振动试验系统计量现状及发展综述

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采用正弦逼近法的迈克尔逊正交激光干涉仪
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• 正弦逼近法在迈克尔逊激光干涉仪上做了 改进,使其干涉输出有两路正交信号,加之 后续的波形记录与数据处理,所以一次绝对 校准后不仅获得了加速度幅值，而且可以 获得相位 ,这是近年来振动绝对校准的一 个突破。
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5．振动计量发展趋势
• 近年来, 随着计算机软硬件技术和信号处 理技术的飞速发展, 数据采集卡的采集速 度、分辨率和存储量的大幅度增长,使得实 现对频率变化达数MHz 以上的光电信号的 采集和存储成为可能。而计算机运算速度 的提高和应用软件的强大功能,也使得完成 数据分析处理和复杂的数学解算相对容易。 这些为振动计量的发展注入了强大的生命 力，其发展趋势主要体现在以下几个方面:
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随机激励和正弦激励 的主要特点对比
校准激励方式 分析中泄漏 非线性的线性拟 合 校准速度 对环境要求 随机 有 可拟合 快 低
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正弦 可避免 不可 慢 高
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3．振动传感器与振动试验系统计 量量传关系
• 通过对振动传感器的校准（检定），可以将国家 最高计量标准所复现的振动量值通过对振动试验 系统的控制和校准（检定），传递到各类振动试 验系统中，以保证振动试验系统试验参数的准确 和一致。对大多数的振动试验系统来讲，由于传 感器的安装，长电缆的使用，信号调节，控制系 统与驱动和反馈环节的匹配等系统因素，振动参 数最小误差可达2%，最大误差可达10%。
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• 上述的迈克尔逊激光干涉仪是零差式激光 干涉仪，尽管零差式正弦逼近法有上述突 破,但当其校准振动位移幅值≤0.5μm 时 就存在一定困难,甚至是不适宜的。近年来 PTB和中国计量院已采用外差式激光干涉仪 可实现微小振动位移幅值的校准,且达到1 nm 的水平。目前, 采用改进后的零差式迈 克尔逊激光干涉仪的正弦逼近法可以实现 微米级振动幅相特性的精确校准, 而外差 式激光干涉仪的正弦逼近法能够实现纳米 级振动幅相特性的精确校准。
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光电信号与振动信号之间的关系见下图，两光束的光 程差每增减一个波长，干涉条纹就相应移动一条，光 电元件接受的光的明暗就变化一次。
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光电信号处理方法
对干涉条纹的光电信号处理方法不同，形成了 不同的测振幅的方法，主要有频比计数法，多周期 平均值法，干涉条纹细分法，贝塞尔函数法。这些 方法的使用覆盖的振动校准频率范0.1Hz-50kHz。
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振动量值传递框图
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4．振动试验系统的校准（检定）
• 近年来计算机软硬件技术和信号处理技术 的飞速发展,使得数字控制系统能快速计算 各类信号（随机、正弦和冲击），并与所 要求试验信号相比较，经计算并输出相应 信号，使得各种振动试验诸如随机、随机 加正弦、随机加随机及冲击响应谱等成为 成为现实。目前基于数字控制系统的振动、 冲击碰撞、运输颠簸试验台等获得了广泛 应用。选择具有代表性的数字式电动振动 试验系统对其的校准（检定）的现状及发 展作一介绍。
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3）冲击试验系统
• 用电动振动台做冲击试验可以产生规定的各种各 样的脉冲形状，主要有以下三种最为普遍，半正 弦、后峰锯齿及梯形。如下图：
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• 主要检定项目为脉冲宽度和脉冲峰值，校准不确 定度通常在2%～5%范围内。 • 冲击试验包括两类，除上述冲击脉冲时间历程外， 还有冲击响应谱，电动振动试验系统越来越广泛 使用冲击响应谱，但目前没有有关冲击响应谱的 检定规程或校准规范，主要原因是 a.可以证明，差别很大的时间函数可以有同样的冲 击响应谱； b.相同的时间函数，按不同的算法产生冲击响应 谱也有所不同。
