振動傳感器在強噪聲環境下的工作性能分析

李春杰 郭濤 閆明明

【摘要】 振動傳感器在大型飛行器的振動信號測試方面有著舉足輕重的地位，但是大型飛行器的內部環境比較惡劣。如果振動傳感器在惡劣環境中不能正常工作，這會給飛行器的正常運行帶來很大的安全隱患，因此采用GJB 150.17-86標準對振動傳感器進行噪聲鑒定試驗。實驗結果表明該振動傳感器在強噪聲試驗環境下性能正常，可以完成飛行器振動信號的監測。

【關鍵詞】 振動傳感器 大型飛行器 噪聲試驗 GJB 150.17-86

在航天領域隨著大型飛行器的出現，振動監測就成為飛行器地面測試中的重要環節。顫振一直是飛行器在飛行過程中的一個重大安全隱患，如果顫振的固有參數等于或大于飛行器設計的固有參數，飛行器將面臨解體的危險，所以必須對飛行器在運行過程中受到的顫振信號進行監測[1]，振動傳感器是檢測環節的重中之重。

飛行器運行過程中惡劣的工作環境是否會對傳感器的正常工作帶來影響就成了地面測試中必考察的一項；振動傳感器地面測試模擬試驗的成功與否決定其能否正常的完成監測任務。飛行器在高速飛行過程中會產生強的噪聲場，會對振動傳感器的正常工作帶來安全隱患。為了驗證振動傳感器在強噪聲場中的工作性能和耐強噪聲的能力。對振動傳感器進行噪聲試驗，噪聲試驗標準采用GJB 150.17-86[2]。

一、GJB 150.17-86標準

本標準規定了軍用設備噪聲試驗方法，是制定軍用設備技術條件或產品標準等技術條件相應部分的基礎和選用依據。

1.1 試驗目的

考核設備在強噪聲場中的工作性能和耐強噪聲的能力，測定設備對強噪聲的響應。

1.2 試驗譜型

振動傳感器采用懸掛法進行噪聲試驗，噪聲加載采用圖1的譜型。

1.3 合格判斷

設備進行過噪聲試驗后，符合下列要求即認為是合格[3]：（1）試驗過程中需要進行功能測試的設備，試驗時設備的功能不失效，性能、精度未超差；（2）試驗過程中不需要進行功能測試的設備，試驗后設備的功能不失效，性能、精度未超差；（3）試驗后，檢查結構，不能出現變形、松動等結構變形。

1.4 試驗步驟

（1）將振動傳感器用網兜懸掛于噪聲室中，不與墻壁或其他固體接觸；（2）對振動傳感器先進行無噪聲環境的信號采集，作為參照數據；（3）在強噪聲環境下對振動傳感器進行信號采集。

二、數據處理與分析

2.1 數據處理方法

數據處理采用Matlab軟件[4]，處理方法采用快速傅里葉變換函數（FFT）[5]。FFT的輸出是每個采樣點（共N個）對應的振幅（需要值得一提的是，準確地講它們的絕對值才是振幅）或者能量值（該值的絕對值越大，說明該點對應的周期越明顯）。

在這些輸出值中，第1個值是對應的直流分量的振幅（其實就是周期為無窮的可能性），那么第2個值對應第1個采樣點，第3個對應第2個。第n個對應第n-1個采樣點。而且這個輸出是對稱的，只需關注前N/2個采樣點。那么第n個點的頻率的計算公式是Fn=（n-1）*Fs/N，其中Fs是采樣頻率。由此就可以計算出n點對應的周期，它是頻率的倒數，即Tn=N/（（n-1）*Fs）。

2.2 數據處理結果分析

首先采用Matlab對參照數據進行處理得到數據的時域圖形（見圖2），然后對試驗數據進行處理得到時域圖形（見圖3）。

由圖2可以看出，傳感器的輸出很穩定（野點已經去掉），直流信號穩定在2.5±0.01V。圖3很明顯的說明了振動傳感器在噪聲試驗開始后有信號輸出，這是因為振動傳感器懸掛于噪聲室中，強噪聲環境引起空氣振動，空氣振動的能量引起傳感器的機械振動，傳感器感受到機械振動有信號輸出，這是合理的現象。

對參照數據進行FFT分析，得到數據的幅頻曲線圖，如圖4所示。將試驗數據同樣進行FFT分析，得到的幅頻曲線圖見圖5。

圖4說明參照數據的頻率主要集中在20Hz左右，其他頻率的信號振幅只有不到10-4數量級，對于數據組成沒有多大貢獻，分析數據時可以忽略。圖5說明了噪聲試驗中傳感器輸出的數據主要成分大多集中在500Hz左右，并且振幅的數量級已經到了10-3，可以看到噪聲試驗對于振動傳感器的影響還是顯而易見的。

結合時域圖與頻譜圖計算可以得知：振動傳感器輸出交流信號幅值大約為100mv，傳感器的靈敏度為24.9mv/g，也就是說強噪聲對振動傳感器造成的加速度為4個g左右。相對比-100g～+100g的量程來說，造成了2%的輸出。

2.3 結論分析

由試驗過程中對振動傳感器進行的功能測試可知：振動傳感器在強噪聲環境下有信號輸出，并且信號是因為噪聲環境引起的機械振動而輸出的，證明振動傳感器在強噪聲環境下性能正常；在噪聲試驗后檢查該振動傳感器外形結構、電纜、接插件等部件，沒有出現變形、松動等結構變形；然后對該振動傳感器重新進行性能指標的測試，如表1所示，均和噪聲試驗前一致。

接著對振動傳感器進行掃頻試驗，得到頻率響應曲線圖，見圖6。

圖6為振動傳感器與標準傳感器比值的幅頻曲線，可以看出振動傳感器在10～2K的頻響范圍內曲線平滑仍然保持比值為1，具有較好的效果，說明振動傳感器的靈敏度符合設計要求。

振動傳感器在使用過程中將被牢固的固定在飛行器的振動信號監測位置，即振動傳感器與安裝位置作為一個機械系統[6]。強噪聲對飛行器引起的機械振動微乎其微，并且飛行器引起的噪聲強度低于160dB，因此該振動傳感器在強噪聲場中也可以圓滿完成飛行器振動信號的監測工作。

三、結束語

本文采用GJB 150.17-86標準對振動傳感器進行了噪聲試驗，實驗結果表明振動傳感器在噪聲場中性能正常，可以感受到機械振動并有信號輸出。同時實際監測過程中該振動傳感器的安裝方式可以將強噪聲引起的機械振動弱化甚至完全消除。因此該振動傳感器可以在大型飛行器的振動監測工作上圓滿完成監測工作。

參 考 文 獻

[1] 唐貴. 近距離低功耗無線振動傳感器網絡設計與實現. 2012

[2] GJB 150.17-1986，軍用設備環境試驗方法—噪聲試驗[S].

[3] 游亞飛，徐路，孫明陽等. GJB 150.170A噪聲試驗方法介紹與分析[J]. 裝備環境工程. 2010.12（6）：33-35

[4] 唐勝景. 基于Matlab的飛行器系統動態特性分析[J]. 北京理工大學學報. 2004. 10（24）：866-873

[5] 劉小群，周云波. 基于Matlab的DFT及FFT頻譜分析[J]. 山西電子技術. 2010.4：48-49

[6] 邵闖，黃文超. 機載設備的噪聲環境試驗研究[J]. 裝備環境工程. 2009（6）：46-50