红外光电式冲量标定装置关键技术研究*

张 锐

（长沙航空职业技术学院，湖南 长沙 410124）

目前，微型涡轮发动机、微型化学推进系统和微型电推进系统等高性能微型动力装置的研制及性能测试，离不开对动力装置的推力、冲量性能参数的测量。高精度的标定装置是实现推力及冲量高精度测量的关键。重力标定法是通过将一定质量物体置于试验机内，在合理的高度进行释放，运用锤体自由下落的方式和冲击测量台架进行标定的方法，该过程涵盖了重力势能转换为冲击能量的转化过程。通过判定红外光电式冲击速度，测量试验品的剩余能量，是冲量标定的关键。

1 红外光电式冲击速度测量装置的基本概述

首先，在落锤单一试验机进行锤击过程中，会受到导向装置的摩擦、护管摩擦以及空气阻力等作用，产生相应的热能，导致能量出现一定的损失。所以，能量损失作为红外光电式冲击速度测量装置在运行过程中的重点参数，可用于装置的校准[1]。

其次，由于不同结构、材料对冲击速度是具有不同要求的。通常情况下非金属材料所需要的冲击速度是相对较慢的，而金属材料则需要较快的冲击速度。据此，对钢材撕裂试验中的相关内容进行分析，得出落锤冲击试验机在运行过程中需要以5 m/s~9 m/s的速度运行，才能达到所需的检测标准。误差控制在0.5%，落锤在瞬间产生的冲击速度更为重要[2]。

2 红外光电式冲击速度测量装置分析

2.1 红外光电式速度测量装置运行原理

红外光电式速度测量装置的运行原理，是依附于两个固定距离的圆柱，让其可以安装于磁力表座上，在冲击试验机以及磁力表座的落锤相连区域内，实现对红外光电式速度的测量[4]。同时，冲击速度测试装置涵盖了频谱处理模块、传感器以及信号处理模块等内容，会严格遵循信号的连接方式，通过正交混频器、自动增益控制器、放大电路等相关装置的运行接收信号，并可控制自动增益电路，合理排布电路之间的信号连接方式，通过整形电路以及滤波电路等手段，控制连接区域内的主频为150 MHz。

同时，红外光电式传感器会与另外一个磁力表座进行连接，让其可以完全固定于冲击试验机上，使其能够应用于不同的位置上，在落锤工作实施过程中则可通过速度冲击产生的差异，确认所需固定的距离并确保磁力表座可以穿过传感器。这样，冲击速度测量装置则可结合环境特点，增加在环境中的适应性，运用冲击振动试验机的方式，选取对应的实验对象，确保其可以承受振动频率，减少在设备运行过程中的干扰因素，利用环境优势激励冲击速度测量装置的检测工作的开展，运用两次遮挡的方式计算出具体的时间间隔，并且能够以两个圆柱的距离为基础，合理地计算出其速度[5]。

另外，冲击速度作为控制的主要因素之一，根据实验强度值，保证在系统中测速仪所检验的结果准确无误，通过低速测量方式，缩短当前物体的冲击面，从而让传感器的感应时间不会受到速度的振动影响。利用测速雷达，实现与多普勒信号的同步运行，进而高速采集数据。其中，落锤的冲击能量的产生是源自于落锤在固定高度的自由落体运动[6]。所以，在红外光电式速度测量装置运行过程中，更应重视装置中的重力势能，通过重力势能转变为动能的方式，实现对落锤冲击时间的测量，则可计算出该区域内的具体冲击速度。

2.2 红外光电式速度测量装置研制手段

根据红外光电式速度测量装置的响应时间分析，若在0.1 ms以内，划分为红外线的类型，让光感器作为主要的测量元件[7]。

首先，通过预留空间的拓展，让所遮挡的圆柱可以通过此区域，将传感器中的槽宽固定距离规划为30 mm/50 mm。这样，可降低其他因素以及可抗光带来的干扰，增强装置在环境中的适应性。

其次，工作频率在300 kHz以内，则可运用多功能脉冲表对光电传感器内的脉冲信号进行解读，控制好其中存在的时间间隔，并且运用测量仪完成对脉冲信号的检测工作[8]。

再次，需要运用计量溯源的方式，以时间作为基准，加强对时间的测量设计，保证两次时间间隔保持一致，通过显示值的设定，增加脉冲信号的应用，从而让其能够在下一时间内进行脉冲信号的输入，这样，则可控制多功能脉冲表，让其中的显示位数能够调整为0.01 ms。

最后，选用互换性强、易于拆卸的磁力表座，担任固定单元或遮挡链接模块[9]。这样，在圆柱直径中的固定距离被确认后，则可将圆柱的直径划分为10 mm。由此方式，既可以满足不同冲击环境下的测量需求，又能够通过中心距离设计的方式，让圆柱中心距离可以分布为20 mm、50 mm、100 mm以及200 mm等规格。

基于该滑坡位移特征分析可知，其在2008年8月至2009年9月间的位移明显，因此，选取该时段作为本文滑坡位移预测研究的对象。由于实际水位调度曲线具有一定波动性，为了更方便且合理地进行数值模拟，对三峡水位调度曲线进行概化，忽略局部微小波动，最终将该时段的水位调度简化为以下8种计算工况(见表1)。

2.3 红外光电式冲击速度测量装置的组成

1）通过高精度的计时器，控制其分度值在1 ms以内，运用优化进度的方式，实现对开关信号的控制并划分出触电短路区域，完成后续的计时操作。

2）增加高灵敏度开关的应用，设置常开模式并规划出平衡点所在位置，让平衡点所在位置为常闭状态，一旦其受到振动，则会瞬间断开，将其响应时间规划为0.2 ms。

3）设置按钮开关为常闭开关。

4）通过冲击振动板作为传递装置，运用2 0 mm*400 mm*1 mm的普通铁板作为冲击振动传递板。将此板应用于砧座上方，在进行自由下落时落锤则会下落到底部。这样，通过锤击的方式，则可产生振动并保证常闭振动开关可以断开，使计时器能够在短时间内停止计时[10]。

