基于pulse系統(tǒng)的電動(dòng)式振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)校準(zhǔn)

于雪蓮 王仲亮 孔慶有 吳紅肖 劉業(yè)路

中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所 遼寧 沈陽(yáng) 110015

關(guān)鍵字 振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)；校準(zhǔn)；快速傅立葉變換分析；隨機(jī)信號(hào)

引言

在航空領(lǐng)域，電動(dòng)式振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)常用作發(fā)動(dòng)機(jī)葉片疲勞試驗(yàn)的設(shè)備，是一種檢測(cè)產(chǎn)品可抗振試驗(yàn)的儀器。電動(dòng)式振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)因?yàn)槟軌蛟缙诎l(fā)現(xiàn)試件故障、模擬結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)，產(chǎn)品應(yīng)用范圍廣泛、適用范圍寬、適用面廣等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)電動(dòng)式振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)計(jì)量性能認(rèn)識(shí)以及考核方式也越趨完善。2018年由國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局頒布的JJG 948-2018《電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)檢定規(guī)程》替代了JJG190—1997《電動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)》，對(duì)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)考核增加了振動(dòng)控制器性能和隨機(jī)信號(hào)的檢定/校準(zhǔn)要求，傳統(tǒng)使用數(shù)表開(kāi)展數(shù)據(jù)讀取的校準(zhǔn)方法已無(wú)法滿足新版規(guī)程的要求。本文著重介紹了使用B&K公司pulse分析儀開(kāi)展電動(dòng)式振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)校準(zhǔn)的方法。

1 PULSE系統(tǒng)組成

動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀作為PULSE系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集前端。具有24位A/D轉(zhuǎn)換器和160dB動(dòng)態(tài)控制范圍。數(shù)據(jù)采集前端中的模塊采用POE、PTP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以根據(jù)不同的信號(hào)類型選擇直接接入電壓信號(hào)和恒流源線驅(qū)動(dòng)，滿足不同類型傳感器輸入。

根據(jù)測(cè)量參數(shù)建立測(cè)量過(guò)程，通過(guò)對(duì)個(gè)通道傳感器和信號(hào)參數(shù)配置，向信號(hào)分析儀中添加信號(hào)組設(shè)置信號(hào)的屬性。最后通過(guò)信號(hào)組中添加不同函數(shù)進(jìn)行測(cè)量[1]。

2 校準(zhǔn)電動(dòng)式振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)所需主要設(shè)備

加速度傳感器和三軸加速度傳感器：不確定度小于2%(k=2)；

A級(jí)動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀：能夠同時(shí)進(jìn)行多通道、實(shí)時(shí)、快速傅立葉變換分析。

3 電動(dòng)式振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)振動(dòng)控制器校準(zhǔn)

振動(dòng)控制器產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)過(guò)功率放大器放大后驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)。

為了更好分析振動(dòng)葉片波形，需要保證控制器的頻率分辨率和電壓幅值諧波失真度。

將控制器信號(hào)輸出端接動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀。根據(jù)振動(dòng)控制器工作頻率上下限頻率值選取頻率值，通過(guò)設(shè)置分析帶寬頻和譜線數(shù)，計(jì)算分析帶寬頻和譜線數(shù)的比值得到頻率分辨率。保證頻率分辨率滿足頻率示值誤差要求。

控制儀在測(cè)量頻率上適當(dāng)量級(jí)控制，動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀可以用頻譜分析法測(cè)量并計(jì)算諧波失真度γ，用動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀測(cè)量該頻率下幅值和大于五倍頻率的諧波幅值，計(jì)算諧波失真度γ。pulse系統(tǒng)用頻譜分析法測(cè)量諧波失真度。利用頻率分析法測(cè)量各次諧波的含量并計(jì)算波形失真度的方法，諧波失真度γ可以用下面公式表示。頻譜分析法儀可以較好地解決超低頻率失真的測(cè)量。測(cè)量諧波失真度測(cè)量準(zhǔn)確度能夠達(dá)到（1%～3%）。振動(dòng)控制器正弦信號(hào)諧波失真度如圖1。

圖1 振動(dòng)控制器正弦信號(hào)諧波失真度

式中：

頻譜分析法儀測(cè)量諧波失真度改變了用失真度測(cè)量?jī)x測(cè)量諧波失真度的方法。失真度測(cè)量?jī)x大多采用基波剔除法，通過(guò)具有頻率選擇性的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)抑制基波。首先測(cè)量包括基波在內(nèi)的被測(cè)信號(hào)的總電壓，再將被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)基波抑制電路除去其基波分量，得到各次諧波的總電壓。將兩次測(cè)得的讀數(shù)比較，得到諧波失真度。可用下式表示：

