振動(dòng)傳感器在強(qiáng)噪聲環(huán)境下的工作性能分析

李春杰 郭濤 閆明明

【摘要】 振動(dòng)傳感器在大型飛行器的振動(dòng)信號(hào)測(cè)試方面有著舉足輕重的地位，但是大型飛行器的內(nèi)部環(huán)境比較惡劣。如果振動(dòng)傳感器在惡劣環(huán)境中不能正常工作，這會(huì)給飛行器的正常運(yùn)行帶來(lái)很大的安全隱患，因此采用GJB 150.17-86標(biāo)準(zhǔn)對(duì)振動(dòng)傳感器進(jìn)行噪聲鑒定試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該振動(dòng)傳感器在強(qiáng)噪聲試驗(yàn)環(huán)境下性能正常，可以完成飛行器振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)。

【關(guān)鍵詞】 振動(dòng)傳感器 大型飛行器 噪聲試驗(yàn) GJB 150.17-86

在航天領(lǐng)域隨著大型飛行器的出現(xiàn)，振動(dòng)監(jiān)測(cè)就成為飛行器地面測(cè)試中的重要環(huán)節(jié)。顫振一直是飛行器在飛行過(guò)程中的一個(gè)重大安全隱患，如果顫振的固有參數(shù)等于或大于飛行器設(shè)計(jì)的固有參數(shù)，飛行器將面臨解體的危險(xiǎn)，所以必須對(duì)飛行器在運(yùn)行過(guò)程中受到的顫振信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[1]，振動(dòng)傳感器是檢測(cè)環(huán)節(jié)的重中之重。

飛行器運(yùn)行過(guò)程中惡劣的工作環(huán)境是否會(huì)對(duì)傳感器的正常工作帶來(lái)影響就成了地面測(cè)試中必考察的一項(xiàng)；振動(dòng)傳感器地面測(cè)試模擬試驗(yàn)的成功與否決定其能否正常的完成監(jiān)測(cè)任務(wù)。飛行器在高速飛行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)的噪聲場(chǎng)，會(huì)對(duì)振動(dòng)傳感器的正常工作帶來(lái)安全隱患。為了驗(yàn)證振動(dòng)傳感器在強(qiáng)噪聲場(chǎng)中的工作性能和耐強(qiáng)噪聲的能力。對(duì)振動(dòng)傳感器進(jìn)行噪聲試驗(yàn)，噪聲試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)采用GJB 150.17-86[2]。

一、GJB 150.17-86標(biāo)準(zhǔn)

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了軍用設(shè)備噪聲試驗(yàn)方法，是制定軍用設(shè)備技術(shù)條件或產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)條件相應(yīng)部分的基礎(chǔ)和選用依據(jù)。

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

考核設(shè)備在強(qiáng)噪聲場(chǎng)中的工作性能和耐強(qiáng)噪聲的能力，測(cè)定設(shè)備對(duì)強(qiáng)噪聲的響應(yīng)。

1.2 試驗(yàn)譜型

振動(dòng)傳感器采用懸掛法進(jìn)行噪聲試驗(yàn)，噪聲加載采用圖1的譜型。

1.3 合格判斷

設(shè)備進(jìn)行過(guò)噪聲試驗(yàn)后，符合下列要求即認(rèn)為是合格[3]：（1）試驗(yàn)過(guò)程中需要進(jìn)行功能測(cè)試的設(shè)備，試驗(yàn)時(shí)設(shè)備的功能不失效，性能、精度未超差；（2）試驗(yàn)過(guò)程中不需要進(jìn)行功能測(cè)試的設(shè)備，試驗(yàn)后設(shè)備的功能不失效，性能、精度未超差；（3）試驗(yàn)后，檢查結(jié)構(gòu)，不能出現(xiàn)變形、松動(dòng)等結(jié)構(gòu)變形。

1.4 試驗(yàn)步驟

（1）將振動(dòng)傳感器用網(wǎng)兜懸掛于噪聲室中，不與墻壁或其他固體接觸；（2）對(duì)振動(dòng)傳感器先進(jìn)行無(wú)噪聲環(huán)境的信號(hào)采集，作為參照數(shù)據(jù)；（3）在強(qiáng)噪聲環(huán)境下對(duì)振動(dòng)傳感器進(jìn)行信號(hào)采集。

二、數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)處理采用Matlab軟件[4]，處理方法采用快速傅里葉變換函數(shù)（FFT）[5]。FFT的輸出是每個(gè)采樣點(diǎn)（共N個(gè)）對(duì)應(yīng)的振幅（需要值得一提的是，準(zhǔn)確地講它們的絕對(duì)值才是振幅）或者能量值（該值的絕對(duì)值越大，說(shuō)明該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的周期越明顯）。

在這些輸出值中，第1個(gè)值是對(duì)應(yīng)的直流分量的振幅（其實(shí)就是周期為無(wú)窮的可能性），那么第2個(gè)值對(duì)應(yīng)第1個(gè)采樣點(diǎn)，第3個(gè)對(duì)應(yīng)第2個(gè)。第n個(gè)對(duì)應(yīng)第n-1個(gè)采樣點(diǎn)。而且這個(gè)輸出是對(duì)稱(chēng)的，只需關(guān)注前N/2個(gè)采樣點(diǎn)。那么第n個(gè)點(diǎn)的頻率的計(jì)算公式是Fn=（n-1）*Fs/N，其中Fs是采樣頻率。由此就可以計(jì)算出n點(diǎn)對(duì)應(yīng)的周期，它是頻率的倒數(shù)，即Tn=N/（（n-1）*Fs）。