2.4 溯源

通过红外光电式冲击速度测量装置的校准方式，规划出装置的时间以及长度，控制其与两个圆柱之间的距离，则可实现对红外光电式冲击速度测量装置的溯源。

首先，在长度测量阶段，可选用千分尺、测长机以及卡尺进行长度的校准工作。在测试工作执行完毕后，根据动力特性试验的操作规则，规划出具体的冲击速度，使其中的动态性参数，如阻尼、振型、频率等更加明显。这样，在振动筛选试验合理运行的基础上，则可让生产线上的组件、元器件、整机能够合理地进行振动。同时，可通过落锤试验的方式，计算得出在长度参数测量过程中装置内存在的不确定度会高于0.03 mm。

其次，可让冲击试验机的测量范围控制在300 J以内，通过A/B/C的实验方式，合理地运用半自动气动夹紧装置。在控制好冲击试验机的下落高度后，则可运用计算机设备实现对落锤升降状况的观察，通过电磁铁的自动捕捉方式，避免试样出现二次冲击问题。

最后，若转速标准装置可以提供对应的标准转速，则其可带动圆柱的时间，在固定时间内通过传感器；同时，多功能脉冲表在读取传感器的过程中，需要分化时间的间隔，根据转速标准装置之间存在的标准度等级进行分析，让设备在测量过程中能够符合JJG 326—2021《转速标准装置检定规程》的要求。这样一来，当转速的标准限值被规划为0.01时，则可通过转速进行对应的拓展工作，使转速更加稳定，可以恒定在10 r/min。在经过试验后，其中的时间参数误差则可被控制在0.2 ms以内，完成对本装置的溯源操作。

3 测量阶段不确定度评估

3.1 数学模型

在红外光电式冲击速度测量装置应用过程中需遵循装置的测量原理，将数学模型的测量公式规划为：

其中，V表示装置的运行速度；L表示两个圆柱之间的距离；T表示装置在运行过程中的实际间隔时间。

3.2 不确定度灵敏系数及传递公式

在红外光电式冲击速度测量装置工作实施过程中，应明确不同分量之间存在的独立性，通过对不确定因素的规划，了解其中存在的合成标准不确定度、灵敏系数和长度分量方面的标准不确定度以及时间分量标准中的不确定度。这样一来，通过灵敏系数之间的区别，则可规划出不确定度灵敏系数及传递公式。

3.3 不同分量标准中的不确定度

首先，为明确不同分量标准中的不确定度，可通过便携式速度测量的方式，控制好两个圆柱之间的距离，让两者之间的距离可以控制在200 mm以内。这样，则可通过卡尺的测量长度，遵循JJG 30—2017《通用卡尺检定规程》中的相关规则，让数显卡尺的长度控制在200 mm，并将误差范围设置在0.03 mm之内。由此方式，则可运用矩阵分布的方式进行计算，得出相对标准的长度分量，并计算出其不确定度。

其次，根据时间分量之间存在的不确定度进行分析，合理规划时间测量误差的标准值。通过测试的方式，则可实现对多功能脉冲表、槽形红外光电传感器的测试。这样，则可控制时间测量过程中产生的误差，让其误差值控制在0.2 ms以内。利用矩阵分布的计算方式，实现对时间测量误差标准的规划，明确其中存在的不确定度。

再次，在时间测量重复性的过程中，可在重复的状态下，合理地运用转速装置，依托时间进行对应的校准操作，保证测量工作能够开展11次。这样一来，则可根据所得出的时间对测量工作中的重复性进行计算，得出标准不确定度。

最后，根据上述两项的合成方式，规划出对应的时间测量误差，设置标准值，保证不同分量标准中的不确定度是准确的。

3.4 扩展及合成标准中的不确定度

若在合成标准中速度为V=2 m/s，则检测其中的合成标准不确定度是在0.002 3 m/s以内，则合成相对标准的不确定度是0.002 3/V*100%=0.115%。此时，可依托GB/T 27418—2017《测量不确定度评定和表示》中的相关标准进行分析，明确报告中所表示的不确定度和相关因子。

这样一来，通过不同速度之间标准度的误差，则可计算出不确定度的情况。使测试人员可以严格遵循JJF 1094—2016《测量仪器特性评定》中的相关规则执行下一步操作，让测量仪器中所显示的误差值能够满足基本评定需求。据此，通过误差评定的方式，则可掌握红外光电式冲击速度测量装置在运行阶段出现的影响因素，促使在评定仪器与不确定度相互比较的过程中能够得出绝对值（MPEV）之比。经计算得出该数值小于或是等于1.3。同时在冲击速度低于10 m/s的前提下，红外光电式冲击速度测量装置的拓展不确定度可以控制在0.2以内，可以满足试验机的校准需求。

4 结论

综上所述，红外光电式冲击速度测量装置由圆柱（固定距离）、槽形红外光电式传感器、脉冲表（多功能）、磁力表座组合而成，在使用过程中具有明显的优势，携带方便，造价低且易于装拆。因此，通过不确定性的评估试验表示，在同等冲击速度环境下，范围区间在10 m/s以内的装置，可降低红外光电式冲击速度测量装置中的误差，使其基本满足落锤式冲击试验机的要求，这样，则可根据包装件的运行和水平，使试验系统设备的校准要求得到满足，达到对斜面冲击、横向冲击以及垂直冲击等方面的速度测量装置检测要求。