标准传感器系统对电动振动台的影响

摘 要：环境振动试验是产品研制过程中非常重要的功能验证环节，包括检测产品或构件的共振频率、模拟产品或构件在实际使用中遭受的振动，目的在于验证并提高产品的可靠性。振动台是进行环境振动试验的设备，其内部标准振动传感器的精确与否严重影响最终信号输出，造成振动台面加速度失真度等误差增加，最终影响试验的进行。本文基于美国MBDynamics 公司的C10E 电动振动台，研究内部标准传感器及其配套电荷放大器对其性能的影响，为环境振动试验的进行提供依据。

关键词：振动；压电式振动传感器

1 前言

振动是自然界最普遍的现象之一，大至宇宙小至原子粒子，无不存在振动现象。在工程技术领域中振动现象比比皆是，但在很多情况下振动是有害的，例如：振动降低加工精度和光洁度，加剧结构件的疲劳和磨损，在航空领域中机体及结构件的振动会产生非常严重的后果，轻则会影响驾驶员的操作和舒适度重则会引起机体、结构件的断裂甚至解体。 在飞机试飞阶段为了验证在飞机设计阶段得出的飞机结构的固有频率、固有振型、阻尼系数等数据的正确性，需要对飞机的振动特性进行测量、评估。本文从振动特性测量的改装环节入手，分析影响振动测量的改装因素并提出规范和措施。

2 机载设备振动试验

环境试验是为保证产品能耐受预期的极端环境的破坏作用而进行的一系列研制和验证试验。振动试验是环境试验的重要组成部分，其模拟产品在运输、安装及使用过程中将会承受到的各种振动环境，以确定产品是否能承受来自外界环境的各种振动影响。振动试验可以评价产品或其部分组件在预期运输及工作过程中的抗振能力。一般情况下，振动对产品的影响可以分为以下几种：①产品或部件的结构损坏，如结构变形或产生裂缝等；②产品功能受损或性能变差，如接触不良、继电器产生误动作等。這些都属于非永久性破坏，当振动减小或停止，产品就能恢复正常；③工艺性破坏，如螺钉松动或脱焊。航空标准HB5830.5-84 规定的振动试验条件由功能试验条件和耐久试验条件组成，它们由频率范围、振动量值和持续时间确定。其中，功能试验旨在确定待试验产品在规定的标准振动条件下工作性能的适应性，检查待试验产品是否会出现结构损坏、功能失效、性能降低或其他故障。振动试验分两步进行，首先进行一半时间的功能试验，然后进行耐久试验，接着再进行另一半时间的功能试验。耐久试验的目的是确定待试验产品在规定时间内能否承受预期的振动，是否存在设计或工艺缺陷，以及由其产生的结构完好性和性能问题。HB5830.5 - 84 根据试验严酷等级对功能试验和耐久试验进行分类，并规定其试验持续时间。图1 是机载设备振动试验常用到的正弦振动功能试验曲线，其持续时间为1 小时。不同曲线对应设备安装的不同位置。

3 压电式振动传感器的改装要求与测量精度

3.1 振动加速度测量传感器的改装要求

相应标准规定了振动加速度测量传感器的通用改装要求：

（1）传感器测量轴与被测轴线平行，横向灵敏轴应避开侧向加速度最大的方向。

（2）传感器安装支架质量小，刚度好，接触面接触弹簧的自然频率至少大于传感器自然频率的五倍。

（3）单极性传感器应与支架绝缘安装。

3.2 影响测量精度的因素

（1）安装刚度不足会降低响应频率及使用范围的上限，这一影响在高频测量中尤其显著。

标准规定“接触面接触弹簧的自然频率至少大于传感器自然频率的五倍”；这对传感器安装支架的刚度及安装面的接触刚度提出了很高的要求。若传感器直接安装在被测结构上，其接触弹簧的自然频率可按接触弹簧静态变形求得： fm= 因传感器的质量力一般很小，而接触弹簧刚度趋于无穷大；因此变形δ极小，接触频率可以满足标准要求。若传感器通过转接支架安装在被测结构上，则必须同时考虑支架刚度及两个接触面的接触刚度，并要在满足安装刚度要求的前提下尽量减小支架的质量。若传感器与支架绝缘安装，采用绝缘螺桩及云母垫片可以获得最大安装刚度。

（2）安装支架质量太大，其质量载荷改变了结构的原有振动，导致测量结果失真；如果是在较轻或较薄的结构上测振，这一影响不可忽视。

（3）安装方向偏离传感器的校准状态，传感器轴向灵敏度轴方向与要求的测量方向应尽可能一致，一旦偏离将导致轴向响应降低，而横向响应增大加速度计应当安装在平坦、干净的表面上，横向灵敏轴（在壳体上以红点标出）应避开侧向加速度最大的方向。

（4）螺栓拧紧不当，螺栓拧入基体太深，引起基体拱弯变形，从而产生额外的电输出。拧紧力矩要适当，过大会损坏螺纹，太小将影响安装刚度。

4 标准传感器系统对振动台的影响

C10E & M6K 振动激励系统的标准传感器为压电式振传感器。压电式振动传感器基于敏感元件的压电效应，自身能产生电荷输出，无需外部激励电源，具有稳定性好、工作频率高、线性度好、作用温度范围广的优点。由于压电式振动传感器将被测信号转换为电荷量，不便于直接测量，且输出阻抗高，因此，需要配套电荷放大器，将电荷量转换为便于测量的电压信号并放大输出。存在问题在C10E & M6K 振动激励系统使用过程中，经常出现无法起振或由于噪声偏大而停止工作的现象，后经分析发现，电荷放大器及配套电缆使用时间过长而发生老化，引起接触不良及噪声干扰，以致试验无法继续。

解决方法解决电荷放大器及配套电缆老化引起的问题，最简单直接的方法是更换放大器及电缆。为确保可靠性，将标准振动传感器、电荷放大器及配套电缆更换。更换后的标准传感器为美国ENDEVCO 公司的压电式振动传感器7703A - 50，灵敏度为52.0pC/g，配套电荷放大器更换为ENDEVCO 公司的2680M14 - 502，其截止频率为5000Hz，具有两组增益可调的输出，低增益输出为1 ～ 10mV/pC，高增益输出为10 ～ 100mV/pC。为使振动台具有较小灵敏度，选择低增益输出，并将放大倍数调为1 mV/pC。因此，振动台的标准传感器系统灵敏度为（1）根据式（1），将控制软件相关设置中标准传感器的灵敏度设置为52.0mV/g。

实验及检定结果对新系统进行检定，包括振动台频率、谐波失真度、位移幅值误差、加速度幅值误差等。检定结果满足JJG190 -1997 的相关规定

5 结束语

为了得到最真实、可靠的被试数据，需要深度挖掘试验的各个环节；本文从改装环节剖析了一型振动传感器的相关特性并由此提出了改装关键点，以便能够更好、更真实的得出试验数据为被试对象提供数据支持。

参考文献：

[1] 闻邦椿，李以农，张义民，宋占伟著.振动利用工程[M].北京：科学出版社，2005（8）.

[2] 压电加速度计使用规范[S].秦皇岛市协力科技有限公司，2011.