基于LabVIEW的沖擊響應譜校準系統研究

朱永曉，厲巍

(貴州航天計量測試技術研究所，貴州貴陽550009)

0 引言

隨著環境試驗方法的更新和進步，對沖擊參數的考核也越發嚴格和科學。振動和沖擊經常一起出現，但振動是一種穩態的持續過程，而沖擊則相反。在環境試驗中，沖擊試驗的目的并不是研究沖擊自身，而是關注沖擊作用于受測品或系統的效果，用能量的說法就是研究沖擊運動對系統造成的損傷勢。國外標準中早已出現的沖擊響應譜試驗，即是研究該損傷勢的環境試驗方法。實踐證明，沖擊響應譜試驗能夠早期暴露產品在材料、結構和工藝等方面的缺陷。為了保證產品在高沖擊環境下的可靠性，有必要進行高沖擊環境模擬試驗以便盡早暴露結構缺陷。目前，沖擊響應譜試驗在國內也逐漸得到推廣，成為了部分航天航空產品的力學環境試驗項目之一。

但是目前，沖擊響應譜還沒有十分有效地校準方法，國內也尚無相關方面的校準規范。隨著沖擊響應譜試驗機的廣泛運用，對沖擊響應譜進行校準的需求日益增加。針對上述問題，本文研建了一種基于Lab-VIEW的沖擊響應譜校準系統，以滿足現有校準需求，實現對沖擊響應譜的校準。

1 沖擊響應譜分析理論

傳統沖擊試驗以簡單脈沖產生的沖擊效果來模擬實際沖擊環境，例如圖1(a)所給出的兩個面積相等但波形不同的半正弦脈沖(它們的速度變化相等)以及圖1(b)所示的兩個相同半正弦脈沖但其中之一疊有一極窄脈沖，僅用時間歷程難于判別它們之間損傷勢的異同，甚至可能得出錯誤的結論。

圖1 沖擊波形的時域比較

沖擊響應譜試驗與傳統沖擊試驗不同，可從沖擊作用于系統的效果進行分析，其物理模型見圖2。大部分系統或結構均可用單自由度系統表征，沖擊響應譜即指一系列固有頻率不同的單自由度線性系統，受到同一沖擊激勵后響應的總結果。它不是描述沖擊本身，而是描述沖擊的影響。

圖2 沖擊響應譜的物理模型

對圖1中所示各沖擊波形進行沖擊響應譜分析后，如圖3所示。由響應譜的比較可知，沖擊脈沖A對高頻系統危害較大，而B對低頻系統的損傷勢大;脈沖C和脈沖D雖時間歷程峰值相差很大，但其譜的差異除極高頻外均可忽略，也就是說兩者的損傷勢在系統頻率不是很高時是相同的。

通過沖擊響應譜可判定出:系統在沖擊作用下，各固有頻率結構的沖擊響應峰值大小，進而得出各個結構是否損傷的結論。根據不同的響應參數，沖擊響應譜可分為等效加速度、速度譜、相對位移譜和絕對加速度、位移譜。環境試驗中常用的是相對位移譜和絕對加速度譜，相對位移譜常用于考核沖擊強度，而絕對加速度譜常用于規范沖擊環境。本文中描述的校準系統，舉例時繪制的曲線就是一條絕對加速度譜。

圖3 與圖1相應沖擊的沖擊響應譜波形

2 軟件編制

2.1 分析算法

沖擊響應譜的分析算法按出現時間先后可分為兩類:一類是較早的FFT方法、直接積分法、遞推法和遞歸數字濾波法;另一類是后期出現的應用于實際工程中的:樣條函數法和改進的遞歸數字濾波法，后兩個方法都是基于大量的實際應用，后逐步改進優化的。本文中描述的軟件計算方法即是改進的遞歸數字濾波算法，該方法克服了遞歸數字濾波法低頻時結果不穩定等問題，且計算速度快，計算精度高。該方法是Smallwood于1981年提出的，他用廣義斜臺函數來代替脈沖不變模型。廣義斜臺函數為［2］

