振动传感器在强噪声环境下的工作性能分析

李春杰 郭涛 闫明明

【摘要】 振动传感器在大型飞行器的振动信号测试方面有着举足轻重的地位，但是大型飞行器的内部环境比较恶劣。如果振动传感器在恶劣环境中不能正常工作，这会给飞行器的正常运行带来很大的安全隐患，因此采用GJB 150.17-86标准对振动传感器进行噪声鉴定试验。实验结果表明该振动传感器在强噪声试验环境下性能正常，可以完成飞行器振动信号的监测。

【关键词】 振动传感器 大型飞行器 噪声试验 GJB 150.17-86

在航天领域随着大型飞行器的出现，振动监测就成为飞行器地面测试中的重要环节。颤振一直是飞行器在飞行过程中的一个重大安全隐患，如果颤振的固有参数等于或大于飞行器设计的固有参数，飞行器将面临解体的危险，所以必须对飞行器在运行过程中受到的颤振信号进行监测[1]，振动传感器是检测环节的重中之重。

飞行器运行过程中恶劣的工作环境是否会对传感器的正常工作带来影响就成了地面测试中必考察的一项；振动传感器地面测试模拟试验的成功与否决定其能否正常的完成监测任务。飞行器在高速飞行过程中会产生强的噪声场，会对振动传感器的正常工作带来安全隐患。为了验证振动传感器在强噪声场中的工作性能和耐强噪声的能力。对振动传感器进行噪声试验，噪声试验标准采用GJB 150.17-86[2]。

一、GJB 150.17-86标准

本标准规定了军用设备噪声试验方法，是制定军用设备技术条件或产品标准等技术条件相应部分的基础和选用依据。

1.1 试验目的

考核设备在强噪声场中的工作性能和耐强噪声的能力，测定设备对强噪声的响应。

1.2 试验谱型

振动传感器采用悬挂法进行噪声试验，噪声加载采用图1的谱型。

1.3 合格判断

设备进行过噪声试验后，符合下列要求即认为是合格[3]：（1）试验过程中需要进行功能测试的设备，试验时设备的功能不失效，性能、精度未超差；（2）试验过程中不需要进行功能测试的设备，试验后设备的功能不失效，性能、精度未超差；（3）试验后，检查结构，不能出现变形、松动等结构变形。

1.4 试验步骤

（1）将振动传感器用网兜悬挂于噪声室中，不与墙壁或其他固体接触；（2）对振动传感器先进行无噪声环境的信号采集，作为参照数据；（3）在强噪声环境下对振动传感器进行信号采集。

二、数据处理与分析

2.1 数据处理方法

数据处理采用Matlab软件[4]，处理方法采用快速傅里叶变换函数（FFT）[5]。FFT的输出是每个采样点（共N个）对应的振幅（需要值得一提的是，准确地讲它们的绝对值才是振幅）或者能量值（该值的绝对值越大，说明该点对应的周期越明显）。

在这些输出值中，第1个值是对应的直流分量的振幅（其实就是周期为无穷的可能性），那么第2个值对应第1个采样点，第3个对应第2个。第n个对应第n-1个采样点。而且这个输出是对称的，只需关注前N/2个采样点。那么第n个点的频率的计算公式是Fn=（n-1）*Fs/N，其中Fs是采样频率。由此就可以计算出n点对应的周期，它是频率的倒数，即Tn=N/（（n-1）*Fs）。

2.2 数据处理结果分析

首先采用Matlab对参照数据进行处理得到数据的时域图形（见图2），然后对试验数据进行处理得到时域图形（见图3）。

由图2可以看出，传感器的输出很稳定（野点已经去掉），直流信号稳定在2.5±0.01V。图3很明显的说明了振动传感器在噪声试验开始后有信号输出，这是因为振动传感器悬挂于噪声室中，强噪声环境引起空气振动，空气振动的能量引起传感器的机械振动，传感器感受到机械振动有信号输出，这是合理的现象。

对参照数据进行FFT分析，得到数据的幅频曲线图，如图4所示。将试验数据同样进行FFT分析，得到的幅频曲线图见图5。

图4说明参照数据的频率主要集中在20Hz左右，其他频率的信号振幅只有不到10-4数量级，对于数据组成没有多大贡献，分析数据时可以忽略。图5说明了噪声试验中传感器输出的数据主要成分大多集中在500Hz左右，并且振幅的数量级已经到了10-3，可以看到噪声试验对于振动传感器的影响还是显而易见的。

结合时域图与频谱图计算可以得知：振动传感器输出交流信号幅值大约为100mv，传感器的灵敏度为24.9mv/g，也就是说强噪声对振动传感器造成的加速度为4个g左右。相对比-100g～+100g的量程来说，造成了2%的输出。

2.3 结论分析

由试验过程中对振动传感器进行的功能测试可知：振动传感器在强噪声环境下有信号输出，并且信号是因为噪声环境引起的机械振动而输出的，证明振动传感器在强噪声环境下性能正常；在噪声试验后检查该振动传感器外形结构、电缆、接插件等部件，没有出现变形、松动等结构变形；然后对该振动传感器重新进行性能指标的测试，如表1所示，均和噪声试验前一致。

接着对振动传感器进行扫频试验，得到频率响应曲线图，见图6。

图6为振动传感器与标准传感器比值的幅频曲线，可以看出振动传感器在10～2K的频响范围内曲线平滑仍然保持比值为1，具有较好的效果，说明振动传感器的灵敏度符合设计要求。

振动传感器在使用过程中将被牢固的固定在飞行器的振动信号监测位置，即振动传感器与安装位置作为一个机械系统[6]。强噪声对飞行器引起的机械振动微乎其微，并且飞行器引起的噪声强度低于160dB，因此该振动传感器在强噪声场中也可以圆满完成飞行器振动信号的监测工作。

三、结束语

本文采用GJB 150.17-86标准对振动传感器进行了噪声试验，实验结果表明振动传感器在噪声场中性能正常，可以感受到机械振动并有信号输出。同时实际监测过程中该振动传感器的安装方式可以将强噪声引起的机械振动弱化甚至完全消除。因此该振动传感器可以在大型飞行器的振动监测工作上圆满完成监测工作。

参 考 文 献

[1] 唐贵. 近距离低功耗无线振动传感器网络设计与实现. 2012

[2] GJB 150.17-1986，军用设备环境试验方法—噪声试验[S].

[3] 游亚飞，徐路，孙明阳等. GJB 150.170A噪声试验方法介绍与分析[J]. 装备环境工程. 2010.12（6）：33-35

[4] 唐胜景. 基于Matlab的飞行器系统动态特性分析[J]. 北京理工大学学报. 2004. 10（24）：866-873

[5] 刘小群，周云波. 基于Matlab的DFT及FFT频谱分析[J]. 山西电子技术. 2010.4：48-49

[6] 邵闯，黄文超. 机载设备的噪声环境试验研究[J]. 装备环境工程. 2009（6）：46-50