强冲击传感器下阶跃响应动态特性计算方法及发生装置

摘要

本发明公开的强冲击传感器下阶跃响应动态特性计算方法及发生装置，涉及冲击传感器动态特性计算领域。本发明的方法，对高量程加载条件下产生的下阶跃激励响应信号进行滤波、截取、归一化、翻转处理，得到近似为一阶或二阶系统的强冲击传感器阶跃响应，再通过计算获得传感器阶跃响应动态特性参数，实现强冲击传感器动态特性计算。本发明的装置，使用受冲击发生塑性变形无回弹的脉宽调节缓冲垫作为高量程冲击加载的惯性力传递介质；碰撞过程中，弹丸通过脉宽调节缓冲垫推动砧体加速运动，缓冲结构不断塌陷压缩，压缩过程为塑性变形无回弹；当缓冲结构压缩至极限，弹丸被止挡盘结构阻挡，砧体与弹丸瞬间分离，使得与砧体连接的冲击传感器所受冲击力突然消失为零，产生下阶跃激励及响应。

说明书

技术领域

本发明涉及一种强冲击传感器下阶跃响应动态特性计算方法及发生装置，涉及冲击传感器动态特性计算领域。

背景技术

阶跃函数是一种特殊的连续时间函数，是一个从0跳变到1的过程，属于奇异函数。在传感器动态特性测试中，阶跃激励是理想的激励方法之一。

冲击传感器的静态特性和动态特性在不同量程的激励条件下呈非线性关系，不同量程激励之间无法相互替代。在强冲击传感器测试中，只有高量程的激励才能保证结果的准确度，所以高量程加载条件下强冲击传感器的动态特性计算尤为重要。目前使用激波管可以获得低量程的阶跃激励信号，但高量程的阶跃激励信号很难得到。

发明内容

针对冲击传感器高量程加载条件下，尚无下阶跃响应动态特性计算方法的问题，本发明目的之一是提供一种强冲击传感器下阶跃响应动态特性计算方法，对高量程加载条件下产生的下阶跃激励响应信号进行处理，得到强冲击传感器的阶跃响应，计算获得传感器动态特性参数，进而实现强冲击传感器下阶跃响应动态特性计算。

本发明的另一个目的是提供一种强冲击传感器下阶跃激励发生装置，能够在高量程加载条件下产生下阶跃激励及响应。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明公开的一种强冲击传感器下阶跃响应动态特性计算方法，对冲击传感器下阶跃响应信号进行滤波处理，截取所得曲线峰值点之后的部分进行数据归一化处理后再上下翻转曲线，产生近似一阶或二阶系统时域曲线，将时域曲线各参数代入一阶或二阶系统幅频特性及相频特性表达式得到冲击传感器幅频特性和相频特性，进而获取工作频带得到冲击传感器的动态特性参数，实现强冲击传感器下阶跃响应动态特性计算。

本发明公开的一种强冲击传感器下阶跃响应动态特性计算方法，包括如下步骤：

步骤一，对冲击传感器下阶跃响应信号进行滤波处理，截取所得曲线峰值点之后的部分进行数据归一化处理后再上下翻转曲线得到冲击传感器下阶跃响应的归一化镜像数据曲线D。

步骤1.1：通过滤波器对冲击传感器下阶跃响应信号进行滤波处理，得到冲击传感器下阶跃响应的滤波曲线A。

步骤1.2：截取所得滤波曲线A峰值点之后的时域信号数据，得到冲击传感器下阶跃响应的截断曲线B。

步骤1.3：以峰值点幅值为标准，将所得截断曲线B所有数据点幅值除以峰值点幅值进行归一化处理，得到冲击传感器下阶跃响应的归一化数据曲线C；

步骤1.4：对所得归一化数据曲线C以峰值点幅值的一半为对称轴上下翻转得到冲击传感器下阶跃响应的归一化镜像数据曲线D。

步骤二，步骤一所得归一化镜像数据曲线D近似为一阶或二阶系统时域曲线，将归一化镜像数据曲线D各参数代入一阶或二阶系统幅频特性及相频特性表达式得到冲击传感器幅频特性和相频特性，进而获取工作频带得到冲击传感器的动态特性参数，实现强冲击传感器下阶跃响应动态特性计算。

步骤2.1：步骤一所得归一化镜像数据曲线D近似为一阶或二阶系统时域曲线。

步骤2.2：当归一化镜像数据曲线D近似为一阶系统时域曲线时，将归一化镜像数据曲线D各参数代入一阶系统幅频特性及相频特性表达式得到冲击传感器幅频特性和相频特性，进而获取工作频带得到冲击传感器的动态特性参数，实现强冲击传感器下阶跃响应动态特性计算。

