鄧文晶，蔡李娟，杜鑫，盧佳曦，蔣軼峰

（上海航天控制技術(shù)研究所 測試與試驗(yàn)技術(shù)中心，上海 201109）

引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)運(yùn)載火箭和航天器出現(xiàn)故障原因50 %來源于振動，振動問題一直是航天產(chǎn)品最難解決的技術(shù)難題之一[1]。為模擬航天產(chǎn)品在運(yùn)輸、發(fā)射及在軌工作時實(shí)際經(jīng)歷的復(fù)雜動力學(xué)環(huán)境，再現(xiàn)產(chǎn)品的動力學(xué)特性或考核產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的適應(yīng)性與制造裝配的準(zhǔn)確性，通常產(chǎn)品研制階段需在振動臺上開展可靠性功能驗(yàn)證試驗(yàn)，盡早的暴露設(shè)計(jì)缺陷與隱患[2]。在試驗(yàn)驗(yàn)證過程中振動控制系統(tǒng)輸出的力學(xué)環(huán)境準(zhǔn)確性至關(guān)重要，若實(shí)際控制量級低于振動試驗(yàn)規(guī)定條件將導(dǎo)致欠試驗(yàn)，未能充分考核航天產(chǎn)品可靠性，潛在的缺陷會引發(fā)產(chǎn)品工作失效；反之控制量級過高時會致使在研制階段產(chǎn)品過試驗(yàn)，無形中增加研制難度和研制經(jīng)費(fèi)[3]。因此，試驗(yàn)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(yàn)質(zhì)量，本文針對隨機(jī)振動試驗(yàn)控制過程存在的過試驗(yàn)與欠試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，從壓電式加速度傳感器靈敏度設(shè)置偏差的角度開展分析驗(yàn)證工作。

1 數(shù)字式隨機(jī)振動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

數(shù)字式隨機(jī)振動控制系統(tǒng)主要分為模擬驅(qū)動信號生成、振動發(fā)生裝置、響應(yīng)譜數(shù)據(jù)采集與控制儀的頻譜均衡四個重要過程，整個振動試驗(yàn)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示[4,5]。

圖1 數(shù)字式隨機(jī)振動試驗(yàn)控制系統(tǒng)

本文采用的SignalStar 數(shù)字式振動控制儀（DP-760）在進(jìn)行自檢時完成振動控制系統(tǒng)識別，在控制回路中通過發(fā)送的寬帶隨機(jī)激勵信號和同步采集的實(shí)測響應(yīng)信號計(jì)算獲得初始系統(tǒng)逆?zhèn)鬟f函數(shù)（補(bǔ)償函數(shù)）。模擬驅(qū)動信號生成系統(tǒng)依據(jù)參考隨機(jī)譜和初始補(bǔ)償函數(shù)生成初始驅(qū)動譜，經(jīng)過相位隨機(jī)調(diào)制、逆傅里葉變換和時域隨機(jī)化過程后形成符合要求的真隨機(jī)數(shù)字信號，然后通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器變成電信號濾除噪聲干擾后輸入振動發(fā)生裝置。功率放大器放大激勵信號驅(qū)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(jīng)電荷放大器轉(zhuǎn)換后進(jìn)入響應(yīng)譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，濾除混疊頻率和響應(yīng)信號噪聲干擾后經(jīng)傅里葉變換獲得實(shí)測響應(yīng)譜。在頻譜均衡過程中，控制儀的隨機(jī)振動控制算法依據(jù)實(shí)測的響應(yīng)譜與驅(qū)動譜不斷更新系統(tǒng)逆?zhèn)鬟f函數(shù)以產(chǎn)生新的驅(qū)動信號，以上即實(shí)現(xiàn)整個振動控制回路中驅(qū)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(tài)范圍廣、靈敏度及機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于振動監(jiān)測與分析領(lǐng)域[6]。傳感器工作時基于內(nèi)部壓電體的壓電效應(yīng)，將所受的應(yīng)力與變形轉(zhuǎn)換成電荷量輸出，當(dāng)振動試驗(yàn)控制頻率遠(yuǎn)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(jià)壓電系數(shù)；

m—質(zhì)量塊的質(zhì)量；

a—振動加速度。

傳感器的電荷靈敏度q/a 主要跟質(zhì)量塊的質(zhì)量與壓電材料壓電系數(shù)相關(guān)，在一定的頻率范圍與外界環(huán)境下，電荷靈敏度近似常數(shù)。壓電式加速度傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)

在傳感器與電荷放大器組合的信號采集轉(zhuǎn)換電路中，傳感器壓電體等效于電荷源[8]，產(chǎn)生的電荷經(jīng)連接電纜進(jìn)入電荷放大器轉(zhuǎn)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(lián)等效電阻可忽略，壓電體產(chǎn)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(guān)，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(guān)。

一般電荷放大器可改變反饋電容Cf來調(diào)整電荷放大級增益，從而實(shí)現(xiàn)電荷放大器輸出靈敏度（mV/g 或mV/m.s2）分檔調(diào)節(jié)，試驗(yàn)前需根據(jù)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(yīng)的輸出靈敏度檔位[9]，以此控制單位加速度值所對應(yīng)的輸出電壓。

3 隨機(jī)振動試驗(yàn)驗(yàn)證分析

本文應(yīng)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(tǒng)，以最常見的產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)條件為例，分析在隨機(jī)振動試驗(yàn)時使用單點(diǎn)控制與兩點(diǎn)平均控制策略，傳感器靈敏度值偏差對于測量及控制準(zhǔn)確性的影響。