式中：

失真度測(cè)量?jī)x測(cè)量諧波失真度測(cè)量的誤差相對(duì)較大。準(zhǔn)確度能夠達(dá)到（5%～10%）。

4 電動(dòng)式振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)正弦信號(hào)校準(zhǔn)

正弦信號(hào)可以評(píng)定特定頻率和幅值下抗振能力，能夠考核不同狀態(tài)下所受振動(dòng)對(duì)測(cè)量的影響。需測(cè)量振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面加速度幅值均勻度和向振動(dòng)比。

用將振動(dòng)臺(tái)控制加速度計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)加速度套組按下圖2所示安裝好，可以在振動(dòng)臺(tái)工作頻率范圍內(nèi)測(cè)量臺(tái)面加速度幅值示值誤差、振動(dòng)臺(tái)頻率響應(yīng)特性。用傳遞函數(shù)法測(cè)量臺(tái)面不同位置加速度幅值，直接得到加速度幅值均勻度。

圖2 電動(dòng)式振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)校準(zhǔn)框圖

將圖2標(biāo)準(zhǔn)加速度套組換成三向加速度傳感器，加速度傳感器通過(guò)電荷放大器連接多通道動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀。用快速傅里葉分析法可以得到振動(dòng)臺(tái)工作頻率范圍內(nèi)臺(tái)面各方向加速度幅值。通過(guò)建立各通道函數(shù)組幅值間函數(shù)關(guān)系，插入PLF功能項(xiàng)進(jìn)行計(jì)算，調(diào)用RESULT結(jié)果可以直接讀取振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)臺(tái)面橫向振動(dòng)比，減少?gòu)?fù)雜的計(jì)算過(guò)程，避免由于人工讀數(shù)和計(jì)算容易出錯(cuò)，減少煩瑣的數(shù)據(jù)處理，極大地了提高工作效率。

5 電動(dòng)式振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)隨機(jī)信號(hào)校準(zhǔn)

隨機(jī)振動(dòng)能更好地模擬振動(dòng)環(huán)境，能揭示出發(fā)動(dòng)機(jī)葉片在不同分量共同作用下的損壞程度。描述隨機(jī)振動(dòng)的主要參數(shù)是總均方根和功率譜密度。

加速度總均方根值是加給振動(dòng)臺(tái)的總能量，是所設(shè)譜形下總面積的平方根值。校準(zhǔn)時(shí)根據(jù)圖3設(shè)置譜形。

圖3 隨機(jī)信號(hào)試驗(yàn)系統(tǒng)校準(zhǔn)譜形圖

采用動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀直接測(cè)量試驗(yàn)系統(tǒng)加速度總均方根值和加速度功率譜密度。配合低通濾波器截止頻率的設(shè)置用分析儀測(cè)量頻帶內(nèi)外的總均方根值，通過(guò)計(jì)算二者之比，得到隨機(jī)加速度總均方根值帶內(nèi)帶外加速度總均方根值比。

利用圖3的譜形圖可以測(cè)量試驗(yàn)系統(tǒng)隨機(jī)加速度總均方根值和加速度功率譜密度橫向振動(dòng)比、隨機(jī)加速度總均方根值和加速度功率譜密度控制精度等控制參數(shù)。還可以根據(jù)使用需求實(shí)現(xiàn)正弦加寬帶隨機(jī)振動(dòng)、窄帶隨機(jī)加寬帶隨機(jī)振動(dòng)等復(fù)合信號(hào)校準(zhǔn)。

6 校準(zhǔn)注意事項(xiàng)

在用FFT對(duì)信號(hào)處理中，由于不可能對(duì)無(wú)限長(zhǎng)的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和分析，因此通過(guò)對(duì)信號(hào)截?cái)噙M(jìn)行相關(guān)分析，在信號(hào)截?cái)噙^(guò)程中不可避免會(huì)產(chǎn)生能量泄露，即信號(hào)的頻譜畸變。為了減少因截?cái)嘁氲恼`差可以對(duì)信號(hào)加窗處理。振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)中常用的窗函數(shù)有矩形窗、平頂窗和漢寧窗。下表列出不同應(yīng)用場(chǎng)合需要加的窗函數(shù)類型。

不同類型窗函數(shù)的特點(diǎn)

針對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)中根據(jù)不同類型信號(hào)特點(diǎn)，加入不同窗函數(shù)減少能量泄露，以提高測(cè)量準(zhǔn)確度。

7 結(jié)束語(yǔ)

pulse系統(tǒng)校準(zhǔn)電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)全部參數(shù)的校準(zhǔn)，保證振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)量值溯源的可靠性。軟件配合計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析和處理。對(duì)于振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)各參數(shù)的性能分析有重要的參考意義。