基于pulse系統的電動式振動試驗系統校準

于雪蓮 王仲亮 孔慶有 吳紅肖 劉業路

中國航發沈陽發動機研究所 遼寧 沈陽 110015

關鍵字 振動試驗系統；校準；快速傅立葉變換分析；隨機信號

引言

在航空領域，電動式振動試驗系統常用作發動機葉片疲勞試驗的設備，是一種檢測產品可抗振試驗的儀器。電動式振動試驗系統因為能夠早期發現試件故障、模擬結構強度試驗，產品應用范圍廣泛、適用范圍寬、適用面廣等優點而被廣泛應用。

隨著技術的進步，人們對電動式振動試驗系統計量性能認識以及考核方式也越趨完善。2018年由國家質量監督檢驗檢疫總局頒布的JJG 948-2018《電動振動試驗系統檢定規程》替代了JJG190—1997《電動式振動臺》，對振動實驗系統考核增加了振動控制器性能和隨機信號的檢定/校準要求，傳統使用數表開展數據讀取的校準方法已無法滿足新版規程的要求。本文著重介紹了使用B&K公司pulse分析儀開展電動式振動試驗系統校準的方法。

1 PULSE系統組成

動態信號分析儀作為PULSE系統數據采集前端。具有24位A/D轉換器和160dB動態控制范圍。數據采集前端中的模塊采用POE、PTP網絡技術，可以根據不同的信號類型選擇直接接入電壓信號和恒流源線驅動，滿足不同類型傳感器輸入。

根據測量參數建立測量過程，通過對個通道傳感器和信號參數配置，向信號分析儀中添加信號組設置信號的屬性。最后通過信號組中添加不同函數進行測量[1]。

2 校準電動式振動試驗系統所需主要設備

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級動態信號分析儀：能夠同時進行多通道、實時、快速傅立葉變換分析。

3 電動式振動試驗系統振動控制器校準

振動控制器產生激勵信號，經過功率放大器放大后驅動振動臺。

為了更好分析振動葉片波形，需要保證控制器的頻率分辨率和電壓幅值諧波失真度。

將控制器信號輸出端接動態信號分析儀。根據振動控制器工作頻率上下限頻率值選取頻率值，通過設置分析帶寬頻和譜線數，計算分析帶寬頻和譜線數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。

控制儀在測量頻率上適當量級控制，動態信號分析儀可以用頻譜分析法測量并計算諧波失真度γ，用動態信號分析儀測量該頻率下幅值和大于五倍頻率的諧波幅值，計算諧波失真度γ。pulse系統用頻譜分析法測量諧波失真度。利用頻率分析法測量各次諧波的含量并計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量。測量諧波失真度測量準確度能夠達到（1%～3%）。振動控制器正弦信號諧波失真度如圖1。

圖1 振動控制器正弦信號諧波失真度

式中：

頻譜分析法儀測量諧波失真度改變了用失真度測量儀測量諧波失真度的方法。失真度測量儀大多采用基波剔除法，通過具有頻率選擇性的無源網絡抑制基波。首先測量包括基波在內的被測信號的總電壓，再將被測信號經過基波抑制電路除去其基波分量，得到各次諧波的總電壓。將兩次測得的讀數比較，得到諧波失真度。可用下式表示：

式中：

失真度測量儀測量諧波失真度測量的誤差相對較大。準確度能夠達到（5%～10%）。

4 電動式振動試驗系統正弦信號校準

正弦信號可以評定特定頻率和幅值下抗振能力，能夠考核不同狀態下所受振動對測量的影響。需測量振動臺臺面加速度幅值均勻度和向振動比。

用將振動臺控制加速度計和標準加速度套組按下圖2所示安裝好，可以在振動臺工作頻率范圍內測量臺面加速度幅值示值誤差、振動臺頻率響應特性。用傳遞函數法測量臺面不同位置加速度幅值，直接得到加速度幅值均勻度。

圖2 電動式振動試驗系統校準框圖

將圖2標準加速度套組換成三向加速度傳感器，加速度傳感器通過電荷放大器連接多通道動態信號分析儀。用快速傅里葉分析法可以得到振動臺工作頻率范圍內臺面各方向加速度幅值。通過建立各通道函數組幅值間函數關系，插入PLF功能項進行計算，調用RESULT結果可以直接讀取振動試驗系統臺面橫向振動比，減少復雜的計算過程，避免由于人工讀數和計算容易出錯，減少煩瑣的數據處理，極大地了提高工作效率。

5 電動式振動試驗系統隨機信號校準

隨機振動能更好地模擬振動環境，能揭示出發動機葉片在不同分量共同作用下的損壞程度。描述隨機振動的主要參數是總均方根和功率譜密度。

加速度總均方根值是加給振動臺的總能量，是所設譜形下總面積的平方根值。校準時根據圖3設置譜形。

圖3 隨機信號試驗系統校準譜形圖

采用動態信號分析儀直接測量試驗系統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置用分析儀測量頻帶內外的總均方根值，通過計算二者之比，得到隨機加速度總均方根值帶內帶外加速度總均方根值比。

利用圖3的譜形圖可以測量試驗系統隨機加速度總均方根值和加速度功率譜密度橫向振動比、隨機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。還可以根據使用需求實現正弦加寬帶隨機振動、窄帶隨機加寬帶隨機振動等復合信號校準。

6 校準注意事項

在用FFT對信號處理中，由于不可能對無限長的信號進行測量和分析，因此通過對信號截斷進行相關分析，在信號截斷過程中不可避免會產生能量泄露，即信號的頻譜畸變。為了減少因截斷引入的誤差可以對信號加窗處理。振動試驗系統中常用的窗函數有矩形窗、平頂窗和漢寧窗。下表列出不同應用場合需要加的窗函數類型。

不同類型窗函數的特點

針對振動試驗系統中根據不同類型信號特點，加入不同窗函數減少能量泄露，以提高測量準確度。

7 結束語

pulse系統校準電動振動試驗系統，能夠實現電動振動試驗系統全部參數的校準，保證振動試驗系統量值溯源的可靠性。軟件配合計算機實現數據采集、分析和處理。對于振動試驗系統各參數的性能分析有重要的參考意義。