于雪蓮 王仲亮 孔慶有 吳紅肖 劉業(yè)路

中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所 遼寧 沈陽 110015

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

引言

在航空領(lǐng)域，電動式振動試驗(yàn)系統(tǒng)常用作發(fā)動機(jī)葉片疲勞試驗(yàn)的設(shè)備，是一種檢測產(chǎn)品可抗振試驗(yàn)的儀器。電動式振動試驗(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，人們對電動式振動試驗(yàn)系統(tǒng)計量性能認(rèn)識以及考核方式也越趨完善。2018年由國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局頒布的JJG 948-2018《電動振動試驗(yàn)系統(tǒng)檢定規(guī)程》替代了JJG190—1997《電動式振動臺》，對振動實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)考核增加了振動控制器性能和隨機(jī)信號的檢定/校準(zhǔn)要求，傳統(tǒng)使用數(shù)表開展數(shù)據(jù)讀取的校準(zhǔn)方法已無法滿足新版規(guī)程的要求。本文著重介紹了使用B&K公司pulse分析儀開展電動式振動試驗(yàn)系統(tǒng)校準(zhǔn)的方法。

1 PULSE系統(tǒng)組成

動態(tài)信號分析儀作為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)不同的信號類型選擇直接接入電壓信號和恒流源線驅(qū)動，滿足不同類型傳感器輸入。

根據(jù)測量參數(shù)建立測量過程，通過對個通道傳感器和信號參數(shù)配置，向信號分析儀中添加信號組設(shè)置信號的屬性。最后通過信號組中添加不同函數(shù)進(jìn)行測量[1]。

2 校準(zhǔn)電動式振動試驗(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級動態(tài)信號分析儀：能夠同時進(jìn)行多通道、實(shí)時、快速傅立葉變換分析。

3 電動式振動試驗(yàn)系統(tǒng)振動控制器校準(zhǔn)

振動控制器產(chǎn)生激勵信號，經(jīng)過功率放大器放大后驅(qū)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(tài)信號分析儀。根據(jù)振動控制器工作頻率上下限頻率值選取頻率值，通過設(shè)置分析帶寬頻和譜線數(shù)，計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。

控制儀在測量頻率上適當(dāng)量級控制，動態(tài)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(tài)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(tǒng)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(zhǔn)確度能夠達(dá)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(wǎng)絡(luò)抑制基波。首先測量包括基波在內(nèi)的被測信號的總電壓，再將被測信號經(jīng)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(shù)比較，得到諧波失真度?？捎孟率奖硎荆?/p>

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(zhǔn)確度能夠達(dá)到（5%～10%）。

4 電動式振動試驗(yàn)系統(tǒng)正弦信號校準(zhǔn)

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(tài)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(biāo)準(zhǔn)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(nèi)測量臺面加速度幅值示值誤差、振動臺頻率響應(yīng)特性。用傳遞函數(shù)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(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，加速度傳感器通過電荷放大器連接多通道動態(tài)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(nèi)臺面各方向加速度幅值。通過建立各通道函數(shù)組幅值間函數(shù)關(guān)系，插入PLF功能項(xiàng)進(jìn)行計算，調(diào)用RESULT結(jié)果可以直接讀取振動試驗(yàn)系統(tǒng)臺面橫向振動比，減少復(fù)雜的計算過程，避免由于人工讀數(shù)和計算容易出錯，減少煩瑣的數(shù)據(jù)處理，極大地了提高工作效率。

5 電動式振動試驗(yàn)系統(tǒng)隨機(jī)信號校準(zhǔn)

隨機(jī)振動能更好地模擬振動環(huán)境，能揭示出發(fā)動機(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臺的總能量，是所設(shè)譜形下總面積的平方根值。校準(zhǔn)時根據(jù)圖3設(shè)置譜形。

圖3 隨機(jī)信號試驗(yàn)系統(tǒng)校準(zhǔn)譜形圖

采用動態(tài)信號分析儀直接測量試驗(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)置用分析儀測量頻帶內(nèi)外的總均方根值，通過計算二者之比，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、窄帶隨機(jī)加寬帶隨機(jī)振動等復(fù)合信號校準(zhǔn)。

6 校準(zhǔn)注意事項(xiàng)

在用FFT對信號處理中，由于不可能對無限長的信號進(jìn)行測量和分析，因此通過對信號截斷進(jìn)行相關(guān)分析，在信號截斷過程中不可避免會產(chǎn)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(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)

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

7 結(jié)束語

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