y(k)的波形如图13所示，电压信号y(k)的 幅度谱如图14所示。按照上述方法，计算得到被校加速度计的动态特性曲线如图15和16 所示，此时对应的公式（4)的传递函数为：
[0098] 从上述结果可以看出，利用本发明的加速度计动态特性校准系统，可以准确的校 准加速度计的动态特性。
[0099] 以上已经描述了本公开的实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不 限于所披露的各施例。在不偏离所说明的实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域 的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好 地解释实施例的原理和实际应用，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露 的实施例。
【主权项】
1. 一种钢珠发射装置，包括： 钢珠发射器（2)，包括用于撞击钢珠（9)的撞针（6);以及 钢珠导向及复位器（3)，包括外壳和设置于所述外壳中的导向管道（10); 在初始状态下，所述钢珠（9)设置于所述导向管道（10)内的钢珠初始位置，在撞击状 态下，所述撞针（6)撞击所述钢珠（9)，使得所述钢珠（9)沿所述导向管道（10)发射出所述 钢珠导向及复位器（3)。2. 如权利要求1所述的钢珠发射装置，其中，所述钢珠发射器（2)还包括： 磁体（4); 线圈（5)，与所述磁体（4)电磁耦合；以及 第一复位弹簧（7)，围绕所述撞针（6)设置； 其中，所述撞针（6)与所述线圈（5)联动，在通电状态下，所述线圈（5)带动所述撞针 (6)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（7)，在断电状态下，所 述第一复位弹簧（7)恢复自由状态，使得所述撞针（6)从所述第一撞击位置回到所述第一 初始位置。3. 如权利要求1所述的钢珠发射装置，其中，所述钢珠导向及复位器（3)还包括设置于 所述外壳中的回流管道（11)、复位管道（12)、第二复位弹簧（13)和进气孔（14); 其中，所述导向管道（10)、所述回流管道（11)和所述复位管道（12)彼此两两连通；所 述第二复位弹簧（13)设置在所述复位管道（12)内，用于将从所述回流管道（11)流入的钢 珠经由所述复位管道（12)推送到所述导向管道（10)内的所述钢珠初始位置；所述进气孔 (14)设置在所述复位管道（12)上、所述第二复位弹簧（13)的下方。4. 如权利要求3所述的钢珠发射装置，还包括连接至所述进气孔（14)的送气装置。5. -种加速度计动态特性校准系统，包括： 如权利要求1-4之一所述的钢珠发射装置； 霍普金森杆（15)，所述霍普金森杆（15)的后端面设置被校加速度计（18)，所述钢珠 发射装置发射的钢珠（9)撞击所述霍普金森杆（15)的前端面，从而导致所述被校加速度计 (18)的位移； 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 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。6. 如权利要求5所述的加速度计动态特性校准系统，其中所述激光干涉仪是外差式激 光干涉仪。7. 如权利要求5所述的加速度计动态特性校准系统，其中所述处理装置还接收所述被 校加速度计（18)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（18)的传递函数。
【专利摘要】本发明涉及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。钢珠发射装置包括：钢珠发射器，包括用于撞击钢珠的撞针；以及钢珠导向及复位器，包括外壳和设置于外壳中的导向管道；在初始状态下，钢珠设置于导向管道内的钢珠初始位置，在撞击状态下，撞针撞击钢珠，使得钢珠沿导向管道发射出钢珠导向及复位器。该加速度计动态特性校准系统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。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。
【IPC分类】G01P21/00
【公开号】CN105259373
【申请号】CN201510691116
【发明人】孙桥, 胡红波, 白银, 白杰
【申请人】中国计量科学研究院
【公开日】2016年1月20日
【申请日】2015年10月22日