壓電式加速度傳感器靈敏度對隨機振動試驗過程控制影響研究

鄧文晶，蔡李娟，杜鑫，盧佳曦，蔣軼峰

（上海航天控制技術研究所 測試與試驗技術中心，上海 201109）

引言

據統計運載火箭和航天器出現故障原因50 %來源于振動，振動問題一直是航天產品最難解決的技術難題之一[1]。為模擬航天產品在運輸、發射及在軌工作時實際經歷的復雜動力學環境，再現產品的動力學特性或考核產品結構設計的適應性與制造裝配的準確性，通常產品研制階段需在振動臺上開展可靠性功能驗證試驗，盡早的暴露設計缺陷與隱患[2]。在試驗驗證過程中振動控制系統輸出的力學環境準確性至關重要，若實際控制量級低于振動試驗規定條件將導致欠試驗，未能充分考核航天產品可靠性，潛在的缺陷會引發產品工作失效；反之控制量級過高時會致使在研制階段產品過試驗，無形中增加研制難度和研制經費[3]。因此，試驗過程中振動加速度信號的采集及反饋控制信號的處理直接決定試驗質量，本文針對隨機振動試驗控制過程存在的過試驗與欠試驗風險，從壓電式加速度傳感器靈敏度設置偏差的角度開展分析驗證工作。

1 數字式隨機振動控制系統結構及原理

數字式隨機振動控制系統主要分為模擬驅動信號生成、振動發生裝置、響應譜數據采集與控制儀的頻譜均衡四個重要過程，整個振動試驗控制系統的結構如圖1所示[4,5]。

圖1 數字式隨機振動試驗控制系統

本文采用的SignalStar 數字式振動控制儀（DP-760）在進行自檢時完成振動控制系統識別，在控制回路中通過發送的寬帶隨機激勵信號和同步采集的實測響應信號計算獲得初始系統逆傳遞函數（補償函數）。模擬驅動信號生成系統依據參考隨機譜和初始補償函數生成初始驅動譜，經過相位隨機調制、逆傅里葉變換和時域隨機化過程后形成符合要求的真隨機數字信號，然后通過數/模轉換器變成電信號濾除噪聲干擾后輸入振動發生裝置。功率放大器放大激勵信號驅動振動臺工作，壓電式加速度傳感器采集臺面的反饋信號經電荷放大器轉換后進入響應譜數據采集系統，濾除混疊頻率和響應信號噪聲干擾后經傅里葉變換獲得實測響應譜。在頻譜均衡過程中，控制儀的隨機振動控制算法依據實測的響應譜與驅動譜不斷更新系統逆傳遞函數以產生新的驅動信號，以上即實現整個振動控制回路中驅動信號的一次更新修正。

2 壓電式加速度傳感器連接電荷放大器工作過程

壓電式加速度傳感器因具有頻域范圍與動態范圍廣、靈敏度及機械強度高等優勢，已廣泛應用于振動監測與分析領域[6]。傳感器工作時基于內部壓電體的壓電效應，將所受的應力與變形轉換成電荷量輸出，當振動試驗控制頻率遠低于傳感器固有頻率時，傳感器輸出電荷量與受到作用力成正比[7]。

式中：

d—等價壓電系數；

m—質量塊的質量；

a—振動加速度。

傳感器的電荷靈敏度q/a 主要跟質量塊的質量與壓電材料壓電系數相關，在一定的頻率范圍與外界環境下，電荷靈敏度近似常數。壓電式加速度傳感器內部結構如圖2 所示。

圖2 壓電式加速度傳感器結構

在傳感器與電荷放大器組合的信號采集轉換電路中，傳感器壓電體等效于電荷源[8]，產生的電荷經連接電纜進入電荷放大器轉換成電壓輸出，其等效電路如圖3 所示。

圖3 壓電式加速度傳感器與電荷放大器等效電路

其中，電荷變換級輸入阻抗無限大的情況下，壓電體電阻Rd與放大器輸入電阻Ri并聯等效電阻可忽略，壓電體產生的電荷量q 基本都傳輸至反饋電容Cf上，電荷放大器的輸出電壓只跟壓電體輸出電荷量和反饋電容相關，與壓電體輸出電容Ce、電纜等效電容Cc和放大器輸入電容Ci均無關。

一般電荷放大器可改變反饋電容Cf來調整電荷放大級增益，從而實現電荷放大器輸出靈敏度（mV/g 或mV/m.s2）分檔調節，試驗前需根據振動控制量級和傳感器電荷靈敏度（pC/g 或pC/m.s2）選擇相應的輸出靈敏度檔位[9]，以此控制單位加速度值所對應的輸出電壓。

3 隨機振動試驗驗證分析

本文應用蘇試6 T 振動臺DC-6000-60、DP 公司Signalstar 控制儀DP-760、B&K 公司2692 型電荷放大器與4382 型壓電式傳感器等組成的振動控制系統，以最常見的產品環境應力篩選試驗條件為例，分析在隨機振動試驗時使用單點控制與兩點平均控制策略，傳感器靈敏度值偏差對于測量及控制準確性的影響。