步骤2.2.1：由归一化镜像数据曲线D得到时间常数τ。

步骤2.2.2：将时间常数τ代入一阶系统幅频特性表达式（1），得到冲击传感器幅频特性。

其中：ω为角频率。

步骤2.2.3：将时间常数τ代入一阶系统相频特性表达式（2），得到冲击传感器相频特性。

步骤2.2.4：将一阶系统幅频特性表达式（1）变换为一阶系统对数幅频特性表达式（3），由一阶系统对数幅频特性表达式（3）得到工作频带ω

步骤2.3：当归一化镜像数据曲线D近似为二阶系统时域曲线时，将归一化镜像数据曲线D各参数代入二阶系统幅频特性及相频特性表达式得到冲击传感器幅频特性和相频特性，进而获取工作频带得到冲击传感器的动态特性参数，实现强冲击传感器下阶跃响应动态特性计算。

步骤2.3.1：由归一化镜像数据曲线D得到最大超调量σ和过渡时间t

其中：系数b根据过渡时间误差带范围取值确定。

步骤2.3.2：将阻尼比ζ和固有频率ω

其中：ω为角频率。

步骤2.3.3：由二阶系统频率响应函数表达式（9）得到二阶系统相频特性表达式（11），利用二阶系统相频特性表达式（11）得到冲击传感器相频特性。

步骤2.3.4：将二阶系统归一化幅频特性表达式（10）变换为二阶系统对数幅频特性表达式（12），由二阶系统对数幅频特性表达式（12）得到二阶系统工作频带ω

本发明公开的一种强冲击传感器下阶跃激励发生装置，使用受冲击发生塑性变形无回弹的脉宽调节缓冲垫作为高量程冲击加载的惯性力传递介质。弹丸和脉宽调节缓冲垫碰撞过程中，弹丸通过脉宽调节缓冲垫推动砧体一起加速运动，脉宽调节缓冲垫结构不断塌陷压缩，该塌陷压缩过程为塑性变形无回弹。当脉宽调节缓冲垫结构被压缩至极限，弹丸被止挡盘结构阻挡停止向前运动时，砧体与弹丸瞬间分离，使得与砧体连接的冲击传感器所受冲击力突然消失为零，产生近似理想的下阶跃激励及响应。

作为优选，所述脉宽调节缓冲垫材料选用泡沫铝。

本发明公开的一种强冲击传感器下阶跃激励发生装置，包括弹丸、脉宽调节缓冲垫、止挡盘、砧体和冲击传感器。脉宽调节缓冲垫放置在砧体凹槽中。脉宽调节缓冲垫和砧体放置在止挡盘筒内。止挡盘与炮管固定连接。弹丸、脉宽调节缓冲垫、止挡盘、砧体和冲击传感器沿空气炮炮管轴线方向同轴安装布置。弹丸被压缩空气推动由弹舱位置沿着空气炮炮管加速向前运动，弹丸和脉宽调节缓冲垫碰撞过程中，弹丸通过脉宽调节缓冲垫推动砧体一起加速运动，脉宽调节缓冲垫结构不断塌陷压缩，该塌陷压缩过程为塑性变形无回弹。当脉宽调节缓冲垫被压缩至极限，弹丸被止挡盘结构阻挡停止向前运动时，砧体与弹丸瞬间分离，使得与砧体连接的冲击传感器所受冲击力突然消失为零，产生近似理想的下阶跃激励及响应。

有益效果：

1、针对现有技术中尚无专门针对强冲击传感器下阶跃响应信号的处理方法，本发明公开的一种强冲击传感器下阶跃响应动态特性计算方法，对下阶跃激励响应信号进行滤波处理，截取所得曲线峰值点之后的部分进行数据归一化处理后再上下翻转曲线，产生近似一阶或二阶系统时域曲线，将时域曲线各参数代入一阶或二阶系统幅频特性及相频特性表达式得到冲击传感器幅频特性和相频特性，进而获取工作频带得到冲击传感器的动态特性参数，实现强冲击传感器下阶跃响应动态特性计算。

