冲击响应谱校准技术的研究

冲击响应谱校准技术的研究
厉巍 陈永久 朱永晓
（贵州航天计量测试技术研究所，贵州 贵阳550009）
摘要：冲击响应谱试验已经成为大多数航天产品必做的力学环境试验项目之一，传统的冲击试验缺乏对冲击环境模拟的真实性，本文介绍了冲击响应谱的原理和冲击响应谱试验设备；用labVIEW 为平台，编写了冲击响应谱校准软件，为冲击响应谱试验机的校准与数据分析提供了通用性较好的校准分析方法，并基于PXI 系统设计了冲击响应谱校准装置。

关键词：航天产品LabVIEW 冲击响应谱 校准 PXI 系统
0引言
冲击响应谱试验机是用于完成冲击响应谱试验的环境试验设备，冲击响应谱是对产品实施抗冲击设计的分析基础，也是生产中冲击环境模拟试验的基本参数，在航空、航天重点型号科研生产及有关重大科技专项中，冲击响应谱试验已经成为必做的环境试验之一。

产品在实际应用过程中受力情况复杂，其中，冲击激励会使设备激起强迫振动和固有频率响应，使产品性能和结构强度受到不同程度的损害甚至失效。

航空、航天、电子等行业产品在生产、运输等过程中存在着各种冲击，而这对产品的质量和可靠性有着很大的负面影响。

为了解决这一问题，在此基础上产生并发展起了冲击试验。

近年来，随着对环境试验的认识不断提高，对冲击环境的模拟也提出了更高的要求，冲击响应谱试验也来越被关注。

1 冲击响应谱原理
冲击信号与一般的振动信号在许多方面具有不同的特性，工程中研究冲击信号的目的并不是研究冲击波形本身，而是更加注重冲击作用于系统的效果，或者说是研究冲击运动对系统的损伤势。

不论用冲击的时间历程还是用频谱都难以描述冲击的损伤势，因此必须使用能够衡量冲击效果的冲击响应谱。

冲击响应谱系指一单自由度质量弹簧阻尼系统，当公共基础受到冲击激励时产生的响应峰值作为单自由度系统固有频率的函数绘出的图，其物理模型如图1所示。

图1 冲击响应谱的物理模型
数学模型可归结为如下微分方程的解：
式中，u x -=δ；
ω；
K
M
=
2 冲击响应谱试验设备
冲击响应谱环境模拟试验比较复杂，试验设备的类型也较多，目前冲击响应谱试验通常使用的设备主要有电动振动试验台和机械式试验机两大类，其中机械式试验机主要分谐振式冲击响应谱试验机和摆锤式冲击谱试验机两种。

电动振动台模拟冲击响应谱环境试验的基本原理是：使用各种不同的波形组合来实现冲击响应谱的模拟。

振动试验系统一般有控制系统、功率放大器、台体系统三部分组成。

其中控制系统包括计算机、控制仪、电荷放大器、传感器等；台体系统包括振动台、水平滑台等。

在进行试验时，在振动台上安装试验夹具和试验产品。

冲击响应谱试验过程中，控制系统将设置好的冲击谱转换成时域电压驱动谱，经缓冲存储器后有数模转换器将数字量转换成模拟量，然后收入功率放大器激励振动台，生成一次脉冲运动。

振动台面上的传感器把采集到的脉冲响应信号经电荷放大器后输入控制系统，得到加速度时域波形，控制仪将时域波形处理成冲击响应谱。

谐振板式冲击响应谱试验机的基本原理是：冲击锤对板的激励是垂直下落的（激励点在板的上表面），当一块板受到冲击时，板会被激起谐振，调整冲击力的作用效果，使板被激起的响应近似于复杂的衰减正弦波，若此响应对应的冲击响应谱值与要求的规范谱值一致，则可认为固定在板上的试验样品经受了冲击响应谱环境试验。

摆锤式冲击响应谱试验机是摆锤撞击式的（激励点在台体的侧面），主要包括试验机主机、控制系统、测量分析系统等部分。

冲击锤撞击台体时，台体在此激励作用下产生瞬态振动，若此时台体上的响应对应的冲击响应谱值与要求的规范谱一致，将试验样品装在台体上，就可认为样品经受了冲击响应谱环境试验。