2.2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果分析

首先采用Matlab對(duì)參照數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到數(shù)據(jù)的時(shí)域圖形（見(jiàn)圖2），然后對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到時(shí)域圖形（見(jiàn)圖3）。

由圖2可以看出，傳感器的輸出很穩(wěn)定（野點(diǎn)已經(jīng)去掉），直流信號(hào)穩(wěn)定在2.5±0.01V。圖3很明顯的說(shuō)明了振動(dòng)傳感器在噪聲試驗(yàn)開(kāi)始后有信號(hào)輸出，這是因?yàn)檎駝?dòng)傳感器懸掛于噪聲室中，強(qiáng)噪聲環(huán)境引起空氣振動(dòng)，空氣振動(dòng)的能量引起傳感器的機(jī)械振動(dòng)，傳感器感受到機(jī)械振動(dòng)有信號(hào)輸出，這是合理的現(xiàn)象。

對(duì)參照數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT分析，得到數(shù)據(jù)的幅頻曲線圖，如圖4所示。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)同樣進(jìn)行FFT分析，得到的幅頻曲線圖見(jiàn)圖5。

圖4說(shuō)明參照數(shù)據(jù)的頻率主要集中在20Hz左右，其他頻率的信號(hào)振幅只有不到10-4數(shù)量級(jí)，對(duì)于數(shù)據(jù)組成沒(méi)有多大貢獻(xiàn)，分析數(shù)據(jù)時(shí)可以忽略。圖5說(shuō)明了噪聲試驗(yàn)中傳感器輸出的數(shù)據(jù)主要成分大多集中在500Hz左右，并且振幅的數(shù)量級(jí)已經(jīng)到了10-3，可以看到噪聲試驗(yàn)對(duì)于振動(dòng)傳感器的影響還是顯而易見(jiàn)的。

結(jié)合時(shí)域圖與頻譜圖計(jì)算可以得知：振動(dòng)傳感器輸出交流信號(hào)幅值大約為100mv，傳感器的靈敏度為24.9mv/g，也就是說(shuō)強(qiáng)噪聲對(duì)振動(dòng)傳感器造成的加速度為4個(gè)g左右。相對(duì)比-100g～+100g的量程來(lái)說(shuō)，造成了2%的輸出。

2.3 結(jié)論分析

由試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)振動(dòng)傳感器進(jìn)行的功能測(cè)試可知：振動(dòng)傳感器在強(qiáng)噪聲環(huán)境下有信號(hào)輸出，并且信號(hào)是因?yàn)樵肼暛h(huán)境引起的機(jī)械振動(dòng)而輸出的，證明振動(dòng)傳感器在強(qiáng)噪聲環(huán)境下性能正常；在噪聲試驗(yàn)后檢查該振動(dòng)傳感器外形結(jié)構(gòu)、電纜、接插件等部件，沒(méi)有出現(xiàn)變形、松動(dòng)等結(jié)構(gòu)變形；然后對(duì)該振動(dòng)傳感器重新進(jìn)行性能指標(biāo)的測(cè)試，如表1所示，均和噪聲試驗(yàn)前一致。

接著對(duì)振動(dòng)傳感器進(jìn)行掃頻試驗(yàn)，得到頻率響應(yīng)曲線圖，見(jiàn)圖6。

圖6為振動(dòng)傳感器與標(biāo)準(zhǔn)傳感器比值的幅頻曲線，可以看出振動(dòng)傳感器在10～2K的頻響范圍內(nèi)曲線平滑仍然保持比值為1，具有較好的效果，說(shuō)明振動(dòng)傳感器的靈敏度符合設(shè)計(jì)要求。

振動(dòng)傳感器在使用過(guò)程中將被牢固的固定在飛行器的振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)位置，即振動(dòng)傳感器與安裝位置作為一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)[6]。強(qiáng)噪聲對(duì)飛行器引起的機(jī)械振動(dòng)微乎其微，并且飛行器引起的噪聲強(qiáng)度低于160dB，因此該振動(dòng)傳感器在強(qiáng)噪聲場(chǎng)中也可以圓滿(mǎn)完成飛行器振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)工作。

三、結(jié)束語(yǔ)

本文采用GJB 150.17-86標(biāo)準(zhǔn)對(duì)振動(dòng)傳感器進(jìn)行了噪聲試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明振動(dòng)傳感器在噪聲場(chǎng)中性能正常，可以感受到機(jī)械振動(dòng)并有信號(hào)輸出。同時(shí)實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中該振動(dòng)傳感器的安裝方式可以將強(qiáng)噪聲引起的機(jī)械振動(dòng)弱化甚至完全消除。因此該振動(dòng)傳感器可以在大型飛行器的振動(dòng)監(jiān)測(cè)工作上圓滿(mǎn)完成監(jiān)測(cè)工作。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 唐貴. 近距離低功耗無(wú)線振動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn). 2012

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