全量程冲击加速度激光干涉法国际比对关键技术的研究

摘要

机械冲击是指能激起系统瞬态扰动的力、位置、速度或者加速度的突然变化。对机械冲击加速度进行测量和控制在实际应用中具有十分重要的意义。由于冲击是一个典型的动态过程，故对其测量所使用的加速度传感器的校准也必须是基于类似动态激励发生装置的标定，才能准确确定其动态性能，并通过国际比对，实现各国家或地区冲击加速度量值的统一。由于国内缺乏加速度范围较宽的低g值激光干涉法冲击校准装置，从未主导/参加过低g值的冲击国际比对;国内也没有结合高g值激光干涉法冲击校准实验数据，深入研究采用参数辨识算法、基于支持向量机算法和动态误差补偿算法的标准加速度传感器建模范例，也没有主导/参加过高g值的冲击国际比对。因此，研究全量程冲击加速度激光干涉法国际比对关键技术具有重要的理论意义和应用价值。
　　本文在详细分析现有冲击加速度激光干涉法校准及国际比对研究现状基础上，对全量程冲击加速度激光干涉法的关键技术进行了研究，采用虚拟仪器技术，结合低g值和高g值不同类型的冲击激励源及零差和外差两种激光干涉仪，实现了标准加速度传感器全量程范围的准确校准，并对其动态校准的不确定度进行了评估;研究了标准加速度传感器线性动态模型的参数辨识方法和非线性建模方法，以及标准加速度传感器动态误差补偿方法和动态不确定度评估方法;完成了全量程冲击加速度国际比对三种实施方案，并主导了中国、台湾、泰国和德国四个激光干涉法校准实验室参加的低g值冲击加速度研究性国际比对，取得了满意的比对结果。
　　标准加速度传感器的低g值激光干涉法校准技术对冲击激励源、激光干涉仪和虚拟仪器技术提出了较高的要求。本文在研究电磁力锤和空气力锤相结合的冲击加速度机械激励系统的基础上，提出了一种基于高精密空气轴承支撑刚体碰撞机理的低g值宽量程机械冲击激励装置，具有冲击波形理想、重复性好、易于精确控制加速度峰值和脉宽的特点，给出了装置的实现方法;基于PXI硬件平台，采用改进型迈克尔逊零差激光干涉仪和马赫泽得外差激光干涉仪，集成了一种低g值宽量程的激光干涉法冲击校准系统，该系统能实现(20～10000) m/s2范围内标准加速度传感器的高精度校准，在低g值冲击领域有着广泛的应用前景。基于Hopkinson杆、结合马赫泽得外差激光干涉仪和虚拟仪器技术，实现的加速度传感器激光干涉法高g值冲击校准系统，脉宽下限为10us，其动态校准数据适合于标准加速度传感器动态特性的研究。
　　本文提出了一种基于PEM的加速度传感器二阶动态模型参数辨识方法，能够有效地实现加速度传感器动态模型参数辨识;提出了一种基于混合核SVM非线性建模方法，实现了加速度传感器非线性建模，为加速度传感器动态特性的分析和补偿研究提供一种高效的建模方法。结合高g值激光干涉法冲击加速度校准系统实际动态校准数据建立的标准加速度传感器动态模型，为解决高g值窄脉宽冲击加速度国际比对提供了一种可行的方法。
　　完成了标准加速度传感器动态误差补偿、动态校准不确定度评估与比对方法的研究。利用高g值激光干涉法冲击加速度校准系统，构建基于滤波器设计的标准加速度传感器动态误差补偿系统，结合动态校准不确定度评估方法，提出了一种量程较宽的冲击加速度国际比对的可行方法，具有较强的应用价值。
　　本文所提出的低g值宽量程激光干涉法冲击校准系统体系结构合理、具有很好的测量重复性与可靠性，为标准加速度传感器的低g值高精度校准提供了新的途径;主导完成的低g值冲击加速度研究性国际比对具有范例作用，为下一步参比范围更广泛的低g值冲击国际关键比对奠定了技术基础;所提出的基于加速度传感器动态模型参数辨识以及基于加速度传感器动态特性补偿的技术途径，为高g值冲击加速度激光干涉法比对，提供了有效的方法。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 冲击加速度激光干涉法校准及国际比对关键技术研究现状

1．2．1 全量程冲击加速度激光干涉法校准关键技术研究现状

1．2．2 冲击加速度激光干涉法国际比对关键技术研究现状

1．3 课题的研究意义和主要研究内容

1．3．1 课题的研究意义

1．3．2 主要研究内容

第二章 全量程冲击加速度激光干涉法校准系统研究

2．1 引言

2．2 冲击加速度激光干涉法校准

2．2．1 信号处理关键技术

2．2．2 数据处理流程

2．3 低g值冲击加速度激光干涉法校准系统

2．3．1 冲击激励机

2．3．2 冲击脉冲波形发生器

2．3．3 校准系统集成

2．3．4 校准试验

2．4 高g值冲击加速度激光干涉法校准系统

2．4．1 系统组成

2．4．2 校准试验

2．5 小结

第三章 加速度传感器动态模型及参数辨识研究

3．1 引言

3．2 加速度传感器动态特性的频域直接估计方法研究

3．3 加速度传感器结构化动态模型及参数辨识方法研究

3．3．1 加速度传感器结构化动态模型

3．3．2 基于PSO算法的参数辨识法

3．3．3 递推最小二乘参数辨识法

3．4 基于支持向量机的加速度传感器非线性动态建模方法研究

3．5 小结

第四章 冲击加速度激光干涉法国际比对关键技术研究

4．1 引言

4．2 冲击加速度激光干涉法国际比对的可行性研究

4．2．1 冲击频率响应分析

4．2．2 可行的冲击比对方法

4．3 基于激光干涉法冲击校准的加速度传感器参数辨识研究

4．3．1 模型参数辨识

4．3．2 验证实验

4．4 加速度传感器动态特性补偿和动态不确定度评估

4．4．1 动态特性补偿

4．4．2 动态不确定度评估

4．4．3 验证实验

4．5 小结

第五章 亚太地区低g值冲击加速度激光干涉法国际比对

5．1 引言

5．2 比对技术协议

5．2．1 比对背景

5．2．2 技术协议

5．3 比对结果

5．3．1 基于半正弦平方冲击加速度波形比对结果

5．3．2 基于正弦冲击加速度波形比对结果

5．4 主导实验室不确定度评估

5．4．1 基于半正弦平方冲击加速度比对结果的不确定度评估

5．4．2 基于正弦冲击加速度比对结果的不确定度评估

5．5 小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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