B&K 公司2692 型電荷放大器使用時需設(shè)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(shù)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(guān)系。本文試驗(yàn)過程中所用的B&K 傳感器校準(zhǔn)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(zhǔn)確性的影響。1 通道傳感器安裝在臺面中心位置進(jìn)行單點(diǎn)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(nèi)2 通道傳感器電荷靈敏度正常設(shè)置為30 pC/g，3 通道傳感器靈敏度值設(shè)置減半為15 pC/g，系統(tǒng)自檢報(bào)告顯示通道3 與通道2 相比自檢輸出電壓和試驗(yàn)預(yù)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(shí)值的兩倍，轉(zhuǎn)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(diǎn)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(huán)境下，測量所用B&K 傳感器輸出電荷量基本相同，當(dāng)電荷放大器輸出靈敏度固定為10 mV/g，3 通道設(shè)置傳感器靈敏度值減半為15 pC/g，此時電荷放大器內(nèi)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(shí)際輸出電荷量相同的情況下，經(jīng)電荷放大器后3 測量通道輸出顯示電壓（假值）為真實(shí)值的兩倍。

最常用的振動試驗(yàn)控制策略為單點(diǎn)控制和兩點(diǎn)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(jié)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(shè)置為15 pC/g，2、3 通道傳感器正常設(shè)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(yàn)需求，但2、3 通道測量傳感器所得真實(shí)試驗(yàn)量級僅為條件規(guī)定值的-6dB，實(shí)際已導(dǎo)致受試產(chǎn)品欠試驗(yàn)。原因是以1 通道傳感器進(jìn)行單點(diǎn)控制時，當(dāng)1 通道傳感器靈敏度設(shè)置減半為15 pC/g 時，系統(tǒng)自檢時該通道經(jīng)電荷放大器轉(zhuǎn)換后所得量級是真實(shí)值的兩倍，控制儀根據(jù)該反饋信號與目標(biāo)譜進(jìn)行比較均衡，進(jìn)而更新驅(qū)動譜和調(diào)節(jié)驅(qū)動電壓，對比圖4 與圖5 自檢報(bào)告中最大量級0 dB 時驅(qū)動電壓為1.652 V、0.806 V，表明此情況下真實(shí)控制時域量級為目標(biāo)值的1/2，反映在頻譜圖上即為目標(biāo)值的-6 dB。相反單點(diǎn)控制時若傳感器靈敏度設(shè)置偏大，會導(dǎo)致產(chǎn)品過試驗(yàn)。

圖5 1 通道傳感器單點(diǎn)控制策略下靈敏度減半時過程曲線

兩點(diǎn)平均控制策略下設(shè)置1、2 通道傳感器進(jìn)行控制，3 通道監(jiān)測振動控制真實(shí)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(diǎn)平均擬合的控制曲線表面上嚴(yán)格符合條件參考值，但從3通道測量所得反映出真實(shí)控制量級遠(yuǎn)低于規(guī)定值，此時值得關(guān)注的是3 通道測量曲線與控制傳感器中靈敏度正常設(shè)置的控制曲線基本一致。

圖6 兩點(diǎn)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(diǎn)平均振動控制的實(shí)現(xiàn)是將1、2 控制點(diǎn)的響應(yīng)譜信號經(jīng)算術(shù)平均合成一個虛擬反饋信號，然后與目標(biāo)譜進(jìn)行比較并使用兩者之間的誤差修正驅(qū)動信號。當(dāng)其中一個控制通道靈敏度減半時系統(tǒng)自檢所得該通道反饋量級是真實(shí)值的兩倍，此時合成的虛擬控制信號相比真實(shí)值偏大，控制儀根據(jù)該偏大的虛擬控制信號就會降低驅(qū)動電壓輸出從而導(dǎo)致欠試驗(yàn)。其中兩點(diǎn)平均控制設(shè)置1、2 通道傳感器為控制點(diǎn)，但傳感器的作用實(shí)質(zhì)上只能測量，只是控制儀算法根據(jù)該兩點(diǎn)的測量反饋量級調(diào)節(jié)輸出信號，所以3 通道監(jiān)測曲線與控制傳感器中靈敏度正常設(shè)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(dǎo)致增大驅(qū)動電壓輸出從而導(dǎo)致過試驗(yàn)。

4 結(jié)論

本文介紹了數(shù)字式隨機(jī)振動試驗(yàn)控制系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)與工作原理，著重分析振動信號經(jīng)壓電式加速度傳感器采集、電荷放大器轉(zhuǎn)化的工作過程，驗(yàn)證分析了傳感器靈敏度偏差是如何影響隨機(jī)振動試驗(yàn)控制準(zhǔn)確性。試驗(yàn)結(jié)果表明電荷放大器內(nèi)傳感器靈敏度設(shè)置偏小會導(dǎo)致控制系統(tǒng)識別量級增大，當(dāng)振動控制過程采用該反饋信號實(shí)施單點(diǎn)控制或兩點(diǎn)平均控制策略時，振動臺真實(shí)輸出量級均會相應(yīng)減小，此時雖然程序頁面顯示的控制曲線表面上符合試驗(yàn)條件需求，但實(shí)際已導(dǎo)致受試產(chǎn)品欠試驗(yàn)。反之傳感器靈敏度設(shè)置偏大導(dǎo)致控制系統(tǒng)識別量級減小，振動臺真實(shí)輸出量級變大導(dǎo)致受試產(chǎn)品過試驗(yàn)。本文研究成果可作為試驗(yàn)員開展振動試驗(yàn)的理論依據(jù)，及時定位解決振動控制過程量級偏離問題，同時也為產(chǎn)品振動試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)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(yàn)開始參考因素，爭取從源頭上降低航天產(chǎn)品過試驗(yàn)與欠試驗(yàn)現(xiàn)象。