2、本发明公开的一种强冲击传感器下阶跃响应动态特性计算方法，通过滤波器对冲击传感器下阶跃响应信号进行滤波处理，得到冲击传感器下阶跃响应的滤波曲线A；截取所得曲线峰值点之后的时域信号数据，得到冲击传感器下阶跃响应的截断曲线B；以峰值点幅值为标准，将所得截断曲线B所有数据点幅值除以峰值点幅值进行归一化处理，得到冲击传感器下阶跃响应的归一化数据曲线C；对所得归一化数据曲线C以峰值点幅值的一半为轴上下翻转得到冲击传感器下阶跃响应的归一化镜像数据曲线D，使得归一化镜像数据曲线D能够采用现有阶跃信号处理方法获取下阶跃响应动态特性。

3、针对冲击传感器高量程加载条件下，阶跃激励不易实现的问题，本发明公开的一种强冲击传感器下阶跃激励发生装置，使用受冲击发生塑性变形无回弹的脉宽调节缓冲垫作为高量程冲击加载的惯性力传递介质。弹丸和脉宽调节缓冲垫碰撞过程中，弹丸通过脉宽调节缓冲垫推动砧体一起加速运动，脉宽调节缓冲垫结构不断塌陷压缩，该塌陷压缩过程为塑性变形无回弹。当脉宽调节缓冲垫结构被压缩至极限，弹丸被止挡盘结构阻挡停止向前运动时，砧体与弹丸瞬间分离，使得与砧体连接的冲击传感器所受冲击力突然消失为零，产生近似理想的下阶跃激励及响应。

4、本发明公开的一种强冲击传感器下阶跃激励发生装置，通过大量试验和数据分析，选出能够满足受冲击发生塑性变形无回弹的泡沫铝作为脉宽调节缓冲垫材料，经实验验证选用泡沫铝作为脉宽调节缓冲垫材料，能够产生近似理想的下阶跃激励及响应。

附图说明

图1为本发明所述计算方法对下阶跃响应信号处理过程的流程图。

图2为通过本发明所述计算方法步骤1.1得到的冲击传感器下阶跃响应的滤波曲线A。

图3为通过本发明所述计算方法步骤1.2得到的冲击传感器下阶跃响应的截断曲线B。

图4为通过本发明所述计算方法步骤1.3得到的冲击传感器下阶跃响应的归一化数据曲线C。

图5为通过本发明所述计算方法步骤1.4得到的冲击传感器下阶跃响应的归一化镜像数据曲线D。

图6为通过本发明所述计算方法处理后得到的近似一阶系统时域曲线。

图7为通过本发明所述计算方法计算后得到的近似一阶系统幅频响应曲线。

图8为通过本发明所述计算方法计算后得到的近似一阶系统相频响应曲线。

图9为通过本发明所述计算方法处理后得到的近似二阶系统时域曲线。

图10为通过本发明所述计算方法计算后得到的近似二阶系统幅频响应曲线。

图11为通过本发明所述计算方法计算后得到的近似二阶系统相频响应曲线。

图12为本发明公开的一种强冲击传感器下阶跃激励发生装置的结构示意图。

其中：1—弹丸、2—脉宽调节缓冲垫、3—止挡盘、4—砧体、5—冲击传感器。

图13为本发明所述下阶跃激励发生过程。

具体实施方式

为了表明本发明解决的技术问题及有益效果，下面结合附图和实施例对发明内容做进一步说明。

图1为本发明所述计算方法对下阶跃响应信号处理过程的流程图。

参照图1，本发明所述的利用下阶跃激励响应信号对高量程加载条件下强冲击传感器进行动态特性计算的方法，其具体步骤为：

步骤一，对冲击传感器下阶跃响应信号进行滤波处理，截取所得曲线峰值点之后的部分进行数据归一化处理后再上下翻转曲线得到冲击传感器下阶跃响应的归一化镜像数据曲线D。

步骤1.1：记下阶跃激励条件下冲击传感器加速时间即下阶跃响应信号波形持续时间为T，则选择FIR低通滤波器通带截止频率为10/T，阻带频率为15/T，通带波动为3 dB，阻带衰减为50 dB。使用该参数滤波器对冲击传感器下阶跃响应信号进行滤波处理，得到冲击传感器下阶跃响应的滤波曲线A如图2所示。