式中:A是在t=KΔt時斜臺的斜率;u(t-KΔt)為單位階躍函數。應用疊加原理，可得到比原來的遞歸數字濾波法的矩形逼近更精確的模型:梯形函數逼近沖擊輸入的模型。

設輸入信號ii(t)的采樣值為Ui，i=1，2，…，N。單自由度系統響應x(t)的采樣值為xi，i=1，2，…，N。則有如下的斜臺不變模型的遞歸公式:

對系統的絕對加速度響應:

2.2 軟件流程

依據沖擊響應譜分析算法和實際校準步驟，本校準軟件主程序流程圖如圖4所示，軟件流程圖如圖5所示。

圖4 沖擊響應譜校準軟件流程圖

圖5 沖擊響應譜校準主程序流程圖

沖擊響應譜的求解是典型的線性系統在脈沖激勵下的響應求解［3］，依據程序流程圖及分析算法，運用LabVIEW數字濾波器和異步事件處理(AMC)的編程架構［4］，本文編寫了沖擊響應譜校準軟件SRS-Lab-VIEW 1.0。軟件主界面如圖6所示。

圖6 軟件界面圖

3 試驗驗證

3.1 試驗對象

選取擺錘式沖擊響應譜試驗機，試驗時，先將產品剛性固定在試驗機的安裝臺面上，升起擺錘產生勢能，然后放下擺錘使其撞擊安裝臺面端面，通過事先安裝好的墊塊來調節沖擊響應譜，由測試分析系統觀測產生的目標譜形。圖7為沖擊響應譜試驗機結構原理圖。

圖7 沖擊響應譜試驗機結構原理圖

3.2 校準方法

把校準系統與沖擊響應譜試驗機控制系統所用壓電加速度計剛性地連接在試驗機端面(盡可能靠近)，按試驗要求設置好各參數，待試驗機落錘后，同時采集瞬時沖擊信號，并將兩者分析處理得到的沖擊響應譜結果進行比對，校準原理框圖如圖8所示:

圖8 校準原理框圖

3.3 校準結果

現場校準試驗結束后，試驗機測量結果如圖9所示，校準系統測量結果如圖10所示。

圖9 試驗機測量結果

圖10 校準系統測量結果

由圖9與圖10結果比對可知:①最大響應峰值出現頻率及量級基本一致;②兩測量結果均符合相應容差要求。

另外，本文筆者選擇不同地點、不同型號、性能穩定的沖擊響應譜試驗機進行了為期6個月的穩定性、可靠性驗證。通過對試驗數據的整理、分析，最終形成表1。通過表1不難看出，校準系統可以達到對沖擊響應譜的校準。

由此可見，通過該校準系統對沖擊響應譜校準是科學可行的，可以初步解決響應譜校準的問題。經計算，該校準系統加速度測量結果的不確定度為Urel=8%(k=2)。

表1 校準數據

4 結論

本文從沖擊響應譜分析理論出發，結合改進的遞歸數字濾波法，基于LabVIEW軟件，編制了沖擊響應譜校準軟件，配置壓電加速度計、電荷放大器等硬件，共同組建成了該套沖擊響應譜校準系統。經過與專用沖擊響應譜試驗機測量結果的比對可知，該校準系統測量譜形很好地滿足了試驗容差要求，且最大響應峰值出現頻率及量級與試驗機結果基本一致。說明該校準系統軟件程序編寫正確，硬件配置合理。下一步將增加校準項目及校準范圍，對沖擊響應譜試驗機的合理校準方法進行研究，確保校準方法的準確性，提高校準系統的穩定性。

［1］汪鳳泉.電子設備振動與沖擊手冊.北京.科學出版社.1998.

［2］振動與沖擊手冊編輯委員會.振動與沖擊測試技術.北京.國防工業出版社.1990.

［3］Eric Bogatin.信號完整性分析.北京.電子工業出版社.2010.

［4］陳樹學劉萱.LabVIEW寶典.北京.電子工業出版社.2011.