基于pulse系统的电动式振动试验系统校准

于雪莲 王仲亮 孔庆有 吴红肖 刘业路

中国航发沈阳发动机研究所 辽宁 沈阳 110015

关键字 振动试验系统；校准；快速傅立叶变换分析；随机信号

引言

在航空领域，电动式振动试验系统常用作发动机叶片疲劳试验的设备，是一种检测产品可抗振试验的仪器。电动式振动试验系统因为能够早期发现试件故障、模拟结构强度试验，产品应用范围广泛、适用范围宽、适用面广等优点而被广泛应用。

随着技术的进步，人们对电动式振动试验系统计量性能认识以及考核方式也越趋完善。2018年由国家质量监督检验检疫总局颁布的JJG 948-2018《电动振动试验系统检定规程》替代了JJG190—1997《电动式振动台》，对振动实验系统考核增加了振动控制器性能和随机信号的检定/校准要求，传统使用数表开展数据读取的校准方法已无法满足新版规程的要求。本文着重介绍了使用B&K公司pulse分析仪开展电动式振动试验系统校准的方法。

1 PULSE系统组成

动态信号分析仪作为PULSE系统数据采集前端。具有24位A/D转换器和160dB动态控制范围。数据采集前端中的模块采用POE、PTP网络技术，可以根据不同的信号类型选择直接接入电压信号和恒流源线驱动，满足不同类型传感器输入。

根据测量参数建立测量过程，通过对个通道传感器和信号参数配置，向信号分析仪中添加信号组设置信号的属性。最后通过信号组中添加不同函数进行测量[1]。

2 校准电动式振动试验系统所需主要设备

加速度传感器和三轴加速度传感器：不确定度小于2%(k=2)；

A级动态信号分析仪：能够同时进行多通道、实时、快速傅立叶变换分析。

3 电动式振动试验系统振动控制器校准

振动控制器产生激励信号，经过功率放大器放大后驱动振动台。

为了更好分析振动叶片波形，需要保证控制器的频率分辨率和电压幅值谐波失真度。

将控制器信号输出端接动态信号分析仪。根据振动控制器工作频率上下限频率值选取频率值，通过设置分析带宽频和谱线数，计算分析带宽频和谱线数的比值得到频率分辨率。保证频率分辨率满足频率示值误差要求。

控制仪在测量频率上适当量级控制，动态信号分析仪可以用频谱分析法测量并计算谐波失真度γ，用动态信号分析仪测量该频率下幅值和大于五倍频率的谐波幅值，计算谐波失真度γ。pulse系统用频谱分析法测量谐波失真度。利用频率分析法测量各次谐波的含量并计算波形失真度的方法，谐波失真度γ可以用下面公式表示。频谱分析法仪可以较好地解决超低频率失真的测量。测量谐波失真度测量准确度能够达到（1%～3%）。振动控制器正弦信号谐波失真度如图1。

图1 振动控制器正弦信号谐波失真度

式中：

频谱分析法仪测量谐波失真度改变了用失真度测量仪测量谐波失真度的方法。失真度测量仪大多采用基波剔除法，通过具有频率选择性的无源网络抑制基波。首先测量包括基波在内的被测信号的总电压，再将被测信号经过基波抑制电路除去其基波分量，得到各次谐波的总电压。将两次测得的读数比较，得到谐波失真度。可用下式表示：

式中：

失真度测量仪测量谐波失真度测量的误差相对较大。准确度能够达到（5%～10%）。

4 电动式振动试验系统正弦信号校准

正弦信号可以评定特定频率和幅值下抗振能力，能够考核不同状态下所受振动对测量的影响。需测量振动台台面加速度幅值均匀度和向振动比。

用将振动台控制加速度计和标准加速度套组按下图2所示安装好，可以在振动台工作频率范围内测量台面加速度幅值示值误差、振动台频率响应特性。用传递函数法测量台面不同位置加速度幅值，直接得到加速度幅值均匀度。

图2 电动式振动试验系统校准框图

将图2标准加速度套组换成三向加速度传感器，加速度传感器通过电荷放大器连接多通道动态信号分析仪。用快速傅里叶分析法可以得到振动台工作频率范围内台面各方向加速度幅值。通过建立各通道函数组幅值间函数关系，插入PLF功能项进行计算，调用RESULT结果可以直接读取振动试验系统台面横向振动比，减少复杂的计算过程，避免由于人工读数和计算容易出错，减少烦琐的数据处理，极大地了提高工作效率。

5 电动式振动试验系统随机信号校准

随机振动能更好地模拟振动环境，能揭示出发动机叶片在不同分量共同作用下的损坏程度。描述随机振动的主要参数是总均方根和功率谱密度。

加速度总均方根值是加给振动台的总能量，是所设谱形下总面积的平方根值。校准时根据图3设置谱形。

图3 随机信号试验系统校准谱形图

采用动态信号分析仪直接测量试验系统加速度总均方根值和加速度功率谱密度。配合低通滤波器截止频率的设置用分析仪测量频带内外的总均方根值，通过计算二者之比，得到随机加速度总均方根值带内带外加速度总均方根值比。

利用图3的谱形图可以测量试验系统随机加速度总均方根值和加速度功率谱密度横向振动比、随机加速度总均方根值和加速度功率谱密度控制精度等控制参数。还可以根据使用需求实现正弦加宽带随机振动、窄带随机加宽带随机振动等复合信号校准。

6 校准注意事项

在用FFT对信号处理中，由于不可能对无限长的信号进行测量和分析，因此通过对信号截断进行相关分析，在信号截断过程中不可避免会产生能量泄露，即信号的频谱畸变。为了减少因截断引入的误差可以对信号加窗处理。振动试验系统中常用的窗函数有矩形窗、平顶窗和汉宁窗。下表列出不同应用场合需要加的窗函数类型。

不同类型窗函数的特点

针对振动试验系统中根据不同类型信号特点，加入不同窗函数减少能量泄露，以提高测量准确度。

7 结束语

pulse系统校准电动振动试验系统，能够实现电动振动试验系统全部参数的校准，保证振动试验系统量值溯源的可靠性。软件配合计算机实现数据采集、分析和处理。对于振动试验系统各参数的性能分析有重要的参考意义。