步骤1.2：截取所得曲线A峰值点之后的时域信号数据，得到冲击传感器下阶跃响应的截断曲线B如图3所示。

步骤1.3：以峰值点幅值为标准，将所得曲线B所有数据点幅值除以峰值点幅值进行归一化处理，得到冲击传感器下阶跃响应的归一化数据曲线C如图4所示。

步骤1.4：对所得归一化数据曲线C以峰值点幅值的一半即0.5为对称轴上下翻转得到冲击传感器下阶跃响应的归一化镜像数据曲线D如图5所示。

步骤二，步骤一所得归一化镜像数据曲线D近似为一阶或二阶系统时域曲线，将归一化镜像数据曲线D各参数代入一阶或二阶系统幅频特性及相频特性表达式得到冲击传感器幅频特性和相频特性，进而获取工作频带得到冲击传感器的动态特性参数，实现强冲击传感器下阶跃响应动态特性计算。

步骤2.1：步骤一所得归一化镜像数据曲线D近似为一阶或二阶系统时域曲线。

步骤2.2：当归一化镜像数据曲线D近似为一阶系统时域曲线时，将归一化镜像数据曲线D各参数代入一阶系统幅频特性及相频特性表达式得到冲击传感器幅频特性和相频特性，进而获取工作频带得到冲击传感器的动态特性参数，实现强冲击传感器下阶跃响应动态特性计算。

步骤2.2.1：取图6所示的归一化镜像数据曲线D到达稳定幅值的63.2%，即幅值归一化后的0.632处对应的时间值τ，τ即为时间常数。

步骤2.2.2：将时间常数τ代入一阶系统幅频特性表达式（1），得到冲击传感器幅频特性。

其中：ω为角频率。

步骤2.2.3：将时间常数τ代入一阶系统相频特性表达式（2），得到冲击传感器相频特性。

步骤2.2.4：将一阶系统幅频特性表达式（1）变换为一阶系统对数幅频特性表达式（3），将式（3）和式（2）角频率取对数后得到近似一阶系统幅频响应曲线如图7所示，近似一阶系统相频响应曲线如图8所示。由一阶系统对数幅频特性表达式（3）得到工作频带ω

步骤2.3：当归一化镜像数据曲线D近似为二阶系统时域曲线时，将归一化镜像数据曲线D各参数代入二阶系统幅频特性及相频特性表达式得到冲击传感器幅频特性和相频特性，进而获取工作频带得到冲击传感器的动态特性参数，实现强冲击传感器下阶跃响应动态特性计算。

步骤2.3.1：图9所示的归一化镜像数据曲线D幅值的瞬时最大偏差值与稳态值之比即为最大超调量σ，如式（6）所示。由阻尼比ζ与超调量σ的关系式（7）得到阻尼比如式（8）所示。过渡时间即调节时间，指系统受到扰动后回到稳定状态所经历的最短时间。由过渡时间t

其中：Y

其中：系数b在误差带范围取±5%时为3.5，在误差带范围取±2%时为4.4。

步骤2.3.2：将阻尼比ζ和固有频率ω

其中：ω为角频率。

步骤2.3.3：由二阶系统频率响应函数表达式（12）得到二阶系统相频特性表达式（14），利用二阶系统相频特性表达式（14）得到冲击传感器相频特性。

步骤2.3.4：将二阶系统归一化幅频特性表达式（13）变换为二阶系统对数幅频特性表达式（15），将式（15）和式（4）角频率取对数后得到近似二阶系统幅频响应曲线如图10所示，近似二阶系统相频响应曲线如图11所示。由二阶系统对数幅频特性表达式（15）得到二阶系统工作频带ω

若

若

如图12所示，本实施例公开的一种强冲击传感器下阶跃激励发生装置，包括弹丸1、脉宽调节缓冲垫2、止挡盘3、砧体4和冲击传感器5。所述脉宽调节缓冲垫2材料选用泡沫铝。脉宽调节缓冲垫2放置在砧体4凹槽中。脉宽调节缓冲垫2和砧体4放置在止挡盘3筒内。止挡盘3与炮管固定连接。弹丸1、脉宽调节缓冲垫2、止挡盘3、砧体4和冲击传感器5沿空气炮炮管轴线方向同轴安装布置。如图13所示，弹丸1被压缩空气推动由弹舱位置沿着空气炮炮管加速向前运动，弹丸1和脉宽调节缓冲垫2碰撞过程中，弹丸1通过脉宽调节缓冲垫2推动砧体4一起加速运动，脉宽调节缓冲垫2结构不断塌陷压缩，该塌陷压缩过程为塑性变形无回弹。当脉宽调节缓冲垫2被压缩至极限，弹丸1被止挡盘3结构阻挡停止向前运动时，砧体4与弹丸1瞬间分离，使得与砧体4连接的冲击传感器5受冲击力突然消失为零，产生近似理想的下阶跃激励及响应。

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而已，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。