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2）随机振动试验系统
• 试验方法有宽带随机振动试验、正弦加宽带随机 振动试验和窄带随机加宽带随机振动试验，其试 验谱形如下图所示：
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• 宽带随机振动试验所用的频谱范围为20Hz-2000Hz， 检定项目为要求的加速度频谱的谱密度、加速度 总均方根值和谱形控制精度； • 正弦加宽带随机振动试验所用的频谱范围为20Hz500Hz，检定项目为要求的正弦频率、加速度峰值、 加速度频谱的谱密度、加速度总均方根值和谱形 控制精度； • 窄带随机加宽带随机振动试验所用的频谱范围为 20Hz-1000Hz，检定项目为要求的中心频率的加速 度频谱的谱密度、加速度总均方根值和谱形控制 精度；
• 大多数正弦振动试验系统频率范围可达2Hz5000Hz，检定频率范围为5Hz-2000Hz，主要检定 项目有振动位移、速度、加速度幅值示值误差及 台面横向振动比、加速度幅值均匀度和失真度。 • 精心选用加速度计、配套测振仪和动态信号分析 仪可使校准不确定度达到2%。
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• 台面横向振动比和加速度幅值均匀度，按规程的 方法操作一个非常繁琐的过程，目前已有新的测 量方法对此进行了改进。主要有两种方式： • a. 当数字式控制仪有足够的测量通道时，检定用 的多个加速度计可接入这些通道，一次扫频可连 续记录各个加速度计的输出值； • b． 扫频过程中，用信号分析仪采用峰值平均方 法采集所有通道加速度幅值，编制后处理程序。 • 这两种方法计算台面横向振动比和加速度幅值均 匀度，可以给出电动振动试验系统在整个工作频 率范围内而非几个选定点上的均匀度和横向比参 数，得出均匀度和横向比的频响曲线。
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• 由于在多数场合下，经比较法校准的传感 器都能满足振动测试的要求，加之原理简 单，操作方便，因而得到广泛的应用。多 年来随着计算机技术、电子学、信号分析 处理技术等的发展，涌现了许多先进的自 动校准系统，其校准不确定度均可以达到 2%以下。随机激励和正弦激励是目前比较 法校准的两项主要技术，孰优孰劣、见仁 见智。应当说两种方法有各自适用范围， 能起到相互补充的作用。
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• 不断采用新技术
目前普遍采用的激光干涉正弦逼近法振 动校准,完全是基于现代计算机技术和数字 信号处理技术的发展而产生的，在此基础 目前已发明了外差式正弦逼近法和外差式 时间内隔法，并都取得了很好的效果。例 如将外差激光干涉仪与虚拟仪器技术相结 合,利用高速数据采集卡采集多普勒信号, 通过软件编程各类数学运算，可以在 10kHz～50kHz范围内, 实现振动传感器相 位的精确校准。目前这一领域已取得进展。
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• 典型激光干涉法振动绝对法校准装置
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• 图中，激光沿着x轴传播，激光光束经分光 镜分成两束，一束光透过的分光镜至参考 镜，另一束经分光镜至固定在振动台面上 的测量镜片上。因为参考镜的位置是固定 的，因此光线通过的路程是常数，而测量 镜则随振动台做上下振动，因此光程是变 数。两束光经参考镜和测量镜反射后和成 产生光的干涉，形成明暗相间的干涉条纹 R 。
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各类校准方法适用的频率范围及校准 不确定度
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振动绝对相位校准研究
• 迈克尔逊激光干涉仪以及频比计数法、贝 塞尔函数法等技术成熟，设备简单，但它 们仅能获取振动信号的幅值，无法测量其 相位。振动信号是一个矢量，不仅有大小， 而且还有方向。因此应对振动传感器的灵 敏度进行幅值及相位校准。上世纪90年代 中期，德国物理技术研究院(PTB) 发明了 激光干涉正弦逼近法，这是一种即可测量 振动信号的幅值又可获取其相位的新方法。
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6．结束语