3 冲击响应谱校准原理
本文采用的校准方法是比较法校准，校准系统工作原理框图见图2。

冲击响应谱试验机产生满足要求的冲击响应谱，采用高冲击压电加速度计采集冲击响应谱信号，经高冲击电荷放大器进行信号放大后，进入PXI采集系统，用校准软件进行处理，得到所需要的标准冲击响应谱，再和被校冲击响应谱相比较，完成校准。

图2 校准系统工作原理框图
按图2所连接校准设备，信号适调器输出接冲击响应谱试验机校准系统。

在被校准试验机规定的冲击幅值范围内，选取相应冲击脉冲幅值进行冲击校准，同时用校准软件记录波形，进行分析。

主要校准以下技术参数：冲击响应谱最大时域幅值误差的校准，冲击响应谱时域波形持续时间误差的校准，冲击响应谱频域基本波形和允差要求，冲击响应谱台台面响应的重复性，冲击响应谱台台面响应不均匀度等。

4 冲击响应谱校准装置
校准装置主要由传感器、信号适调器、PXI系统以及校准软件（计算机）组成。

校准系统框图如图3所示。

PXI系统主要包括：电源单元、控制分析单元、波形采集单元、信号输出单元，以上这些单元,分别以模块形式嵌入PXI的机箱内。

其中数据采集单元为多通道，可以同时进行数据采集和分析。

图3 校准装置框图
高加速度冲击的测量。

高加速度冲击的测量在实践中是个技术难题。

高冲击的显著特点就是时间短、能量大，难以进行控制。

测量传感器的选型、测量传感器安装夹具的设计与加工、采集设备的选型、校准软件的编制中涉及高冲击测量的部分都是有待解决的技术难点。

设备的选型应满足高冲击加速度和复杂脉冲的要求。

压电加速度计应具备高固有频率和坚固的结构；电荷放大器应具备较好的滤波特性和较强的抗干扰能力。

压电加速度计的安装，需要设计加工刚性和高传递性能的安装夹具。

信号的采集与传输需采用低噪声电缆并适当使用滤波器件进行滤波。

5 校准系统软件
基于NI LabVIEW软件平台研发航天产品冲击响应谱试验机现场校准软件。

针
对现场校准的特点，研发实用简便的现场校准软件。

因为冲击谱是将冲击源施加于一系列线性、单自由度质量-弹簧系统时，将各单自由度系统的响应运动中的最大响应值，作为对应于系统固有频率的函数而绘制的曲线，是一系列固有频率不同的单自由度线性系统受同一冲击激励响应的总结果，是典型的线性系统在脉冲激励下的响应求解。

研发校准软件需选择合适的数据处理方案，采用变步长方法对微分方程进行求数值解，保证高的精度和数值稳定性，进而进行冲击响应谱的绘制，完成冲击响应谱试验机的各参数的现场校准。

主要特点：可对采集信号同时进行时域分析和频域分析，可以同时观测多个通道测量信号；具有过载报警功能，避免高冲击加速度的冲击响应谱由于削波造成信号失真；针对频域分析，具有报警允差线，直观便捷的完成现场校准。

6 结束语
本文对冲击响应谱的校准技术进行研究，设计并实现了一套高精度的冲击响应谱试验机校准系统，编制了冲击响应谱校准软件，可以方便、快捷的完成冲击响应谱试验机的校准、分析，并且系统的操作界面简单、直观。

参考文献
1.力学计量国防科工委科技与质量司组织编写原子能出版社2002年
2.电子设备振动与冲击手册汪凤泉主编科学出版社1998年
3.振动与冲击手册第二卷振动与冲击测试技术《振动与冲击手册》编辑
委员会编著1990年
4.爆炸与冲击动力学宁建国王成马天宝编著国防工业出版社2010
年
作者简介：厉巍，（1978.1-）女山东日照，本科学历，高级工程师，研究方向：力学计量.。