B&K 公司2692 型電荷放大器使用時需設置電荷放大器輸出靈敏度（mV/g）與傳感器電荷靈敏度（pC/g），上述兩參數共同決定電荷放大器靈敏度（mV/pC），即確定電荷信號與電壓信號之間的變換關系。本文試驗過程中所用的B&K 傳感器校準靈敏度值約為30 pC/g，電荷放大器輸出靈敏度固定為10 mV/g。

圖4 展示了傳感器靈敏度偏差對振動測量準確性的影響。1 通道傳感器安裝在臺面中心位置進行單點控制，2、3 通道傳感器安裝在臺面對角邊緣處作為測量。電荷放大器內2 通道傳感器電荷靈敏度正常設置為30 pC/g，3 通道傳感器靈敏度值設置減半為15 pC/g，系統自檢報告顯示通道3 與通道2 相比自檢輸出電壓和試驗預測輸出電壓均翻倍，表明通道3 測量所得時域量級是通道2測量真實值的兩倍，轉換在頻譜圖上通道3 相比通道2功率譜密度放大至6 dB。

圖4 單點控制時測量傳感器輸出電壓差異及過程曲線

分析原因是在同一振動環境下，測量所用B&K 傳感器輸出電荷量基本相同，當電荷放大器輸出靈敏度固定為10 mV/g，3 通道設置傳感器靈敏度值減半為15 pC/g，此時電荷放大器內3 通道電荷信號與電壓信號之間的變換比（mV/pC）翻倍，因此2、3 通道傳感器在實際輸出電荷量相同的情況下，經電荷放大器后3 測量通道輸出顯示電壓（假值）為真實值的兩倍。

最常用的振動試驗控制策略為單點控制和兩點平均控制，分析此兩種策略下控制傳感器靈敏度偏差對振動控制結果的影響。在1、2、3 通道傳感器安裝位置不變的情況下，1 通道控制傳感器靈敏度減半設置為15 pC/g，2、3 通道傳感器正常設置為30 pC/g，觀察圖5 振動曲線中1 通道控制曲線表面上完全符合試驗需求，但2、3 通道測量傳感器所得真實試驗量級僅為條件規定值的-6dB，實際已導致受試產品欠試驗。原因是以1 通道傳感器進行單點控制時，當1 通道傳感器靈敏度設置減半為15 pC/g 時，系統自檢時該通道經電荷放大器轉換后所得量級是真實值的兩倍，控制儀根據該反饋信號與目標譜進行比較均衡，進而更新驅動譜和調節驅動電壓，對比圖4 與圖5 自檢報告中最大量級0 dB 時驅動電壓為1.652 V、0.806 V，表明此情況下真實控制時域量級為目標值的1/2，反映在頻譜圖上即為目標值的-6 dB。相反單點控制時若傳感器靈敏度設置偏大，會導致產品過試驗。

圖5 1 通道傳感器單點控制策略下靈敏度減半時過程曲線

兩點平均控制策略下設置1、2 通道傳感器進行控制，3 通道監測振動控制真實量級，圖6 所示為1、2 控制通道傳感器某一靈敏度減半為15 pC/g 時振動過程曲線，觀察兩點平均擬合的控制曲線表面上嚴格符合條件參考值，但從3通道測量所得反映出真實控制量級遠低于規定值，此時值得關注的是3 通道測量曲線與控制傳感器中靈敏度正常設置的控制曲線基本一致。

圖6 兩點平均控制時1 通道、2 通道控制傳感器靈敏度減半時過程曲線

原因是兩點平均振動控制的實現是將1、2 控制點的響應譜信號經算術平均合成一個虛擬反饋信號，然后與目標譜進行比較并使用兩者之間的誤差修正驅動信號。當其中一個控制通道靈敏度減半時系統自檢所得該通道反饋量級是真實值的兩倍，此時合成的虛擬控制信號相比真實值偏大，控制儀根據該偏大的虛擬控制信號就會降低驅動電壓輸出從而導致欠試驗。其中兩點平均控制設置1、2 通道傳感器為控制點，但傳感器的作用實質上只能測量，只是控制儀算法根據該兩點的測量反饋量級調節輸出信號，所以3 通道監測曲線與控制傳感器中靈敏度正常設置的控制曲線基本一致。反之若1、2 控制通道傳感器某一靈敏度增加時會導致增大驅動電壓輸出從而導致過試驗。

4 結論

本文介紹了數字式隨機振動試驗控制系統的主要結構與工作原理，著重分析振動信號經壓電式加速度傳感器采集、電荷放大器轉化的工作過程，驗證分析了傳感器靈敏度偏差是如何影響隨機振動試驗控制準確性。試驗結果表明電荷放大器內傳感器靈敏度設置偏小會導致控制系統識別量級增大，當振動控制過程采用該反饋信號實施單點控制或兩點平均控制策略時，振動臺真實輸出量級均會相應減小，此時雖然程序頁面顯示的控制曲線表面上符合試驗條件需求，但實際已導致受試產品欠試驗。反之傳感器靈敏度設置偏大導致控制系統識別量級減小，振動臺真實輸出量級變大導致受試產品過試驗。本文研究成果可作為試驗員開展振動試驗的理論依據，及時定位解決振動控制過程量級偏離問題，同時也為產品振動試驗過程失效分析提供方向。下階段研究采用兩通道或多通道信號實現振動控制策略時，將各通道信號與擬合控制信號之間誤差作為試驗開始參考因素，爭取從源頭上降低航天產品過試驗與欠試驗現象。