根据振动计量的现状和发展趋势，在 “十二五”及2020年期间,振动计量的发展 要以提高振动试验系统的准确度的要求为 牵引，跟踪国际计量校准的技术前沿，进 行有针对性的理论和应用研究。对所需的 计量标准,校准技术及校准方法进行攻关, 力争在规定的时间内建成一些计量标准、 校准设备和专用测量装置满足未来发展的 要求。
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谢 谢！
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• 目前按照ISO 16063 - 11 ,激光干涉振动绝 对校准依频率范围与加速度动态范围的不同, 其校准方法分为: (1) 条纹计数法; (2) 最 小点法(贝塞尔函数法) (3) 正弦逼近法。 方法(1)对应的频率范围为1Hz～800Hz , 方 法(2)对应的频率范围为800Hz～10kHz，方 法(3)对应的频率范围为1Hz～10kHz。 对测 量不确定度的要求是在满足校准参考条件下, 灵敏度值的校准不确定度应达到0.5 % ,灵 敏度相移的校准不确定度应达到0.5°,而当 偏离了校准参考条件时,也应满足灵敏度值 ≤1 % ,灵敏度相移≤1°。
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振动比较法校准原理图
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• 在比较法校准中，需测灵敏度的传感器以 背对背方式固定于参考传感器上，它们再 一起被安装在校准振动台上。由于两个传 感器的输入加速度是相同的，它们的输出 之比就是它们的灵敏度之比。由于比较法 要使用经绝对法校准的参考加速度计，所 以在任何情况下，比较法的校准不确定度 高于所用参考加速度计的校准不确定度。
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2.振动计量的现状
• 振动计量实际上指的是振动传感器计量， 分为两种校准方法，即绝对法和比较法。 绝对法校准指的是用测量物理量的基本单 位和导出单位的方法来确定振动传感器的 灵敏度；比较法校准指的是被校传感器灵 敏度与已知灵敏度的标准传感器作相对比 较，从而得出被校传感器的灵敏度。
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• 目前功能最齐全的数字式电动振动试验系 统具有正弦、随机、冲击及冲击响应谱， 《JJG948-1999数字式电动振动试验系统检 定规程》详细规定了检定方法，合格性判 定指标和准确度等级划分，是一个操作性 很强的规程，主要包括以下四个方面：
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1）正弦振动试验系统
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• 集成化、自动化和模块化
现代计算机技术完全可以利用虚拟仪 器技术将图形化编程软件、数据采集通信 及必要的仪器模块等硬件和计算机结合起 来, 能够制造集成化、自动化和模块化程 度较高的振动传感器和振动试验系统校准 检定装置。
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• 各类振动试验系统校准规范、检定规程在 不断的制定和完善中 为提高产品的可靠性，各类振动综合 试验设备得到了广泛的应用, 为了改善试 验设备的技术性能，提高其控制精度，提 高我国相关振动试验的水平，近年来相关 部门制定和完善许多校准规范和检定规程， “三综合试验设备系统校准规范”、“角 振动试验台校准规范”等将在近期公布， “冲击响应谱校准规范”已在讨论和制订 中。
振动及振动试验系统计量现状 及发展综述
杨晓伟 北京航天计量测试技术研究所
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1.前言
• 振动是用位移、速度、加速度和频率 等物理量来描述。振动测试在现代工 程中诸如振动试验，结构分析，机器 状态监测和故障诊断等，测试数据的 准确与否直接取决于计量结果。
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• 上世纪五十年代初，世界各国得到的振动校准结 果很不一致，误差往往大于10％，经过几年的努 力，校准误差降低了一个数量级，这是由于发明 了绝对互易校准技术而实现的，其最低校准不确 定度可达0.5%。 • 进入60年代以来，激光干涉技术逐渐成熟，振幅 测量可从0.2µm到2m以上，几乎能把所以振动的幅 值范围覆盖起来，而且准确度高。 • 基于激光干涉仪的振动基准装置很快在70年代研 制出来，并获得广泛地应用。而与此同时，互易 校准由于其方法繁琐，频率范围窄，且难以获得 好的结果，几乎无人使用了。目前世界各国振动 基准都采用激光干涉法校准。